帶凸緣圓筒件拉伸成形缺陷受力分析

楊濤，符有旺，覃天，楊輝

（1.桂林理工大學廣西礦冶與環境科學實驗中心，廣西桂林541004；2.桂林理工大學，機械與控制學院，廣西桂林541004）

帶凸緣圓筒件拉伸成形缺陷受力分析

楊濤1，2，符有旺1，2，覃天1，2，楊輝1，2

（1.桂林理工大學廣西礦冶與環境科學實驗中心，廣西桂林541004；2.桂林理工大學，機械與控制學院，廣西桂林541004）

利用ETA/Dynaform5.6對帶凸緣的圓筒件進行拉深成形模擬，通過觀察成形極限圖預測成形過程中有可能出現起皺傾向以及起皺的部位，并在這些部位各隨機采集一個節點，獲得節點從沖壓開始到沖壓結束的應力曲線圖，分析在出現起皺傾向或者起皺瞬間的時間點在X方向、Y方向、Z方向的應力值，最后分析出使材料發生起皺傾向以及起皺的原因的是Y方向的應力。

拉深；數值模擬；受力分析

零件（圖1）為帶凸緣的圓筒件，在圓筒件的拉深成形的過程中，板料在凸模的壓力的作用下底部的材料變形比較小，在凸緣面部分的金屬在凸模壓力的作用下，受到壓應力與拉應力的作用，徑向拉長，切向壓縮，進入凹模與凸模的間隙里面成為圓筒的直壁，經過這樣一個過程，毛坯就被拉深為深圓筒件。

該圓筒件在拉深的時候主要有以下幾個問題，拉深的時候變形區域比較大，金屬流動性強，拉深的過程中凸緣部分的材料因切向壓縮很容易起皺，處于凸模圓角區域的材料因受到徑向強烈拉深會變薄，嚴重時甚至破裂，導致拉深失敗。在本論文中將運用有限元分析軟件Dynaform5.6分析零件拉深變形的特點，對有起皺傾向、起皺區域進行受力分析，從中找出引起該缺陷的力。

1模擬實驗準備

1.1 拉深實驗模型

圖1是帶凸緣的圓筒件，該零件尺寸的精度是IT14，圓筒件的圓角的半徑是6 mm，零件材料是DQSK37，圖2為該零件展開時候的板坯。

圖1 帶凸緣的圓筒件結構示意圖

圖2 毛坯

1.2 模擬參數

采用雙動，材料為DQSK37，凸凹模間隙為0.96 mm，板料厚度為0.8 mm，摩擦系數為0.125，虛擬沖壓速度為20 000 mm/s[1].

2模擬方案及實驗結果分析

從成形極限圖3中可以看出該圓筒件底部安全，直壁部分呈現有起皺傾向，與凸緣連接的圓角部分以及凸緣呈現起皺現象，在凸緣的邊緣部分呈現嚴重起皺現象，為了分析成形缺陷的受力情況，在有“起皺傾向”的圓筒直壁處隨機選取一個節點4 724（圖4)、在圓筒直壁“起皺”部分隨機選取一個節點3 549（圖4)、在凸緣的“起皺”部分隨機選取一個節點8 505（圖4)，通過觀察這三個節點的受力情況來分析引起這些缺陷的原因[2]。

圖3 成形極限圖

圖4 節點位置示意圖

分析節點4 724，圖5是該節點的正應力分量σxx，σyy，σzz在X，Y，Z方向上隨時間變化的曲線圖。在成形極限圖中觀察該節點，當動畫運行到第9幀（圖6，圖7），時間點為0.003 774 s（表1）的時候圓筒出現起皺現象，在該時間點Y方向的應力為拉應力，應力大小為350 MPa，X方向的應力為拉應力，應力大小為200 MPa，Z方向的應力為拉應力，應力大小為20 MPa，｜Y｜＞｜X｜＞｜Z｜，所以可以認為引起起皺的的原因是，Y方向的拉應力。

圖5 節點4 724在X、Y、Z方向的應力

圖6 節點4 724第9幀成形極限圖

圖7 第9幀成形極限圖局部放大圖

當動畫運行到第10幀（圖8，圖9），時間點為0.004 365 s（表1）的時候，板料由起皺轉變為有起皺傾向，觀察圖5，在該時間點Y方向的應力為拉應力，應力大小為250 MPa，Z方向的應力為拉應力，應力大小為30 MPa，X方向應力為壓應力，應力大小為50 MPa，可以認為材料由起皺改為有起皺傾向，原因是Y方向的拉應力變小，X方向由拉應力變為壓應力。｜Y｜＞｜X｜＞｜Z｜，所以可以認為引起有起皺傾向的原因是，Y方向的拉應力。

