方盒形件混合分塊壓邊拉深工藝研究

（燕山大學 先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室，河北 秦皇島 066004）

板材拉深成形時，一般認為法蘭區是主要變形區，對直臂類零件除法蘭區和凹模圓角區外的其他區域都屬于非變形區或僅為傳力區，曲面類零件則還存在其他變形區。拉深成形時的板坯在經歷法蘭區的變形后，再經過凹模圓角產生彎曲和反彎曲變形，然后形成不再變形的直臂區或形成繼續變形的曲面區。按成形零件的形狀，板材拉深又可分為軸對稱和非軸對稱成形，可根據凹模口的形狀加以區分。軸對稱零件成形時對應圓形凹模口，而盒形件是非軸對稱的典型零件，對應凹模口的形狀是帶圓角的矩形或方形。

軸對稱拉深成形時，由于板坯整體尺寸變小，法蘭區的變形屬于壓縮類成形，若不考慮材料變形平面內的各向異性，且成形條件不違反軸對稱特性，變形質點僅沿徑向流動，而不產生周向流動，板坯的厚度沿徑向是不均勻的，但厚度分布只和徑向位置有關，這也是采用整體壓邊方法不能有效抑制板材起皺的主要原因。為改進普通壓邊方法的不足，筆者所在課題組提出了徑向分塊壓邊方法[1—2]，即將壓邊圈沿徑向分成若干塊而實施壓邊，研究表明，這種方法可有效提高壓邊效果，在壓邊力相同的情況下，抑制起皺效果明顯。

盒形件拉深成形的法蘭變形區可分為圓角區和直邊區，不考慮兩個區域相互影響時，圓角區的變形與軸對稱成形一致，而直邊區的變形質點在變形前期只做平移，之后和圓角區的變形質點一起經過凹模口后再產生彎曲和反彎曲變形。由于在成形過程中兩個區域會相互影響，法蘭圓角區變形質點會部分地向直邊區流動，導致直邊區產生周向壓縮，圓角區板料的變形程度也得以減緩。因兩部分區域的材料流向凹模口的速度不同，在圓角區和直邊區的連接處產生剪切變形和切應力，因而，盒形件拉深成形時法蘭區的變形遠比軸對稱成形復雜，由于變形質點沿徑向和周向都有流動，板坯的厚度沿徑向和周向都是不均勻的，厚度分布與徑向尺寸和周向位置都有關系。

多年來，壓邊力控制技術一直是研究的熱點，至今已提出了很多方法[3—5]。近年來，針對盒形件成形的研究和應用實例逐漸增多[6—8]。為了更好地控制盒形件拉深成形過程，德國學者首先提出了周向分塊壓邊的思想[9—10]，并隨后得到了一定深入程度的研究[11]，將壓邊圈沿周向分塊而實施壓邊的方法能在一定程度上提高壓邊效果。此外針對盒形件的成形還提出了變壓邊力控制等方法[12—14]，以及分塊壓邊的常壓邊力設計等方法[15]。

考慮到板坯在成形過程中厚度沿徑向和周向都分布不均，為了更好地控制法蘭區變形質點的流動，抑制起皺，提高壓邊效果，文中在針對軸對稱件的徑向分塊壓邊[1—2]和非軸對稱件的周向分塊壓邊[9—10]的基礎上，提出了混合分塊壓邊方法，即在整體上采用周向分塊方法將圓角區和直邊區分開，而在圓角區又采用徑向分塊方法。

以方盒形件的拉深成形為研究對象，采用混合分塊壓邊方法，首先用有限元分析方法，優化確定直邊區與圓角區壓邊力的最佳分配比及直邊區內、外壓邊塊的壓邊力最佳分配比。在此基礎上，用實驗方法并結合有限元分析方法，對方盒形件分別采用混合分塊壓邊方法和普通壓邊方法的拉深成形過程進行分析比較。

1 混合分塊壓邊方法及有限元模擬分析

方盒形件拉深成形擬采用的混合分塊壓邊所設計的壓邊圈分塊方案見圖1，即對法蘭直邊區和圓角區沿周向分塊，而在凹模圓角區又采用徑向分塊。圓角區壓邊圈沿徑向再分為內、中、外3部分。

