封頭沖壓技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

摘要：對薄壁封頭的沖壓技術(shù)進行了詳細的綜述，介紹了薄壁封頭沖壓技術(shù)原理及其技術(shù)要點，總結(jié)了薄壁封頭沖壓過程中易出現(xiàn)的缺陷及其解決辦法，通過數(shù)值模擬方式分析了薄壁封頭沖壓過程中起皺和回彈影響因素，最后對大型薄壁封頭沖壓技術(shù)進行了展望。

關(guān)鍵詞：薄壁封頭;沖壓;缺陷;數(shù)值模擬

1.薄壁封頭沖壓技術(shù)及其現(xiàn)狀

1.1 薄壁封頭的沖壓成形原理

薄壁封頭沖壓成形屬于復(fù)雜曲面零件的深拉伸成形范疇。與筒行件相比，封頭沖壓成形機理更加復(fù)雜，在成形過程中，不僅法蘭部分的毛坯是變形區(qū)，而且毛坯中部也是變形區(qū)，尤其中部處于懸空狀態(tài)的毛坯，由于不受模具的直接作用，其變形狀態(tài)和趨勢只能通過其他途徑來控制，是薄壁封頭成形中的難點。能否有效控制懸空部分毛坯正確成形是整個工藝的關(guān)鍵。

薄壁封頭的拉深是金屬平板被拉深成封頭形狀的過程，如圖1所示.

圖1" 封頭沖壓成形工藝原理圖

在成形過程中，中部毛坯徑向始終處于拉應(yīng)力的作用下，而維向應(yīng)力在凸模頂點附件為拉應(yīng)力狀態(tài)，其大小隨半徑的加大而減小，在超過一定半徑后變?yōu)閴簯?yīng)力。

應(yīng)力分界圓外的毛坯在成形過程中處于一向受拉和另一向受壓的應(yīng)力狀態(tài)，與筒形件拉深時變形區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)相同，其變形機理屬于拉深變形，稱之為曲面零件的第一成形原理。在應(yīng)力分界圓內(nèi)，板料在成形過程中處于雙向拉應(yīng)力的狀態(tài)，板料在此應(yīng)力狀態(tài)下，產(chǎn)生厚度變薄的脹形，稱之為曲面零件的第二成形機理。凸模形狀不同，則成形后依靠的拉深機理和脹形機理各自形成部分所占比例不同。

1.2 薄壁封頭的沖壓技術(shù)要點

（1）凹模圓角半徑的確定

一般來說，圓角R盡可能取大些，大的R可以降低極限拉深系數(shù)，減少沖壓時摩擦阻力、提高材料的流動性，從而提高橢球體表面質(zhì)量，但是R過大時會削弱壓邊圈的作用，引起起皺和鼓包現(xiàn)象;R過小時使材料流動性降低，使封頭表面質(zhì)量降低甚至產(chǎn)生龜裂形成裂紋源，導(dǎo)致封頭被拉裂，還會降低模具的使用壽命，因此圓角R的大小要適當(dāng)。

（2）模具間隙的確定

一般來說，間隙過小會增大沖壓時摩擦阻力、降低材料的流動性，降低工件表面質(zhì)量、使工件拉伸后變得更薄，甚至產(chǎn)生龜裂形成裂紋源，導(dǎo)致封頭表面拉裂，降低模具使用壽命;間隙過大沖壓時摩擦阻力會減小、材料的流動性增大，引起皺褶和鼓包現(xiàn)象，因此模具間隙大小要適當(dāng)。

（3）拉深次數(shù)的確定

拉深次數(shù)和拉深量是沖壓工藝編制中的關(guān)鍵點之一，直接關(guān)系到拉深件的質(zhì)量和拉深工作的經(jīng)濟性。拉深次數(shù)決定于每次拉深時允許的極限變形程度，拉伸系數(shù)是衡量拉深變形程度的一個重要的工藝參數(shù)。

（4）沖壓板料尺寸的確定

沖壓板料毛坯尺寸過大將導(dǎo)致封頭沖壓過程中主缸壓力增大，封頭直線段部位減薄嚴(yán)重，甚至產(chǎn)生龜裂成為裂紋源，誘發(fā)裂紋的產(chǎn)生;沖壓板料毛坯尺寸過小導(dǎo)致所需壓邊力過大，當(dāng)設(shè)備壓邊力不夠大時沖壓過程中板料流動過快就會引起鼓包、起皺的產(chǎn)生。

