SPCC半球形件拉深工藝仿真研究

凡小帥

（濟南大學 機械工程學院，山東 濟南 250022）

半球形件是典型的大變形曲面類零件，成形過程中變形區材料產生拉深和脹形的復合變形，導致成形中易發生起皺和破裂的缺陷。通過改變拉深成形工藝參數和成形方法研究其對半球形成形質量的影響[1-2]。

于曉東等[3]采用理論分析法研究了曲面類零件成形過程中的應力狀態，指出應力分界圓影響曲面零件成形質量，而壓邊力和摩擦因數是改變應力分界圓重要參數。高恩志等[4]利用有限元法研究了半球形件拉深成形的過程，當壓邊力為0.4MPa～0.8MPa時，工件無破裂和起皺現象，而壓邊力大于0.8MPa，發生破裂。LI H等[5]采用電磁壓邊技術，通過仿真加載不同的壓邊力曲線，得到不同壓邊力對半球形件成形質量的影響。陳海明[6]研究了半球底深筒件多道次拉深成形，并利用有限元法分析了成形過程中壓邊力對成形質量的影響。

本文采用有限元法仿真SPCC板料拉深成形半球形件過程，目的為闡明SPCC半球形件在拉深成形過程中工藝參數和工藝方案對成形質量的影響規律，優化成形工藝參數和工藝方案，提高SPCC半球形件成形質量。

1 半球形件數值仿真

圖1為半球形件零件圖，材料為SPCC板材。要求拉深成形后零件側壁無起皺、破裂缺陷。

圖1 半球形件零件圖

依據文獻[7]半球形件拉深系數m=0.71，可一次拉深成形半球形件。由經驗公式知拉深成形半球形件的板料直徑D=205mm，采用單位壓邊力p=4.5MPa。

1.1 SPCC板料性能

通過單向拉伸試驗，獲得SPCC應力應變數據。處理數據擬合Hollommon Law曲線σ=K(ε)n，獲得如圖2所示真實應力應變曲線。板料的機械性能參數見表1。

圖2 SPCC真實應力應變曲線

1.2 有限元分析模型

半球形件拉深幾何模型如圖3所示，其中D為板料直徑。

有限元模型采用殼單元，如圖4所示網格劃分。設置板料厚度為1mm，材料模型采用分段線性彈塑性模型。板料為圓形板料單元網格，自適應網格劃分。

表1 板料機械性能參數

圖3 半球形件拉深幾何模型

圖4 網格劃分

拉深過程采用凸模位移控制方式，凸模位移S=80.5mm，壓邊力為單位壓邊力p=4.5MPa與壓邊面積乘積F=9kN，板料與凹模、壓邊圈單面接觸，拉深過程中凹模靜止。設置摩擦因數為0.125。

1.3 結果與分析

由有限元模型仿真得到凸模位移與壁厚最大減薄關系曲線以及1/4S、1/2S、3/4S、S的FLD圖如圖5所示，圖6為半球形件FLD圖。

由圖5、6結果分析，拉深成形半球形件當凸模位移為1/2S時零件側壁開始出現嚴重的皺起現象，隨著位移S增加起皺加劇。最終，半球形件側壁處有嚴重的起皺和邊緣破裂現象，最大減薄率達到53.8%。

圖5 凸模位移與最大減薄曲線

圖6 經驗工藝參數成形半球件FLD圖

上述現象產生的原因：

（1）由于理論單位壓邊力不足，凸模位移小于3/4S時，變形區域板料受到切向壓應力作用，導致側壁處出現起皺現象。

（2）由于板料直徑不足，凸模位移大于3/4S時，板料邊緣進入凹模圓角區域后，板料不受壓邊力約束，側壁起皺更嚴重。

（3）當板料完全進入凹模型腔后，凸模擠壓起皺區域，半球形件邊緣出現拉裂現象。生產中該缺陷不僅對零件成形質量造成嚴重影響，也會造成模具的磨損，應避免上述現象的發生。

由經驗公式得到的工藝參數一次拉深成形SPCC半球形件不能得到無缺陷零件，零件側壁有嚴重的起皺和邊緣破裂缺陷。

2 工藝參數對成形的影響

通過改變板料直徑、單位壓邊力和摩擦因數研究工藝參數對半球形件成形質量的影響，優化半球形件一次拉深成形工藝參數，提高零件拉深成形質量。

2.1 板料直徑

設置不同的板料直徑 D=220mm、230mm、240mm，單位壓邊力p=4.5MPa，摩擦因數μ=0.125。

由圖7、8結果分析，板料直徑D=220mm時最大減薄率為60.8%，由于板料直徑不足，零件邊緣破裂。板料直徑 D=230、240mm，最大減薄率為15.5%、20%，板料一直受到壓邊力約束。如圖8b所示起皺區域明顯比圖8a中的小，零件側壁處起皺得到改善，邊緣無破裂現象。

