筒形件充液拉深預脹作用仿真分析研究

蘇海迪，吳 量，朱書建，常 雪

液拉深是指利用流體介質代替凹模，在板材成形過程中通過液體壓力使板材貼附于凸模外表面，從而成形出特有結構[1]。同傳統板件成形方法相比，具有拉伸比大、表面質量好和精度高等優點[2]。付金蕊[3]利用充液拉伸工藝對AA6009鋁合金車門外板進行研究，得到了液室壓力同壓邊力的最優匹配關系。本文通過有限元軟件DYNAFORM對不同預脹壓力進行數值模擬，對比分析中截面厚度分布曲線，得到預脹對充液拉深作用的一般規律。

1 有限元模型的建立

本文選用材料為36號低碳鋼（DQSK），厚度為2 mm，材料密度為7.85 kg/m3，力學性能參數中彈性模量為207 GPa，泊松比為0.28，硬化指數為0.24.原始板坯半徑R=65 mm，凸模底面半徑為15 mm，底端圓角為10 mm，高度為30 mm.有限元模型如圖1所示，主要包括凸模、壓邊圈、原始板坯和凹模，其中凸模、壓邊圈和凹模均定義為剛體，原始板坯單元個數為1 536個，模具單元個數為3 261個。

圖1 筒形件充液拉深有限元模型

充液拉深過程中首先在凹模液室內部注入一定液體，提供板件初始預脹形壓力，預脹形后凸模開始下行，液室中的壓力作用于板件上，使其包裹在凸模外表面成形出零件結構[4]。

2 充液拉深數值模擬

本章通過分析不同預脹壓力作用下成形零件中截面壁厚分布來研究預脹壓力對充液拉深作用的影響規律，中截面各測量點分布如圖2所示。

圖2 中截面各測點分布

為探究初始預脹形壓力值對充液拉深結果的影響規律，分別選取預脹壓力為0 MPa、2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa和10 MPa進行數值模擬，板坯與壓邊圈和凹模間的摩擦系數設為0.01，板坯與凸模間的摩擦系數設為0.8.液室壓力及壓邊力加載路徑如圖3所示，液壓作用時間共0.02 s，其中0~0.006 s為初始預脹形階段，0.006 s~0.02 s為高壓脹形階段，后者采用線性加載至40 MPa；預脹形階段壓邊力為20 kN，高壓脹形階段壓邊力線性降至4 kN.如圖4所示為以上六種工況作用下中截面壁厚分布曲線圖。

圖3 液室壓力及壓邊力加載路徑

從圖4中可以看出，中截面壁厚相對中點呈軸對稱分布，在筒形件邊緣有明顯的增厚現象，在4、6、10和12測點出現明顯減薄，其中6和10測點減薄最為劇烈，意味著中截面上的四個圓角過渡區在成形過程中減薄較為明顯，測點8相對兩側厚度最大，說明筒形件底面中心厚度相對較大；從圖中可以看出隨著預脹壓力的增加，測點6、7、9和10減薄幅度相對其他測點較大，說明此處受預脹壓力變化影響較大；當預脹壓力為10 MPa時，中截面的最小壁厚為1.71 mm，最大減薄率為14.5%；隨著預脹壓力的增大，中截面最小壁厚先增大后減小，在預脹壓力為4 MPa時最小壁厚最大為1.78，最大減薄率為11%，此時中截面壁厚分布最為均勻，成形質量最好。

圖4 測量點壁厚分布曲線

3 結束語

初始預脹壓力對筒形件充液拉深成形質量的影響較為明顯，在筒形件充液拉深過程中，圓角區域減薄較為劇烈，隨著預脹壓力的增大，中截面最小壁厚先增大后減小，最大減薄率先減小后增大；在預脹壓力為4 MPa時達到最為理想的效果，壁厚減薄率最小，分布最為均勻。因此選取合適的預脹壓力能夠有效提高筒形零件的成形質量，過大或者過小的預脹壓力都會降低零件成形質量。

[1]郎利輝，張文尚，劉康寧，等.液室壓力對異形長法蘭盒形件充液成形過程的影響[J].鍛壓技術，2016，41（9）：41-45.

[2]Huiting Wang，Lin Gao，Minghe Chen.Hydrodynamic deep drawing process assisted by radial pressure with inward flow ing liquid[J].International Journal of Mechanical Sciences，2011，53：793-799.

[3]付金蕊.鋁合金車門外板變壓邊力充液拉深工藝數值模擬研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2014.

[4]郎利輝，Danckert J，Nielsen K B.板液壓成形無模充液拉深及數[J].塑性工程學報，2002，9（4）：29-34.