應變硬化指數對圓筒形件拉深性能的影響

陳繼平，錢健清，李勝祗

(1．安徽工業大學材料科學與工程學院，安徽 馬鞍山 243002;2．安徽省金屬材料與加工重點實驗室，安徽 馬鞍山 243002)

0 前言

拉深是板料沖壓成形工藝之一，在機械、電子、儀器儀表及航空航天等領域廣泛應用。目前，國內外對板料拉深性能的研究較多，主要針對其影響因素以及近似計算極限拉深比LDR(limit drawing ratio)的公式，但對某些影響因素的研究還不夠深入。眾所周知，板料的厚向異性系數與拉深性能關系密切，而對于板料的應變硬化指數n值與LDR值的關系方面的研究，其觀點存在矛盾，有不少學者認為其影響可以忽略，但也有學者認為不能忽略［1，2］。隨著近年來對拉深性能研究的逐步深入，n值對LDR的影響也日益受到關注。所以研究在不同條件下n值對LDR的影響對進一步掌握n值與拉深性能的關系有著重要意義。

在板料的LDR值的影響因素中，對n值和r值的研究最多。文獻［3－8］對拉深成形的極限拉深比有影響的材料參數與工藝參數等主要因素進行了歸納總結，結果表明各向異性系數r值對極限拉深系數有影響很大，各向異性系數r平均值和r最小值都大的材料，其拉深性能最好，而應變硬化指數n對極限拉深系數的影響要小一些。

本文通過PAM-STAMP 2G有限元軟件模擬SWIFT平底沖杯實驗，分析厚向各向異性系數對板料極限拉深比的影響，研究不同厚向各向異性系數時硬化指數n值對材料拉深性能的影響規律。

1 拉深成形過程中主要工藝參數的選擇

毛坯尺寸選擇厚度為1.5 mm的圓形板料，在模擬中進行試錯，最終找出所需要的拉深不破裂的最大直徑。在模擬沖壓成形過程中，通過調整圓形板料的大小，以得到某一條件下拉深后板料不破裂的最大直徑，在模擬結束后用該直徑來計算板料的極限拉深比LDR值。

鋼鐵材料的厚向各向異性系數r值的取值一般在1.5～2.5范圍內，在其它材料參數與工藝參數不變的條件下，本文選取r值為1.5、2、2.5， 不 同 的 n 值 為 0.1、0.15、0.2、0.25、0.3。沖壓成形過程中的主要工藝參數見表1。

表1 沖壓過程主要工藝參數Table 1 Main process parameters of stamping

2 模擬過程及模擬結果

板料大小的選取沒有一定的標準，可以在模擬過程中通過試錯來逐漸縮小板料的取值范圍，最終找出所需要的拉深不破裂的最大直徑。通常模擬都要根據多次試錯后才能獲得所需要的數據，限于篇幅，本文對最接近成功的幾個板料直徑的模擬結果進行分析，說明其模擬過程。

根據SWIFT的平底凸模拉深試驗的原理，以n=0.15為例，當取板料拉深直徑為102.6 mm時，模擬得到的成形質量分布、成形極限圖FLD、厚度分布以及減薄率如圖1所示。

從圖1所示的成形質量分布以及成形極限圖可以看出，該板料拉深比較充分，在邊緣處有起皺現象，沒有破裂點，即板料完全可以沖壓成功。從厚度分布以及減薄率圖可以得出圓筒件拉深后的厚度分布的位置、大小以及減薄率的大小。筒形件的最大厚度為1.742 460 mm，位于邊緣位置，此處的板料較原始厚度1.5 mm增加了16.164%;最小厚度為1.177 360 mm，位于圓角部，此處的板料減薄率為21.509 3%。模擬得到的板料厚度的分布情況和實際沖壓的情況完全一樣，即邊緣處最厚，圓角處是減薄最厲害的部位。但從模擬結果看，板料處于安全區域，這時還需要進一步增大板料的直徑，以測得不破裂時的最大板料直徑。

為了進一步驗證用更大直徑的板料進行拉深是否會引起破裂，又把板料拉深直徑增加到103.6 mm，此時所得到的模擬成形質量分布、成形極限圖FLD、厚度分布以及減薄率如圖2所示。