1.3 薄壁封頭沖壓過程中易出現(xiàn)的缺陷及解決方法

薄壁封頭沖壓成形是一種典型坯料塑性加工工藝，整個坯料在成形過程中發(fā)生劇烈的金屬塑性流變，各部分應(yīng)力、應(yīng)變和金屬流動狀態(tài)極為復(fù)雜，難以實現(xiàn)精確定量控制，易形成如周邊起皺、起包、橢圓變形及直邊處縱向裂紋等缺陷。

（1）周邊起皺

封頭沖壓時坯料外緣的壓縮量最大。此壓縮量向三個方向流動，增加邊緣厚度;拉深時向中心流動，補充徑向拉薄;向外自由伸長，即徑向擴大。由于徑向流動阻力小，所以向外伸長往往較大。如果坯料較薄或模具不當(dāng)、工藝不當(dāng)，使封頭在拉延過程中其變形區(qū)切向壓應(yīng)力大于徑向拉應(yīng)力時，就會喪失穩(wěn)定而產(chǎn)生周邊皺折。

影響起皺產(chǎn)生的主要原因是坯料的相對厚度，相對厚度越大，坯料邊緣穩(wěn)定性越好，切向壓應(yīng)力只能使板邊變厚;相對厚度越小，對板邊縱向彎曲抗力越小，易喪失穩(wěn)定而起皺。此外，板坯加熱溫度不均、模具間隙及下模圓角太大、坯料焊縫太高、壓邊力太小或不均等都能產(chǎn)生皺折。坯料產(chǎn)生皺折后，很難通過上下模具間的間隙，容易被拉斷。即使通過下模，起皺也無法消除，影響封頭質(zhì)量。

通過使用壓邊圈，可以防止起皺的產(chǎn)生。壓邊圈的壓力應(yīng)合適，壓力過大增大摩擦力，使拉應(yīng)力增大，封頭被拉薄甚至拉斷;過小則不能防止起皺的產(chǎn)生。不產(chǎn)生起皺最適宜的壓邊力應(yīng)是一個變值，即應(yīng)隨沖頭向下行程的增加而逐漸加大，這在實際生產(chǎn)中是難以實現(xiàn)的。

（2）起包

在一般薄壁橢圓封頭的拉深過程中，起包現(xiàn)象多發(fā)生在封頭曲率較大的部位。

采用圈形整體式壓延模，先對封頭折邊附近的大曲率部位進行預(yù)壓，使坯料成為平底鍋形，再用凸模壓制成型這樣，在曲率較大的部位，由于預(yù)壓成了一定的幾何形狀，在其預(yù)壓區(qū)域存在冷作硬化現(xiàn)象，增強了坯料變形過程中的剛性，則避免了起包現(xiàn)象的發(fā)生。

（3）橢圓變形及直邊縱向裂紋

橢圓變形產(chǎn)生的原因是脫模方法不當(dāng)，或封頭吊運溫度太高。直邊處縱向裂紋是危害性較大的一種缺陷。產(chǎn)生的原因是坯料邊緣不光滑或有缺口、脫模溫度太低等。這兩種缺陷的防止方法是仔細檢查和清理坯料邊緣，合理制定加熱規(guī)范和控制脫模溫度。

此外，直邊拉痕或壓坑也是常出現(xiàn)的缺陷。原因是下模及壓邊圈工作表面粗糙，潤滑不好，坯料氣割熔渣未清除。防止方法是提高下模壓邊圈工作表面的光滑度，合理使用潤滑劑，清除坯料上熔渣及氧化皮等。

2.薄壁封頭沖壓技術(shù)在數(shù)值模擬中的應(yīng)用

通過長期的生產(chǎn)實踐摸索，現(xiàn)已建立了較為成熟的常規(guī)薄壁封頭沖壓成形工藝，但也是僅停留在粗略的定性分析和工人豐富經(jīng)驗基礎(chǔ)上建立的控制成形質(zhì)量的工藝措施，更多的時候采用增加坯料厚度的方法來滿足封頭承壓要求，但是這樣導(dǎo)致封頭厚度變大，制造成本顯著增加。近年來隨著計算機技術(shù)和數(shù)值計算理論的快速發(fā)展，利用有限元等數(shù)值計算軟件來優(yōu)化封頭成形工藝的研究受到廣泛關(guān)注，如使用數(shù)值計算和實驗兩種方法研究了內(nèi)部施加載荷的蝶形封頭在彈塑性階段的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，如數(shù)值計算研究了分別施加內(nèi)、外載荷的橢圓封頭在彈性和塑性階段應(yīng)力應(yīng)變分布，也確定了這些封頭內(nèi)、外臨界壓力值。這些研究和理論分析為封頭成形制造過程由定性分析向定量控制轉(zhuǎn)變提供了技術(shù)支持。

