基于Dynaform的316L不銹鋼拉深成形分析

張慧妍，劉延輝，宣守強

（上海工程技術大學 材料工程學院，上海 201620）

0 引 言

不銹鋼是指耐大氣和水等弱介質腐蝕的鋼[1]，是金屬快速成形領域被應用的材料，其易于制造，具有合理的成本、較好的生物相容性和力學性能以及優異的耐腐蝕性，被廣泛應用于航空航天、交通運輸、石油化工及生物材料等領域[2-4]。316L不銹鋼是典型的奧氏體不銹鋼，其粉末成形性好、制備簡單、來源廣泛、價格低廉且具有較高的抗拉強度和屈服強度、硬度及良好的耐磨性，適用于制造各種復雜結構的零件，如牙橋、牙冠及手術手板等[5]。

仇建桐等[6]通過模擬與試驗結合的方法，對6061高強鋁合金室溫下的成形性能進行研究，結果表明：板料的最大減薄率隨著壓邊力與沖壓速度的增大而不斷增大，其變化趨勢與試驗結果一致，對實際鋁合金拉深成形具有一定的指導意義；孫剛等[7]通過AutoForm迭代補償與幾何補償的方法對汽車頂蓋沖壓回彈進行研究，模具零件狀態研配到與數值模擬邊界條件一致時，尺寸符合率可達96.5%，驗證了幾何補償方式的有效性。施為鐘等[8]運用Dynaform軟件對厚板梁彎曲成形進行無壓邊成形數值模擬，再采用壓料板施加壓料力對自由彎曲成形進行校正。

1 試驗材料的力學性能

激光選區熔化制造的316L不銹鋼的顯微組織及物相間存在一定的差異，使其力學性能不同。拉伸試驗是評價材料強度較為常見且簡易的一種方法，由此能得到不同材料的基本力學性能指標，可以初步評價材料的強度和韌性。表1所示為316L不銹鋼材料化學成分。

表1 316L不銹鋼的化學成分 質量分數

通過拉伸試驗得到該材料的各項力學性能參數，為有限元數值模擬提供了數據基礎。拉伸性能測試使用Autograph拉伸儀器，設置拉伸速度為1 mm/s。為保證試驗結果的準確性，試驗材料必須選用國家標準試樣[9]，如圖1所示，試樣的原始標距和原始橫截面積的關系見公式（1）。

圖1 拉伸試樣尺寸

其中，比例系數k值為5.65。

圖2所示為激光選區熔化制備的316L不銹鋼室溫下的應力-應變曲線，其屈服強度和極限抗拉強度分別為550 MPa和696 MPa，延伸率為12.5%。激光選區熔化的316L不銹鋼細小柱狀晶生長的方向性使其力學性能呈現各向異性。在拉伸過程中，不同方向的晶粒相互牽制，塑性變形能力不同，最終導致材料變形不均勻而使塑性下降。

圖2 應力-應變曲線

2 試驗方案

圖3 三維模型

表2 凸、凹模尺寸 mm

成形極限圖（forming limit diagrams，FLD）是由板料在不同應變路徑下的局部失穩極限工程應變e1和e2或極限真實應變ε1和ε2構成的條帶形區域的曲線[11]，通過成形極限圖可以對板料的最終成形性能進行準確有效的判斷，是評判板料沖壓問題的有效方式之一。圖4所示曲線上方區域為失效區域，即在該區域的樣品為報廢品；在曲線上表示處于臨界失效區域，試樣有破裂的趨勢，在該區域也易出現失效的沖壓件；曲線下方為安全區域，說明零件可以順利成形，生產符合工藝要求的產品。

圖4 成形極限圖（FLD）

曲線上的點是否破裂失效要依據實際情況而定。圖4中A點位于成形極限曲線上，假設該點處于某個面內的主應變狀態，B點位于曲線下方，A、B在同一條直線上，則A、B兩點的次應變相同，那么

若ωFLD=1，那么A點將出現失效現象；若ωFLD＜1，則A點處于安全狀態。利用Dynaform有限元分析軟件前處理系統，分別對板料、凸、凹模以及壓料板進行定義，利用參數設置系統設置壓邊力以及沖壓速度，通過觀察后處理得到的成形極限圖及厚度分布圖，探究316L不銹鋼在不同的壓邊力、沖壓速度的成形情況。

3 試驗結果

3.1 不同壓邊力的成形結果

為了探究壓邊力對拉深成形結果的影響，采用控制單一變量法，只改變壓邊力大小，保持2 000 mm/s的沖壓速度及系統默認的摩擦系數不變。在壓邊力分別為10、20、40、60 kN下的成形極限圖如圖5所示。深色區域為破裂失效區域，如圖5（d）所示，當壓邊力增大至60 kN時，在筒形件圓角部位發生破裂。這是由于凸模圓角部位受到拉應力及壓應力共同作用，當所受應力過大時，該部位材料在受力變化過程中流動不均，以至于該處減薄率逐漸增大直至產生破裂。最大減薄率的變化趨勢如圖6所示，隨著壓邊力的增大，圓角部位的最大減薄率遞增。

圖5 不同壓邊力的成形極限圖

圖6 最大減薄率變化趨勢

3.2 不同沖壓速度的成形結果

通過分析1 000、2 000、4 000、6 000 mm/s不同沖壓速度的成形極限，可以看出成形件均無起皺情況，如圖7所示。沖壓速度在1 000、2 000、4 000 mm/s的范圍，筒形件均能很好成形，無起皺破裂現象。但隨著沖壓速度的增大，在臨界破裂區域的點逐漸增加，說明沖壓速度越大，沖壓件存在破裂的趨勢，即沖壓速度的增大，降低了該材料的塑性。當沖壓速度增大為6 000 mm/s時，筒形件在圓角處發生破裂，這是由于沖壓速度越大，使凹模圓角處壓力和彎矩產生的壓應力增大，該部位板料的厚度減薄嚴重，最終發生破裂。由圖8可以看出，不同的沖壓速度對沖壓成形件的最大減薄率變化趨勢也有一定的影響。當沖壓速度為1 000 mm/s時，筒形件的最大減薄率為15.25%，而沖壓速度為6 000 mm/s時，最大減薄率增大至30.8%，因此要合理控制沖壓速度的大小，避免成形件局部減薄過多而導致破裂。

圖7 不同沖壓速度的成形極限圖

圖8 最大減薄率變化趨勢

4 結束語

通過單向拉伸試驗對316L不銹鋼的力學性能進行測量，由應力-應變曲線可以得出材料的屈服強度為550 MPa，抗拉強度為696 MPa，延伸率為12.5%。不同的壓邊力與沖壓速度均會對316L不銹鋼的拉深成形產生影響，壓邊力或沖壓速度過大均會導致拉深成形件在圓角部位破裂失效；壓邊力與沖壓速度的大小與該材料的最大減薄率呈正比例關系，即壓邊力或沖壓速度增大，材料的最大減薄率增大。