圖1 混合分塊壓邊各壓邊塊位置Fig.1 Diagram of blank holder position

為了比較各壓邊方法的優劣，首先采用有限元模擬的方法分別對整體壓邊、周向分塊壓邊以及混合分塊壓邊的拉深成形工藝進行分析。

采用混合分塊壓邊將整個法蘭區分為16塊。模具幾何參數（部分參數按正交試驗方法確定）為：法蘭圓角區半徑為22 mm，法蘭直邊區寬度為56 mm，凹模和凸模圓角分別為6 mm和5 mm，取拉深深度為30 mm，總壓邊力均取2200 N。

周向分塊壓邊是沿周向將壓邊圈分為8塊，即圓角區和直邊區各 4塊，分塊位置與混合分塊壓邊相同。對于混合分塊壓邊方法，法蘭圓角區3個壓邊圈的分塊位置和壓邊力分配與軸對稱件的分析相類似，周向壓邊需要設置直邊區與圓角區的壓邊力比值。

板坯厚度為 1 mm，選擇圓形毛坯直徑為 220 mm。材料模型為等效應力應變關系符合冪指數的形式，強度系數為511.8 MPa，硬化指數為0.205，厚向異性系數為 1.4。按庫倫摩擦條件，取凸模與板料間的摩擦因數為 0.125，凹模和壓邊圈與板料間的摩擦因數為0.1。

在總壓邊力相同的情況下，將分別采用3種不同壓邊方法進行拉深成形得到的變形和起皺情況見圖2。圖2顯示，采用整體壓邊方法，法蘭變形區起皺明顯，且圓角區起皺較直邊區更為嚴重；采用周向分塊壓邊方法，法蘭直邊區的起皺有所減緩，但圓角區的起皺仍很嚴重；而采用混合分塊壓邊方法，法蘭區的起皺很小。

圖2 不同壓邊方法方盒形件拉深成形起皺情況Fig.2 Wrinkling of square cups in deep drawing with different blank holders

對混合分塊壓邊方法，在總壓邊力相同的情況下，采用有限元模擬方法，取不同的直邊區和圓角區壓邊力比值，分析整個法蘭區的皺紋幅度。模擬可得到直邊區與圓角區壓邊力比值與皺紋最大幅值的關系，從而找到較佳的壓邊力分配，但如果再考慮圓角區徑向分塊壓邊力比值，組合數量多，計算量則太大。為了減少有限元分析的計算量，采用正交分析的方法對參數進行優化。

2 基于正交試驗方法的混合分塊壓邊工藝優化

2.1 盒形件拉深成形起皺影響分析

2.1.1 正交試驗方案設計

參照軸對稱成形徑向分塊壓邊拉深工藝的分析方法，根據有限元模擬結果，采用正交試驗方法確定最佳的直邊區與圓角區總壓邊力分配比例，以及圓角區內、中、外壓邊力分配。

1）試驗指標：皺紋最大幅值，變形板坯的最小厚度。

2）設計變量：以總壓邊力、圓角區與直邊區總壓邊力比，以及圓角區各分塊壓邊圈壓邊力之比為設計變量。

3）試驗方案：試驗因素為 3個，每種因素有 3個水平，這是一個三因素三水平的正交試驗，采用正交表L9(34)。正交試驗因素水平見表1，正交試驗方案見表2。

2.1.2 正交試驗結果

根據表2設計的各組試驗參數，利用有限元分析方法對每組實驗方案進行模擬。每組實驗的模擬結果見表3。利用正交試驗分析方法中的直接分析法分析此次正交試驗結果。從各組實驗結果可以看出，當拉深深度相同時，總壓邊力為 1500 N，直邊區與圓角區總壓邊力比為2.2∶1，其中圓角區的各壓邊力內、中、外壓邊力比1∶1.69∶0.46。

表1 正交試驗因素水平Tab.1 Orthogonal test factor level

表2 正交試驗方案Tab.2 Scheme of orthogonal test

表3 正交試驗結果Tab.3 Results of orthogonal test

設Kjm為第j（j=1,2,3,4）列因素第m（m=1,2,3）水平號，所對應的試驗指標和Km表示同一水平各因素對應的模擬結果之和。kjm為Kjm的平均值，即km=Km/3，可以判斷第j列因素的優組合和優水平；R為極差，反映了某一列因素水平波動時，試驗指標的變化幅度，極差R=kmmax-kmmin。極差值R越大，說明該因素對試驗指標的影響也就越大，因此，可以根據R值的大小來確定各因素的主次關系順序。

