薄壁三通半管拉深成形缺陷研究

0 引 言

三通管件是飛機、運載火箭等飛行器中增壓輸送系統的重要零件，在整體系統中承擔多路管道的匯集、分流作用，其質量好壞直接影響飛行器增壓輸送系統的可靠性

。在實際飛行過程中，三通管件承受一定的壓力，需具備較高的強度及抗疲勞腐蝕性能，因此成形過程中要求減少敲擊、打磨等破壞包鋁層操作以控制成形減薄率。與其他合金比較，5A02防銹鋁合金具有密度低、強度高、抗疲勞性與抗腐蝕性好等優點，因此該材料在飛機油箱與導管等結構件的應用十分廣泛。

2.7嚴格執行下收下送制度,嚴格執行物品交接雙簽名制度,與臨床護士做好物品交接,使用統一的三聯單作為交接單。

三通管件多采用落壓成形工藝方法

，通過落壓凹模內填充一定的橡皮等軟介質使材料均勻流動，同時法蘭部分用橡皮及層板壓緊，通過內推外拉相結合的加載方式緩解加工過程中的起皺現象，成形過程中需要多次停頓，反復切割修邊、敲擊緩皺，成形回彈大、效率低，對人員技能要求高。拉深成形作為板料生產中的重要方式之一，通過凹模與壓邊圈壓緊坯料并在凸模上將其成形為帶法蘭空心薄壁件的方法，與傳統的方法相比具有效率高、表面優、疲勞性好等特點，但拉深成形是一個復雜的力學過程，包含幾何非線性、材料非線性、接觸非線性

。尤其對于曲面復雜的零件結構，不能用傳統方法計算拉深系數預測零件成形的可行性，在成形三通管件時，面臨開裂和起皺的雙重風險，該方法存在一定的局限性。

隨著計算機技術的飛速發展，有限元方法在板料成形過程中得到了廣泛應用。為了解決上述成形難題，采用數值模擬技術與試驗相結合的方法，以DYNAFORM有限元分析為基礎，對薄壁三通半管的拉深成形過程進行模擬，研究不同坯料外形對成形過程的影響并設計了新型復合模結構，通過試驗驗證，解決了起皺與開裂相互矛盾的難題。

1 零件分析

圖1所示薄壁三通半管是某機型系統部分排氣導管中重要管道，材料為5A02防銹鋁合金，厚度為1.0 mm，外輪廓尺寸約為308 mm×183 mm，轉接半徑為

64 mm，管口內徑為

88 mm。該零件曲面復雜、內側彎曲半徑較小、形狀不規則，是生產中最典型不可估算拉深系數及展開坯料難成形零件。該零件最大特點是在光滑曲面上側連接了1處三角形平面結構，增加了拉深成形的難度。

通過已確定的坯料形狀、尺寸及工藝補償面，以此設計凸、凹模型面結構，最終模具結構如圖11所示。

2 數值模擬

2.1 材料參數

材料采用5A02，為退火狀態的防銹鋁合金，該材料延伸率僅為12%，成形時易開裂

。彈性模量為6 900 MPa，屈服強度為87 MPa，抗拉強度為208 MPa，材料泊松比為0.33，密度為2.7 g/cm

，材料各向異性系數

=0.76、

=0.66、

=0.75，使用 FLD 失效準則，摩擦因數取0.12

。

2.2 傳統拉深成形模擬及分析

借助DYNAFORM使用普通的凸、凹模對初始的零件結構進行拉深模擬，圖3所示為有限元分析模型。在拉深過程中，凸模向下運動，壓邊圈隨之壓緊坯料，凸模繼續下移將坯料拉深至最終狀態。

近日，中農控股召開大事業部成立暨績效方案說明動員大會，中農集團黨委副書記、監事會主席兼中農控股監事會主席李憲賓，中農控股副總經理、原料肥事業部總經理王蓓出席了此次會議。

2.3 坯料形狀的確定

坯料形狀的設計對薄板拉深成形性能的影響明顯，合理的坯料外形有助于改善拉深過程中零件的應力應變分布，提高拉深極限，零件厚度變化均勻，成形質量高

。

2.5.1 拉深筋結構

從圖6、圖7所示結果可看出零件的坯料形狀對拉深成形的影響顯著，表1所示為不同形狀拉深成形過程中材料的減薄與增厚情況，權衡各坯料減薄及增厚百分率，Y形、帶耳片Y形的拉深較安全，緩解了材料開裂的問題，最大減薄率僅為12%，符合拉深成形厚度變化要求。

從圖4、圖5可以看出，對于傳統的封閉式拉深成形，雖能限制中部區域的起皺，但端頭出現裂紋，且5A02鋁合金延伸率低，導致在拉深過程中抵抗斷裂能力較差，增加了薄壁三通管的成形難度。因此，成形該零件需要在斷裂區減小壓邊力，而起皺區增加壓邊力，力的相互矛盾造成常規的模具無法滿足零件的自動化生產需求。

