分塊壓料與板坯形狀對St16鋼板矩形盒拉深成形性的影響

付澤，鄂大辛

(北京理工大學材料學院，北京 100081)

矩形盒拉深具有非回轉對稱成形的典型特征，拉深過程中壓料面上法蘭各點的應力、應變主軸瞬時變化，導致其變形分析非常復雜[1]。實際生產中，對于形狀尺寸確定的矩形盒拉深，為了提高產品使用性能、成形質量和成形極限，需要正確選材并設計合理的拉深工藝及其模具結構[2—8]。盡管已有很多研究人員研究了分塊變壓料力和板坯形狀優化兩種工藝方案對拉深性能的影響，但對兩種工藝的效果對比以及兩者的結合效果鮮有報道[9—14]。

為了近似地模擬汽車板成形，文中選用汽車覆蓋件用st16冷軋薄板作為研究對象，在傳統壓力控制技術及模具結構的基礎之上，根據壓料面上法蘭流動變形具有局域性分布的特征，提出利用分塊變壓料力控制技術與板坯形狀優化相結合的工藝方案，來改善法蘭板料變形狀況，進而提高矩形盒成形性及成形極限。考慮到工藝試驗結果的不確定性可能導致模具多次報廢所帶來的經濟損失和時間浪費等，采用eta/DYNAFORM軟件對矩形盒件拉深過程進行模擬，并分析比較了分塊壓料與優化板坯形狀對矩形盒件拉深極限的影響，為確定成形工藝和模具設計制造提供參考。

1 板料成分及單向拉伸的力學性能

為了提取st16板的各項基本力學性能參數，進行了單向拉伸實驗。試樣按照GBT 228—2002標準切割制備，在WDW-E100D萬能試驗機上實施拉伸實驗。圖1所示為分別沿與軋制方向成0°，45°和90°三個方向截取試樣的拉伸工程應力應變曲線。三個不同方向試樣的屈服點都比較明顯且數值基本相同，總伸長率均在50%左右，0°方向略大。拉伸中、后期應力變化平緩，顯示出良好的均勻延伸性能，并且最大載荷點出現之后，仍具有較強的延伸能力。

圖1 St16板料的拉伸工程應力應變曲線Fig.1 Uniaxial tensile engineering stress-engineering stress curves of the St16 blank

2 壓料力可控模具結構

矩形盒產品的基本形狀尺寸為72 mm×36 mm，圓角半徑為8 mm。傳統矩形盒拉深模具采用彈簧或聚氨酯橡膠作為彈性壓料元件。一般拉深凸模、凹模及壓料板都采用T10A，熱處理硬度:凸模50～60HRC，凹模和壓料板58～62HRC，工作表面粗糙度為0.4。該模具的缺點是拉深過程中，壓料面上法蘭變形體積逐漸減小，但來自于聚氨酯橡膠壓縮反力的壓料力卻越來越大，這顯然將影響矩形盒的拉深成形性。

為了改善整體壓料板的壓料條件，實現實時可調的合理壓料力拉深，采用一套簡易液壓系統代替原來的聚氨酯橡膠，改造后的模具如圖2所示。該壓料裝置由一臺手動泵作為壓力源，帶動4個單動單出桿液壓缸頂起壓料板進行同步壓料，并在液壓缸進油口與手動泵回油口之間設置一個先導式比例溢流閥，調節回油壓力以控制壓料力合理變化。由于實施合理壓料力拉深，在同樣變形條件下，提高了極限拉深深度Δhmax≈2.8 mm。

圖2 整體壓料板壓料力可調矩形盒拉深模具Fig.2 The drawing die with the whole blank holder of controllable force

3 矩形盒件拉深成形模擬分析

3.1 有限元模型建立

圖3 矩形盒拉深有限元模型Fig.3 The finite element model of rectangular case drawing

利用SolidWorks對矩形盒及其模具進行建模后導入eta/DYNAFORM，有限元模型如圖3所示。所有幾何參數均與實物相同，將模具設為剛體，板坯采用1.5 mm×1.5 mm正方形網格，為提高計算速度，定義板坯類型為BT殼單元，凸模拉深速度設為0.5 m/s。為了提高計算精度和真實可靠性，直接輸入St16板料的真實應力應變曲線加載，即采用曲線硬化材料模型。

3.2 拉深模擬結果分析

3.2.1 矩形板坯整體壓料拉深模擬

首先，按常規生產工藝采用108 mm×72 mm×1 mm矩形板坯，壓料力分別為 FN=100，110，120，130 kN的整體壓料拉深進行有限元分析，計算模擬結果表明:FN=100 kN，110 kN，法蘭起皺明顯，FN=120 kN，法蘭僅局部有微小起皺，且極限成形深度h=25.96 mm，而當 FN=130 kN，拉深深度 h=17.70 mm時凸模轉角處矩形盒破裂。對于FN=120 kN存在一個最佳板坯尺寸，增大板坯尺寸到117 mm×81 mm×1 mm，可以得到極限拉深深度hmax=16.07 mm。分析如圖4所示變形分布及成形極限圖可知，矩形板坯進行整體壓料拉深成形過程中，壓料面上法蘭直邊材料向凹模口的流入較快，受兩側曲邊材料變形擠入的影響，長直邊的流動比短邊部快，角部流入緩慢，角端部成為僅隨前方材料流動的“變形死區”，并且這部分阻礙前方材料周向壓縮變形。凸模轉角破裂危險區板料受到徑向和周向不等拉伸，且因法蘭角部材料流入阻力增大，部分變形質點已經到達破裂線。因此，為了提高矩形盒成形性及其成形極限，必須設法改善壓料條件及其法蘭變形流動狀況。