盒形件拉深到相同深度起皺最大高度的極差分析見表4。由極差計算結果可以看出，影響盒形件拉深3個因素中，總壓邊力的大小對起皺的影響最大，其極差值R是6.581，其次是直邊區與圓角區總壓邊力分配比例，影響因素最小的是圓角區3個壓邊圈之間的壓邊力分配比例。

板坯危險斷面最小厚度的極差分析結果見表5。可以看出，對板坯最小厚度的影響因素中，總壓邊力的影響最大；其次為直邊區與圓角區總壓邊力分配比例；影響最小的因素是圓角區內中外壓邊力分配比例。影響板坯危險斷面最小厚度因素R的大小順序與皺紋高度分析的R值大小順序一致，這驗證了影響盒形件拉深成形質量的最大因素是總壓邊力。

為了尋求盒形件拉深起皺臨界壓邊力，用以上相同的分析方法，將板坯拉深到不同位置，找到在不同位置時壓邊圈總壓邊力最小情況下直邊區與圓角區總壓邊力分配比例和圓角區內、中、外壓邊力分配比例最優數值。正交試驗最優結果見表6。

由表6可以看出，隨著拉深位置的不斷增加，起皺臨界壓邊力曲線為上凸形，即先增大后減小，有最大值。當壓邊力增加到一定值時，則板坯可以完全拉入凹模內而不發生起皺失穩，但最優圓角區3個壓邊圈的壓邊力比值不變，最優直邊區和圓角區的壓邊力比值不斷減小。這是由盒形件成形的變形特點決定的。分析結果表明，圓角區離凹模口越近的區域，變形程度越大，且是發生起皺趨勢最嚴重的區域。直邊區則正好相反，變形程度最大區域發生在法蘭外緣。當變形板坯不斷被拉進凹模，板坯法蘭外緣尺寸不斷減小，圓角區所需的壓邊力占總壓邊力的比值需不斷增加，才能防止圓角區起皺的發生。

表4 皺紋高度極差分析Tab.4 Analysis on height range of wrinkles

表5 板坯最大成形高度極差分析Tab.5 Analysis on range of maximum forming height

表6 不同拉深位置起皺各試驗因素最優值Tab.6 Optimum value of test factors for different drawing strokes

2.2 盒形件拉深成形破裂影響分析

2.2.1 正交試驗方案設計

采用正交試驗方法確定板坯拉深到某一位置時合理的總壓邊力值、直邊區與圓角區壓邊力分配比例以及圓角區內中外3個壓邊塊壓邊力之間分配比例。

1）試驗指標：厚度減薄率，最小截面厚度。

2）設計變量：與起皺分析相同。

3）試驗方案：與起皺分析相同。正交試驗因素水平見表7，正交試驗方案見表8。拉深深度h=21.14 mm。

表7 正交試驗因素水平Tab.7 Orthogonal test factor level

表8 正交試驗方案Tab.8 Scheme of orthogonal test

2.2.2 正交試驗結果

根據成形瞬間的板坯減薄率，并測量板坯最小截面厚度，正交試驗結果見表9。

由表9可以看出，當總壓邊力大于300 kN時，最大減薄率大于30%，板坯已發生破裂失穩。當總壓邊力不超過300 kN時，盒形件不產生破裂失穩。當總壓邊力為300 kN，且直邊區壓邊力與圓角區總壓邊力比為 2.0∶1，圓角區內、中外壓邊力比為1∶1.49∶0.46時，板坯最大減薄率數值最小，并且最小截面厚度大于其他試驗組的板坯厚度，成形質量最好。

表9 正交試驗結果Tab.9 Results of orthogonal test

采用正交試驗法，計算板坯在不同的拉深位置，總壓邊力最小情況下，各壓邊塊的壓邊力最優分配情況見表10。

從表10可以知道，隨著拉深位置的不斷增加，破裂臨界壓邊力先減小后增加，即在拉深過程中有最小值。當壓邊力減小到一定值時，則板坯在整個成形過程中都不發生破裂失穩。最優圓角區內中外壓邊力比值不變，而最優直邊區和圓角區的壓邊力比值不斷減小。這是由盒形件成形的變形特點決定的，即圓角區離凹模口越近的區域變形程度越大，而直邊區的外緣為變形程度的最大區域。

