通過數值模擬對半球形件拉深壓邊力進行優化

文/魏良慶，蔡友莉，喬旭安·重慶科創職業學院機電工程學院

通過數值模擬對半球形件拉深壓邊力進行優化

文/魏良慶，蔡友莉，喬旭安·重慶科創職業學院機電工程學院

針對半球形零件，利用有限元分析軟件Dynaform研究了不同恒定壓邊力對拉深件成形質量的影響，確定了壓邊力的安全區域。

拉深件的成形質量受諸多因素的影響，包括拉深模具參數、板料的力學性能、壓邊力、成形溫度、成形速度等。在拉深過程中，由于起皺和拉裂的影響，壓邊力是一個非常重要的工藝參數。在很多情況下，通常需要壓邊裝置產生合適的壓邊力以防止工件出現上述質量問題。特別是對于復雜曲面零件，拉深時，板料處于懸空狀態，所需要的壓邊力往往不是恒定的，如果拉深時采用恒定的壓邊力，零件很難成形，質量難以保證。因此，在這種情況下，采用變壓邊力拉深就顯得非常必要。

本試驗以半球形拉深件為例，采用有限元分析軟件Dynaform對工件的成形性能進行了分析，研究了不同壓邊力控制曲線對工件成形質量的影響。

有限元模型的建立及參數設置

板料

本試驗選用的仿真材料為低碳鋼（DC 01），料厚1.0mm。DC 01的性能參數見表1。

表1 DC 01的性能參數

有限元模型

圖1是用Dynaform軟件建立的半球形件拉深有限元模型，它包括凸模、凹模、板料以及壓邊圈。凹模直徑Dd=103mm、凹模圓角半徑Rd=7mm、凸模直徑Dp=100mm，板料毛坯直徑D0=200mm、板料厚度t=1mm、拉深高度H=70mm、拉深速度ν=50mm/s、摩擦系數μ=0.125。

圖1 有限元模型

設定恒定壓邊力時，通過經驗公式計算出理論防皺臨界壓邊力值為62kN。由此，分別對恒定壓邊力為40kN、45kN、62kN、125kN、130kN和140kN的半球形件進行拉深模擬，所得半球形件的最大增厚率、最大減薄率及成形質量見表2。從表2可以看出，壓邊力為140kN時，工件發生斷裂，壓邊力為40kN時，工件產生嚴重的起皺。根據恒定壓邊力條件下的模擬結果，結合理論計算的值，選取壓邊力的安全變化區域為50～125kN。即壓邊力低于50kN時，起皺為限制成形的主要因素，壓邊力高于125kN時，斷裂成為影響成形的主要因素。

在臨界拉裂和臨界起皺壓邊力安全變化區域確定的情況下，壓邊力控制曲線的形式對成形極限的影響可以通過選取6種類型的壓邊力控制曲線（即漸減式、先恒定后減式、開口向下的拋物線形、漸增式、先恒定后增式和開口向上的拋物線形）進行模擬，如圖2所示。

圖2 6種不同壓邊力控制曲線

結果與討論

按照圖2所示的6種控制曲線，采用變壓邊力代替恒定壓邊力，壓邊力取值范圍為50～125kN，每一種壓邊力控制曲線下工件的增厚率、減薄率如圖3所示。從圖3可以看出，隨著拉深過程的進行，凸模圓角部位和側壁部位在拉深3s以后逐漸減薄，拉深4s以后凸緣部位的厚度逐漸增大，拉深8s以后，工件基本不再增厚，而減薄率仍在增大，這勢必會影響到最終工件的質量。

圖3 不同壓邊力控制曲線下的工件厚度變化情況

通過表3可以看出，采用曲線6（開口向上的拋物線形）在板料增厚和減薄方面都控制得較理想，半球形件的質量最好，厚度分布比較均勻，最大增厚率和減薄率分別為22.4%和12.2%，其成形極限圖如圖4所示。采用曲線2（先保持恒定后減式）半球形件的質量最差，最大增厚率和減薄率分別為32.2% 和12.9%。曲線5（先保持恒定后增式）雖然合理地控制了起皺現象，但最小壁厚的減薄率已經達到13.1%。

表3 6種壓邊力控制曲線的最大增厚率與減薄率

結束語

⑴在恒壓邊力作用時，存在一個壓邊力安全區域50～125kN，使得半球形件不發生起皺和拉裂。壓邊力低于50kN，起皺為限制成形性能的主要因素，高于125kN，減薄和斷裂成為限制成形的主要因素。

⑵對于半球形拉深件，采用變壓邊力可以明顯提高工件的成形質量。通過對比6種變壓邊力控制曲線對半球形件拉深的模擬結果可以發現：采用曲線6（開口向上的拋物線形），半球形件的質量最好，厚度分布比較均勻，最大增厚率和減薄率分別為22.4%和12.2%。

圖4 采用曲線6控制方式下的拉深成形極限圖