從圖2可以看出，板料拉深完成后沒有破裂。為此再進一步增加板料的尺寸，拉深直徑增加到104 mm，這時得到的模擬成形質量分布、成形極限圖FLD、厚度分布以及減薄率如圖3所示。

從圖3可以看出，板料圓角部位出現了破裂點，此處的厚度為 1.192 85 mm，減薄率為25.381 0%。選用該點前一個不破裂的板徑來計算LDR值，即該條件下的最大不破裂點的半徑為51.8 mm。并根據其計算出該條件下的LDR值。同理，在其它厚向各向異性系數條件下，按類似的方法進行模擬，可得出拉深時板料不破裂的最大半徑。模擬結束時，根據所得到的該條件下不破裂的最大半徑，可以計算出該條件下的LDR值。在不同厚向各向異性系數r值下，板料的拉深性能即極限拉深比LDR值隨硬化指數變 化的情況如圖4所示。

從圖4可以看出，在不同厚向各向異性系數r值的情況下，總的趨勢是板料的拉深系數LDR值隨著r值的增加而增加。在不同的r值情況下，隨著硬化指數n的提高，極限拉深比LDR增大。當n從0.1增加到0.2時，LDR值幾乎直線上升，說明硬化指數對拉深性能的影響較大;在硬化指數大于0.2之后曲線變化趨緩，說明在n大于0.2后，硬化指數對拉深性能的影響較小。厚向各向異性系數越大，硬化指數的變化對拉深性能的影響越小。如圖4所示，r值為1.5時，n值從0.1 ～ 0.3，對應的極限拉深比LDR從1.712增加到2.113，增加了0.401;當r值為2.5時，n值從0.1～0.3，對應的極限拉深比LDR從2.2增加到2.52，增加了0.32。很明顯，厚向各向異性系數大時，硬化指數對拉深性能的影響小。

圖3 筒形件拉深試驗成形結果Fig.3 Forming results of cylinder cup in deep drawing experiment

圖4 不同厚向各向異性系數時不同n值對應的LDRFig.4 LDR corresponding to different hardening index n value at different r values

4 結論

本文研究了不同厚向各向異性系數r值以及在不同r值條件下n值對板料極限拉深比的影響。得出的結論如下:

(1)在其它條件如沖壓速度、板厚、硬化指數等不變的情況下，隨著厚向各向異性系數r值的增加，板料拉深性能提高，極限拉深比LDR增加;

(2)在其它條件不變的情況下，隨著厚向各向異性系數r值的增加，硬化指數n值對板料的拉深性能影響減小;

(3)在小的厚向各向異性系數r值的情況下，硬化指數對板料的拉深性能影響大;在r值大的情況下，硬化指數n值對板料的拉深性能影響不大。在r值小時，可以通過增加板料的硬化指數n值來增大板料的極限拉深比。

［1］ 肖景容，姜奎華．沖壓工藝學［M］．北京:機械工業出版社，2006:46－58．

［2］ 梁炳文．材料強化指數n值與極限壓延系數mk值的關系［J］．塑性工程學報，1994(6):41－56．

［3］ 許可．影響鋼板沖壓成形極限因素的研究［J］．機電產品開發與創新，2007(7):20－22．

［4］ 陳繼平，錢健清，李勝祗．圓筒形件拉深成形的數值模擬研究［J］．重型機械，2005(3):24－27．

［5］ 包向軍，蔣宏范，何丹農，等．材料參數對汽車覆蓋件沖壓成形性能影響的數值模擬［J］．機械工程材料，2001(7):15－17．

［6］ 林啟權，寧智群，趙雄．橢圓盒拉深成形的數值模擬［J］．湘潭大學自然科學學報，2005(6):136－141．

［7］ 黃小明，陳鶴崢，胡世光．板材的基本成形性與模擬成形性的相關性研究［J］．金屬成形工藝，1991(9):51－56．

［8］ 張質良，肖志達，吳年盛．板料拉深過程最佳參數的研究［J］．模具技術，1997(1):67－69．