表10 不同拉深位置時破裂各試驗因素最優數值Tab.10 Optimum value of test factors for different drawing strokes

3 混合分塊壓邊方法實驗

參照正交試驗分析結果，并考慮設計模具對不同的板材進行拉深成形實驗，最終確定實驗模具幾何參數。實驗模具參數與有限元模擬一致。實驗模具結構見圖3。

圖3 混合分塊壓邊拉深實驗模具結構Fig.3 Diagram of experimental setup for deep drawing with hybrid segmental blank holder

拉深成形實驗是在YA32-315四柱式液壓機上進行的，成形過程中的兩組壓邊力分別由壓力機的下頂出缸的活塞和液壓缸4上的柱塞提供。下頂出缸提供的壓邊力由活塞桿、壓邊力傳感器、頂桿6、壓邊圈底板2，再由橡膠塊8傳遞給法蘭圓角區的壓邊塊9,10和 11，而對板坯施加壓邊力，各壓邊塊的壓邊力分配可由其與橡膠塊的接觸面積調節，另由4個柱塞將壓邊力分別作用在直邊區的4個壓邊塊上。拉深實驗裝置實物見圖4。

圖4 混合分塊壓邊拉深實驗模具Fig.4 Die for experimental setup for deep drawing with hybrid segmental blank holders

選用某低碳鋼板、鍍鋅板等板材，采用實驗研究方法對方盒形件混合分塊壓邊拉深成形進行了研究，并與普通的整體壓邊方法進行了對照，主要包括法蘭區的起皺和臨界壓邊以及成形極限等。盒形件拉深時的法蘭區局部起皺情況見圖5。上面兩個樣件分別表示直邊區和圓角區起皺，下面兩個樣件則分別表示在圓角區去掉中壓邊塊和內壓邊塊的起皺情況。結果表明，雖然直邊區為彎曲變形性質，圓角區的起皺趨勢高于直邊區，但由于圓角區金屬橫向流動，直邊區也會產生嚴重的起皺趨勢。

圖5 盒形件法蘭區局部起皺情況（鍍鋅板）Fig.5 Local wrinkling in flange area of rectangular parts(galvanized sheet)

選取某低碳鋼板和鍍鋅板兩種板材，毛坯外形為圓形，用實驗方法比較分別采用整體壓邊和混合分塊邊條件下的拉深制件的法蘭起皺和破裂情況。壓邊力的選擇參照前面的正交分析試驗結果。壓邊力施加不當產生的破裂和起皺情況見圖6。采用混合分塊壓邊得到的成形制件（低碳鋼和鍍鋅板）見圖7。

圖6 壓邊力過大或過小引起的破裂和起皺Fig.6 Wrinkle and fracture behaviors in deep drawing with conventional blank holder

圖7 盒形件成形樣件（低碳鋼板、鍍鋅板）Fig.7 Samples of square cup in deep drawing with hybrid segment-blank-holder technique(low carbon and galvanized steel)

兩種板材采用普通壓邊方法和混合分塊壓邊方法得到的拉深成形極限尺寸見表 11，結果表明，采用混合分塊壓邊方法，提高成形極限效果明顯。

表11 最大成形高度Tab.11 Maximum forming height

實驗和有限元分析結果都表明，在總壓邊力、起皺幅值相同，以及其他工藝條件相同的情況下，混合分塊壓邊方法可有效降低壓邊力，與普通方法相比，新方法可減小壓邊力超過16%。

4 結論

1）針對盒形件拉深成形提出了混合分塊壓邊方法，即將法蘭區的4個直邊區和4個圓角區沿周向分開進行壓邊，并在每個圓角區又分別采用徑向分塊壓邊。

2）采用有限元模擬，并結合正交試驗方法，對方盒形件在混合分塊壓邊條件下的拉深過程進行了分析，確定了各分塊位置和壓邊力的分配等設計參數。

3）采用實驗方法，比較了方盒形件分別在整體壓邊和混合分塊壓邊條件下的拉深成形過程。結果表明，在總壓邊力相同的情況下，混合分塊壓邊方法抑制起皺效果顯著。在合理的工藝條件下，混合分塊壓邊方法提高成形極限明顯。