圖7 板料直徑與最大減薄率關系曲線

圖8 不同板料直徑成形半球件FLD圖

增大板料直徑可以避免球形邊緣拉裂現象，提高零件側壁處的成形質量。但是考慮實際生產中需要修邊去除法蘭邊緣，過大的板料直徑造成材料浪費，增加生產成本。所以采用板料直徑D=230mm拉深成形半球形件，較為合適。

板料直徑D=230mm時側壁有較大的起皺區域，并且法蘭區域起皺嚴重。主要原因是由于單位壓邊力不足導致。而壓邊力和摩擦因數是提高曲面類零件成形質量的重要工藝參數，壓邊力和摩擦因數相互作用。設置不同單位壓邊力和摩擦因數，探究其對半球形件成形質量的影響。

2.2 單位壓邊力

設置板料直徑D=230mm，單位壓邊力p=4.5MPa、7MPa、9MPa，摩擦因數 μ=0.125。

由圖9結果分析，隨著單位壓邊力增大半球形件最大減薄增大。當p=9MPa，最大減薄率達到22.3%，零件成形效果最好。由圖10和圖8a得到，增大單位壓邊力，半球件側壁處起皺區域向過渡圓角和法蘭區域縮小。

圖9 單位壓邊力與最大減薄率關系曲線

增大單位壓邊力可以改善側壁處起皺，提高半球件成形質量。當板料直徑D=230mm，單位壓邊力p=9MPa，摩擦因數μ=0.125，在側壁處仍有起皺。所以通過改變摩擦因數研究其對成形質量的影響。

2.3 摩擦因數

設置板料直徑D=230mm，單位壓邊力p=9MPa，摩擦因數 μ=0.1、0.125、0.15。

由圖11結果分析，半球形件最大減薄隨著摩擦因數的增大而增大。當μ=0.15，最大減薄率達到24.2%，球頂處有破裂趨勢。由圖12和圖10b得到，增大摩擦因數，零件側壁起皺區域有所改善，起皺范圍有縮小趨勢。

圖10 不同單位壓邊力成形半球件FLD圖

圖11 摩擦因數與最大減薄率關系曲線

一次拉深成形SPCC半球形件采用最優工藝參數D=230mm，p=9MPa和μ=0.125零件側壁處仍然有起皺現象，并且當單位壓邊力和摩擦因零件增大到一定范圍，零件過渡減薄出現破裂缺陷。因此，通過改變工藝方案采用兩道次拉深成形半球形件，研究不同工藝方案對半球形件成形質量的影響。

3 兩道次拉深成形

兩道次拉深可以提高坯料成形性能，并且每道次之間壁厚變化不大與實際結果符合。為獲得側壁起皺區域最小無破裂趨勢的半球形件，設計兩道次拉深成形工藝方案。

3.1 兩道次拉深成形模型

圖12 不同摩擦因數成形半球件FLD圖

如圖13所示兩道次拉深成形模型，第一道次拉深成形結束后換第二道次凹模，拉深成形最終零件形狀。

表2為兩道次拉深工藝參數，第二道次施加大于一次拉深成形極限單位壓邊力p=9MPa，兩道次拉深成形采用不同的單位壓邊力研究其對SPCC半球形件成形質量的影響。

3.2 兩道拉深成形結果與分析

由圖14結果分析，第一道次成形最大減薄率為15.8%，第二道次成形最大減薄率為17.6%。由圖15b零件起皺區域集中在法蘭和圓角過渡區域，起皺區域最小。

兩道次拉深成形SPCC半球形件，施加不同的單位壓邊力顯著提高了零件的成形質量。零件側壁處起皺區域明顯減小，主要集中在法蘭和過渡圓角處；零件最大減薄17.6%遠低于一次拉深成形最優結果。兩道次拉深成形質量好于最優工藝參數下一次拉深成形SPCC半球形件。

圖13 兩道次拉深成形模型

表2 兩道拉深工藝參數

圖14 兩道拉深成形最大減薄曲線

4 結論

本文通過有限元法研究SPCC半球形件拉深成形過程得到以下結論：

（1）由經驗公式得到的工藝參數一次拉深成形SPCC半球形件，由于單位壓邊力不足，在零件側壁處有嚴重的起皺缺陷，并且零件邊緣有破裂缺陷。

（2）增大板料直徑，調整單位壓邊力和摩擦因數可以提高零件成形質量，有效避免零件邊緣的破裂缺陷，明顯改善零件側壁處起皺缺陷，但是并不能消除由于壓應力而導致的起皺缺陷。

圖15 兩道次拉深成形FLD圖

（3）提出兩道次拉深成形SPCC半球形件新工藝方案，通過兩道次設置不同的單位壓邊力，仿真結果表明，零件側壁無皺缺陷且最大減薄為17.6%。兩道拉深成形SPCC半球形件改善了零件起皺缺陷，提高了零件成形質量。