圖8 節點4 724第10幀成形極限圖

圖9 第10幀成形極限圖局部放大圖

表1 成形極限圖每一幀圖所對應的時間

分析節點3 549，圖10是該節點的正應力分量σxx，σyy，σzz在X，Y，Z方向上隨時間變化的曲線圖。追蹤該節點從沖壓開始到沖壓結束的運動軌跡，在成形極限圖中觀察該節點，當動畫運行到第9幀圖（圖11，12）的時候，時間點0.003774 s（表1）的時候圓筒出現起皺傾向，在該時間點Y方向的應力為拉應力，應力大小為150 MPa，X軸方向的應力為壓應力，應力大小為80 MPa，Z方向的應力為0，｜Y｜＞｜X｜＞｜Z｜，可以認為引起板料有起皺傾向的是Y方向的應力。

圖10 節點3549在X、Y、Z方向的應力

圖11 節點3549在第9幀成形極限圖

圖12 第9幀成形極限圖局部放大圖

當動畫運行到第13幀（圖13，14），時間點為0.006 140 s（表1)的時候，在成形極限圖中可以看到，圖形中出現起皺，此時該節點的應力Y為拉應力，應力大小為250 MPa，Z方向的應力為拉應力，應力大小為45 MPa，X方向的應力為壓應力，應力大小為90MPa，｜Y｜＞｜X｜＞｜Z｜，可以認為引起板料有起皺傾向的是Y方向的應力。

圖13 節點3 549在第13幀成形極限圖

圖14 第13幀成形極限圖局部放大圖

隨機選取節點8505，如圖所示，圖15是該節點的正應力分量σxx，σyy，σzz在X，Y，Z方向上隨時間變化的曲線圖，追蹤該節點從沖壓開始到沖壓結束的運動軌跡，在成形極限圖中觀察該節點，動畫在前8幀的時候，在該節點板料還處于未充分拉深的狀態，當動畫運行到第9幀（圖16，17）的時候板料從未充分拉深變化為起皺，觀察該節點在這個時刻0.003 774 s（表1），在該節點Y的應力為壓應力，應力大小為130 MPa，X方向應力為拉應力，應力大小為為70 MPa，Z方向的應力為0 MPa，｜Y｜＞｜X｜＞｜Z｜，可以認為引起板料有起皺傾向的是Y方向的應力。

圖15 節點8 505在X、Y、Z方向的應力

圖16 節點8 505在第9幀成形極限圖

圖17 第9幀成形極限圖局部放大圖

3結束語

表2節點發生起皺傾向、起皺瞬間在X、Y、Z方向的應力值。

表2 節點發生起皺傾向、起皺瞬間在X、Y、Z方向的應力值

綜上所述，通過觀察表2，可以發現引起有起皺傾向的是Y方向的應力，引起有起皺現象的是Y方向的應力。

（1）當Y方向的拉應力在150～250 MPa范圍時材料有起皺傾向。

（2）當Y方向的拉應力在250～350 MPa時范圍時材料發生起皺。

[1]陳文亮.板料成型CAE分析教程[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2]胡建華.CN100汽車發動機油底殼二次拉深模擬及實驗研究[J].鍛壓技術，2011（6）：155-156.

Stress Analysis of Tensile Form ing Defectof CylinderW ith Flange

YANG Tao1，2，FU You-wang1，2，QIN Tian1，2，YANG Hui1，2
（1.Guilin University of Technology，GuangxiMining and Metallurgy and Environmental Science Experiment Center，Guilin Guangxi541004，China；2.College ofMechanical and Control，Guilin University of Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

The flanged cylinder was simulated by using ETA/Dynaform5.6 drawing，map projections may have appeared in the process of forming wrinkle tendency and wrinkling of the site through the observation of forming limit，and in these parts of the random collection of a node，the node from the beginning to get stamping punch end stress curve analysis in the wrinkling tendency or the value of stress in X direction，Y direction and Z direction of the wrinklingmoment of time，finally analyzes the wrinkling tendency and the reason which makes the material iswrinkling stress in Y direction.

deep drawing；numerical simulation；stress analysis

TG386

A

1672-545X（2016）12-0067-04

2016-09-01

廣西教育廳支助項目（編號：YB2014158）

楊濤（1994-），男，青海循化人，本科，研究方向；覃天（1981-），男，貴港人，工程師，碩士，研究方向為數控，模具，人工骨。