基于Dynaform的316L不锈钢拉深成形分析

张慧妍，刘延辉，宣守强

（上海工程技术大学 材料工程学院，上海 201620）

0 引 言

不锈钢是指耐大气和水等弱介质腐蚀的钢[1]，是金属快速成形领域被应用的材料，其易于制造，具有合理的成本、较好的生物相容性和力学性能以及优异的耐腐蚀性，被广泛应用于航空航天、交通运输、石油化工及生物材料等领域[2-4]。316L不锈钢是典型的奥氏体不锈钢，其粉末成形性好、制备简单、来源广泛、价格低廉且具有较高的抗拉强度和屈服强度、硬度及良好的耐磨性，适用于制造各种复杂结构的零件，如牙桥、牙冠及手术手板等[5]。

仇建桐等[6]通过模拟与试验结合的方法，对6061高强铝合金室温下的成形性能进行研究，结果表明：板料的最大减薄率随着压边力与冲压速度的增大而不断增大，其变化趋势与试验结果一致，对实际铝合金拉深成形具有一定的指导意义；孙刚等[7]通过AutoForm迭代补偿与几何补偿的方法对汽车顶盖冲压回弹进行研究，模具零件状态研配到与数值模拟边界条件一致时，尺寸符合率可达96.5%，验证了几何补偿方式的有效性。施为钟等[8]运用Dynaform软件对厚板梁弯曲成形进行无压边成形数值模拟，再采用压料板施加压料力对自由弯曲成形进行校正。

1 试验材料的力学性能

激光选区熔化制造的316L不锈钢的显微组织及物相间存在一定的差异，使其力学性能不同。拉伸试验是评价材料强度较为常见且简易的一种方法，由此能得到不同材料的基本力学性能指标，可以初步评价材料的强度和韧性。表1所示为316L不锈钢材料化学成分。

表1 316L不锈钢的化学成分 质量分数

通过拉伸试验得到该材料的各项力学性能参数，为有限元数值模拟提供了数据基础。拉伸性能测试使用Autograph拉伸仪器，设置拉伸速度为1 mm/s。为保证试验结果的准确性，试验材料必须选用国家标准试样[9]，如图1所示，试样的原始标距和原始横截面积的关系见公式（1）。

图1 拉伸试样尺寸

其中，比例系数k值为5.65。

图2所示为激光选区熔化制备的316L不锈钢室温下的应力-应变曲线，其屈服强度和极限抗拉强度分别为550 MPa和696 MPa，延伸率为12.5%。激光选区熔化的316L不锈钢细小柱状晶生长的方向性使其力学性能呈现各向异性。在拉伸过程中，不同方向的晶粒相互牵制，塑性变形能力不同，最终导致材料变形不均匀而使塑性下降。

图2 应力-应变曲线

2 试验方案

图3 三维模型

表2 凸、凹模尺寸 mm

成形极限图（forming limit diagrams，FLD）是由板料在不同应变路径下的局部失稳极限工程应变e1和e2或极限真实应变ε1和ε2构成的条带形区域的曲线[11]，通过成形极限图可以对板料的最终成形性能进行准确有效的判断，是评判板料冲压问题的有效方式之一。图4所示曲线上方区域为失效区域，即在该区域的样品为报废品；在曲线上表示处于临界失效区域，试样有破裂的趋势，在该区域也易出现失效的冲压件；曲线下方为安全区域，说明零件可以顺利成形，生产符合工艺要求的产品。

图4 成形极限图（FLD）

曲线上的点是否破裂失效要依据实际情况而定。图4中A点位于成形极限曲线上，假设该点处于某个面内的主应变状态，B点位于曲线下方，A、B在同一条直线上，则A、B两点的次应变相同，那么

若ωFLD=1，那么A点将出现失效现象；若ωFLD＜1，则A点处于安全状态。利用Dynaform有限元分析软件前处理系统，分别对板料、凸、凹模以及压料板进行定义，利用参数设置系统设置压边力以及冲压速度，通过观察后处理得到的成形极限图及厚度分布图，探究316L不锈钢在不同的压边力、冲压速度的成形情况。

3 试验结果

3.1 不同压边力的成形结果

为了探究压边力对拉深成形结果的影响，采用控制单一变量法，只改变压边力大小，保持2 000 mm/s的冲压速度及系统默认的摩擦系数不变。在压边力分别为10、20、40、60 kN下的成形极限图如图5所示。深色区域为破裂失效区域，如图5（d）所示，当压边力增大至60 kN时，在筒形件圆角部位发生破裂。这是由于凸模圆角部位受到拉应力及压应力共同作用，当所受应力过大时，该部位材料在受力变化过程中流动不均，以至于该处减薄率逐渐增大直至产生破裂。最大减薄率的变化趋势如图6所示，随着压边力的增大，圆角部位的最大减薄率递增。

图5 不同压边力的成形极限图

图6 最大减薄率变化趋势

3.2 不同冲压速度的成形结果

通过分析1 000、2 000、4 000、6 000 mm/s不同冲压速度的成形极限，可以看出成形件均无起皱情况，如图7所示。冲压速度在1 000、2 000、4 000 mm/s的范围，筒形件均能很好成形，无起皱破裂现象。但随着冲压速度的增大，在临界破裂区域的点逐渐增加，说明冲压速度越大，冲压件存在破裂的趋势，即冲压速度的增大，降低了该材料的塑性。当冲压速度增大为6 000 mm/s时，筒形件在圆角处发生破裂，这是由于冲压速度越大，使凹模圆角处压力和弯矩产生的压应力增大，该部位板料的厚度减薄严重，最终发生破裂。由图8可以看出，不同的冲压速度对冲压成形件的最大减薄率变化趋势也有一定的影响。当冲压速度为1 000 mm/s时，筒形件的最大减薄率为15.25%，而冲压速度为6 000 mm/s时，最大减薄率增大至30.8%，因此要合理控制冲压速度的大小，避免成形件局部减薄过多而导致破裂。

图7 不同冲压速度的成形极限图

图8 最大减薄率变化趋势

4 结束语

通过单向拉伸试验对316L不锈钢的力学性能进行测量，由应力-应变曲线可以得出材料的屈服强度为550 MPa，抗拉强度为696 MPa，延伸率为12.5%。不同的压边力与冲压速度均会对316L不锈钢的拉深成形产生影响，压边力或冲压速度过大均会导致拉深成形件在圆角部位破裂失效；压边力与冲压速度的大小与该材料的最大减薄率呈正比例关系，即压边力或冲压速度增大，材料的最大减薄率增大。