二階筒形件多次拉深成形工藝分析及數值模擬

任廣義，王曉康，何萬飛，李欣芮

（成都飛機工業（集團）有限責任公司 技術裝備公司，四川 成都 610091）

0 引 言

板料拉深成形包含材料非線性、幾何非線性、接觸非線性的復雜變形過程，其成形機理復雜，僅依靠經驗設計不僅不能保證成形制件的質量，而且延長模具的開發周期，增加開發成本[1]。筒形件是一類采用拉深成形的典型制件，目前對于簡單圓筒形件的成形工藝及數值模擬已進行了較多的研究[2-4]，而對于階梯筒形件的成形過程研究較少。現以二階筒形件為研究對象，對其拉深過程進行工藝分析和計算，并基于PAMSTAMP 進行數值模擬仿真，預測成形制件的料厚分布，探索各道次拉深合適的壓邊間隙，并基于分析結果進行模具設計。

1 成形工藝分析

制件尺寸如圖1 所示，材料為1Cr18Ni9Ti，厚度為1 mm，其為圓筒形、球形組成的二階圓筒形結構。根據表面積相等并考慮修邊系數，確定坯料尺寸為φ107 mm，則成形制件的總拉深系數m=44/107≈0.41，大直徑階梯拉深系數m1=52/107≈0.49，小直徑階梯拉深系數m2=44/52≈0.85。通過查表[5]可知，大直徑臺階難以一次拉深成形，需要通過二次拉深，小直徑臺階可以一次拉深成形，因此成形制件共需3 次拉深，考慮公差后各工序拉深系數如表1 所示，各工序成形尺寸如圖2所示。

2 有限元數值模擬仿真

表1 各工序拉深系數

由于研究對象為回轉體，為提高計算效率，采用1/4 簡化模型。將凸模、凹模和壓邊圈設置為剛體，板料設置為變形體。在三維造型CAD 軟件CATIA 中建立模具、板料的幾何模型，并以.igs 格式導入仿真軟件PAMSTAMP 中。板料的網格劃分采用自適應網格優化法：在計算初期，使用較粗的單元網格，隨著計算的逐步進行，在某些需要更細密網格描述的區域，將網格進一步劃分，保證了以盡可能小的計算步驟獲得更好的計算結果[6]。摩擦模型選用經典的庫倫摩擦，凸模、凹模、壓邊圈與板料的摩擦系數均設置為0.12。

2.1 第1次拉深

圖3 所示為第1 次拉深有限元模型，板料成形過程中，壓邊間隙對材料流動有著重要作用，是影響成形制件質量的關鍵因素。為確定合適的壓邊間隙值，在其他參數保持不變的前提下，研究取不同壓邊間隙值時成形制件的厚度分布。

圖3 第1次拉深有限元模型

圖4 所示為第1 次拉深取不同壓邊間隙值時成形制件的厚度分布云圖。由圖4 可知，壓邊間隙為1.1～1.25 mm 時，隨著壓邊間隙增大，成形制件最大減薄率逐漸減少，且當間隙值＞1.2 mm 時減薄率改善不明顯。隨著壓邊間隙增大，成形制件口部區域起皺趨勢加劇，因此第1 次拉深壓邊間隙選為1.2 mm，此時成形制件最大減薄區域位于筒形件底部，為6.3%；成形制件口部增厚最大，最大增厚率為23.4%。

2.2 后續拉深

圖5所示為第2、3次拉深有限元模型，與第1次拉深相同，同樣為確定后續拉深合適的壓邊間隙值，在其他參數保持不變的前提下，研究取不同壓邊間隙值時后續兩道次成形制件的厚度分布。

圖6、圖7 所示分別為取不同間隙值時第2、3 次拉深后制件的厚度分布。由圖6、圖7 可知，在壓邊間隙為1～1.15 mm 時，制件最大減薄率隨間隙變化不明顯，當壓邊間隙較小時，模具的強烈約束可能會導致成形制件表面產生劃痕。模具設計后續兩道次拉深壓邊間隙均選為1.1 mm，第2 次拉深后制件最大減薄區域位于筒形件底部與凸模圓角接觸區域，為14.4%；成形制件最大增厚區域位于筒形件口部區域，為14.5%。第3 次拉深后，制件最大減薄區域、最大增厚區域均與第2次拉深相同，最大減薄率為16.3%，最大增厚率為14.9%，均符合制件成形要求。

圖4 第1次拉深不同壓邊間隙成形制件厚度分布

圖5 后續拉深有限元模型

3 模具設計

通過對成形工藝進行分析并確定了各工序拉深系數及工序件尺寸，通過有限元仿真對工藝方案進行模擬分析，確定了合適的壓邊間隙值。同時為了避免拉深時產生粘接瘤、制件表面產生劃痕，模具主要工作部分（凸模、凹模和壓邊圈）進行TD 處理[7]，如圖8 所示。設計3 副拉深模進行試模，在3 000 kN液壓機上進行，采用倒裝式結構。3副模具全都一次試模合格，制件成形質量較好，3 次拉深后制件如圖9所示。

圖6 第2次拉深不同壓邊間隙成形制件厚度分布

圖7 第3次拉深不同壓邊間隙成形制件厚度分布

圖8 拉深模

圖9 制件實物

4 結束語

利用PAMSTAMP 軟件進行拉深成形模擬，優化了工藝參數，避免了制件成形缺陷，減少了試模次數，提高了生產效率。確定了成形制件的合適壓邊間隙值：首次拉深壓邊間隙為1.2 mm，后續兩道次拉深壓邊間隙為1.1 mm。