3.1 薄壁封頭起皺缺陷的有限元模擬

在薄壁封頭拉深成形中，起皺是一個比較常見的問題。起皺將導(dǎo)致工件重新設(shè)計，并重新進行拉深成形，勢必會造成嚴(yán)重的資源浪費，成本增加。如何避免起皺，已經(jīng)被得到了重視。對于拉深中出現(xiàn)的起皺現(xiàn)象，已經(jīng)有大量的實驗和理論計算研究這一現(xiàn)象的發(fā)生機理，如采用能量方法分析了圓盤在沖壓過程中的起皺現(xiàn)象，如研究承受平面徑向拉應(yīng)力的環(huán)形平板的彈性起皺問題。

大量的文獻證明有限元方法能夠成為一個模擬薄壁封頭拉深成形的強有力的分析工具。如果有限元分析建立在可靠的數(shù)據(jù)、正確的模型和適當(dāng)?shù)姆治龇椒ɑA(chǔ)之上，那么有限元分析將能足夠可靠的預(yù)測薄壁拉深成形結(jié)構(gòu)，并能直接指導(dǎo)模具的設(shè)計。

一般有兩種有限元方法模擬失穩(wěn)起皺的發(fā)生，即線性（特征值）分析和非線性分析。對于線性分析，其中的剛度矩陣是獨立的負(fù)載和位移，特征值分析是最適合的方法。大部分商業(yè)代碼提供特征值翹起分析模塊。在程序中材料屬性和幾何形狀都是非線性存在的，剛度矩陣是載荷、位移和應(yīng)變的函數(shù)，從而要求一個非線性解。在非線性有限元分析中，有許多準(zhǔn)則被用來確定起皺發(fā)生時的增量，在有些情況下，載荷的單一增加引起起皺結(jié)構(gòu)如此的嚴(yán)重以至于分析不能夠收斂。

2.2 薄壁封頭回彈的有限元模擬

球形薄壁封頭是由圓形板料沖壓而成的，圓板是最簡單的耦幾何與物理非線性為一體的力學(xué)分析模型。多年以來，對圓板各種力學(xué)性質(zhì)的研究一直受到廣泛的重視，因為圓板在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用非常廣泛，尤其是各種回轉(zhuǎn)體構(gòu)件多由圓板加工而成。

通過對圓形板料雙向彎曲受力和變形進行分析，及實際工件成形實驗分析，將為具體評估材料的可彎曲性、計算成形所需的力、設(shè)計模具、預(yù)報彎曲或沖壓后的回彈以提高產(chǎn)品的尺寸精度、確定成形后工件內(nèi)的殘余應(yīng)力，防止在成形過程中產(chǎn)生缺陷提供理論分析依據(jù)，大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，并滿足容器制造業(yè)提高標(biāo)準(zhǔn)后的技術(shù)需求。

3.薄壁封頭沖壓技術(shù)的展望

薄壁封頭一般用于壓力容器等安全部件，因此對其壽命有嚴(yán)格要求。但目前針對封頭壽命的評估均是從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面考慮，對于沖壓等制造過程的影響還未作考慮，因此如何準(zhǔn)確預(yù)測薄壁沖壓封頭內(nèi)的殘余應(yīng)力，并通過工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、新的沖壓工藝或增加表面處理實現(xiàn)殘余應(yīng)力控制，進而實現(xiàn)高壽命薄壁沖壓封頭制造。具體需在如下幾個方面開展相關(guān)研究工作：（1）封頭材料復(fù)雜本構(gòu)模型建立及其應(yīng)用：主要是考慮材料的各向異性和動態(tài)硬化，實現(xiàn)沖壓后零件內(nèi)的回彈和殘余應(yīng)力分布的準(zhǔn)確計算;（2）殘余應(yīng)力分布對封頭疲勞性能的影響規(guī)律;（3）沖壓封頭殘余應(yīng)力的主動控制方法

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