圖4 傳統矩形板坯整體壓料拉深模擬的成形極限圖Fig.4 FLD of drawing forming simulation for rectangular plate with the traditional whole blank holder

3.2.2 矩形板坯分塊壓料拉深模擬

矩形盒件拉深時，法蘭直邊材料在凸模下行拉力作用下幾乎平行移向凹模口，在凹模肩圓角處彎曲、反彎曲變形后進入凹模;法蘭曲邊由于材料過剩，在凹模口前因周向壓縮使板厚增厚且一部分被拉入凹模口，而大部分板料則滯留在法蘭角部。這樣，整體壓料板所施加壓料力基本作用在這部分板厚增大的曲邊板料上。由于整體壓料力的局部作用造成的進料阻力進一步增大，使得凸模轉角破裂危險區材料變形加劇而較早地產生破裂。為了緩和壓料面上法蘭材料向凹模口方向流入速度的差異，根據凹模口形狀和法蘭流動變形特點，如圖5所示，沿凹模直、曲邊切點將壓料板分為長、短直邊和曲邊共8塊并實施分塊壓料力控制拉深。

圖5 矩形板坯分塊壓料拉深模擬的成形極限圖Fig.5 FLD of drawing forming simulation for rectangular plate with the segmented blank holder

為使法蘭直、曲邊材料流入均勻，必須抑制易變形區材料流入速度，相對促進難變形區材料流入變形，即應使 σ長＞σ短＞σ角。以整體壓料(FN=120 kN)時的單位壓料力σ=F/A=18.13 MPa為依據，參考各部分壓料板的面積之比，且保證壓料力總和∑F=120 kN進行分配，得到一組相對最優的分配結果，即長直邊壓料力Fl=39 kN，短直邊Fs=7 kN，角部壓料力Fq=7 kN。由圖6所示有限元模擬結果可見，由于法蘭拉壓區變形質點得以分散且流入速度差異緩和作用，其極限拉深深度較整體壓料拉深提高了 Δhmax=3.54 mm。

3.2.3 切角板坯整體壓料拉深模擬

考慮到矩形板料拉深時角端部“變形死區”材料約束曲邊周向壓縮變形，增大了曲邊流動變形阻力。因此如圖6所示，整體壓料力FN=120 kN條件下，垂直曲邊角對稱線切除角部，通過不斷調整，當沿長、短邊切除長度Cl=Cs=30 mm時，效果最優。由于減小了法蘭曲邊變形約束和滑動摩擦阻力，法蘭起皺趨勢被減輕而緩和了凸模轉角破裂危險區變形，在矩形板坯整體壓料拉深的基礎之上，極限拉深深度增加了Δhmax=4.77 mm。

圖6 切角板坯整體壓料拉深模擬的成形極限圖Fig.6 FLD of drawing forming simulation for rectangular plate with sheared blank

3.2.4 切角板坯分塊壓料拉深模擬

分塊變壓料力和矩形板坯切角的出發點不同，但目的都是為了促進法蘭材料的變形流動性，可在一定程度上提高拉深極限。因此，考慮綜合利用兩者的作用，在切角板坯的基礎上進行分塊變壓料力拉深模擬。仍保證壓料力總和∑FN=120 kN不變，調整各部分壓料力得出切角板料分塊壓料的一組最佳壓料力分配，即 Fl=30 kN，Fs=8 kN，Fq=11 kN，有限元模擬結果如圖7所示。減少法蘭曲邊過剩材料使該區域變形約束和流動摩擦阻力減輕的同時，又適當調整了壓料力分布后，法蘭起皺趨勢幾乎消失。因此，由于法蘭流動變形阻力減小，緩解了凸模轉角板料的破裂危險性，最終使法蘭材料全部拉入凹模口內，極限拉深深度達hmax=31.24 mm。顯然，這并非兩種工藝措施的簡單疊加作用，而是兩者的綜合效果。

圖7 切角板坯分塊壓料拉深模擬的成形極限圖Fig.7 FLD of drawing forming simulation for rectangular plate with sheared blank and the segmented blank holder

矩形盒拉深中板坯形狀尺寸優化有很多途徑，其中包括長、短邊尺寸和切角量等，而分塊的位置和變壓料力的分配也不是最佳方案，原因是隨著板坯形狀尺寸變化，最佳分塊壓料力分配方案將隨之而變化。因此，上述關于分塊變壓料力和板坯形狀尺寸優化的矩形盒拉深的有限元模擬結果，僅僅作為一種工藝優化的初步嘗試，常規拉深、分塊壓料拉深、優化板坯拉深、分塊壓料與優化板坯拉深的矩形盒極限成形深度分別為 16.07，19.61，20.84，31.24 mm，具體板坯形狀優化和分塊壓料模具設計制造可參照上述分析結果。

4 結論

矩形盒拉深的破裂危險點產生在凸模轉角附近，但產生原因則取決于法蘭變形流動狀況，因此，分塊變壓料力拉深和優化板坯形狀均可在某種程度上提高矩形盒拉深成形性。其中，優化板坯形狀的效果大于分塊壓料，而如能綜合利用并同時優化兩種工藝改善措施，將可獲得矩形盒拉深極限深度的更顯著提升。

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