2.4 優化坯料尺寸

由上述模擬可以看出，合理的坯料外形可以有效改善拉深過程中零件的應力、應變分布，提高拉深成形極限，使零件厚度變化均勻，提高零件的成形質量

。該三通半管結構特殊，按常規的公式及經驗展開坯料尺寸準確性差，因此先用DYNAFORM有限元軟件的MSTEP功能——坯料邊線自動優化所計算的三通管坯料尺寸為優化依據，通過提取三維模型中性層，對其進行一步展開求解，如圖8所示。

利用MSTEP求解的坯料尺寸，端頭處進行工藝補充，對其進行拉深成形模擬。經過不斷優化，最終得到最佳的坯料展開尺寸，如圖9所示。

(4)采用補汽閥倒抽蒸汽作為0號高壓加熱器高壓汽源，不影響汽輪機本體結構，回熱系統優化方案技術風險較低。

2.5 新型復合模結構設計

拉深成形過程中影響回彈的因素較多，如拉深筋布置、模具零件形狀、壓邊力大小、材料特性及摩擦接觸等。結合以往成形方法的特點，依據凸、凹模型面、計算的坯料形狀及一般工裝結構等，設計一種內置有壓緊防皺機構的復合模。

該零件曲面復雜，過多的坯料余量會加大放邊難度，且增加了成形后的切割工作量及難度；而坯料尺寸過小會導致局部缺料，因此其成形關鍵是要考慮收放邊對成形的影響，在放邊位置適當增加補償余量，在滿足零件設計要求的情況下盡量減小坯料的尺寸。初步設計4種坯料外形，分別為：尺寸料、梯形料、Y形料、帶耳片Y形料。結合封閉式拉深成形模擬結果，端口部位厚度減薄嚴重導致材料開裂，在尺寸料、Y形料、帶耳片Y形料3種外形的端部進行優化，設計拋物線結構以減小此處板料的軸向力。分別對其進行仿真模擬，確定三通管最佳坯料外形結構。

模具中增加拉深筋結構，其作用在于增大板料向凹模內流動時的阻力，可以改善板料在壓邊圈與凹模間的流動狀態，使板料各部分的金屬流動更均勻，如圖10所示，凹處圓角減薄率有所減小，褶皺也有所減少。使用拉深筋結構雖然可以增大板料在凹模的拉應力來克服切向受壓而起皺，但隨著拉應力的增大，板料在危險截面斷裂的可能性增大，因此，在拉深筋的設計中要兼顧起皺、開裂的限制條件

。將拉深筋設置在壓邊圈上，拉深筋槽設置在凹模上，也對板料起定位作用。

新公司運行后，在戰略方面會有一些調整。首先，我們希望作為水應用領域的專家，在工藝設計、整體方案的提供上總結很多經驗，力爭從設備供應商轉變為解決方案供應商。為此，公司早在兩年前就已經開始了準備工作，在中國建立了水處理解決方案技術隊伍，現在完全可以按照客戶不同需求及給水、排水達標需求，為客戶定制其所需要的解決方案，實際上這也是我們整個技術的延續。

兩個男人一塊來買東西，也許有點觸目，不但可能引起司機的注意，甚至于他在閣樓上看見了也犯疑心，拖延著不下來。略一僵持就不對了。想必他們不會進來，還是在門口攔截。那就更難扣準時間了，又不能跑過來，跑步聲馬上會喚起司機的注意?！粠б粋€司機，可能兼任保鏢。

結合以上模擬分析，在6 500 kN壓力機上進行拉深試驗。采用方案1（見圖12）拉深后得到零件如圖13所示，零件出現嚴重開裂及邊緣法蘭大面積起皺現象，與模擬情況一致，零件在圓角處容易出現裂紋。隨著拉深深度的增加，三通半管拐角區板料增厚，板料流入凹模阻力增大，已成形板料緊貼在凸模上，所受拉應力不再增加；而在凹模圓角區，坯料則處于懸空狀態，所受到的拉應力較大，所以該處容易拉斷。導致零件開裂也可能是坯料擺放位置不當、壓邊力不足或潤滑不到位等因素。

模擬結果顯示零件上三角形區域易起皺，因此模具中設置三角形彈性頂件，其作用在于拉深過程中，凸模下壓最后15 mm時防止褶皺堆積而無法修正導致成形零件報廢。

實際生產中，該類零件一般采用落壓成形的工藝方法，但成形后需切割大量的余量，且變形嚴重，零件質量差；而彎曲成形又會導致零件形成無法修正的褶皺

。依據零件形狀特點及經驗考慮對其進行拉深成形的對拉，但效果仍不佳，依然會開裂及起皺，如圖2所示。因此，先對其進行數值模擬，分析成形過程中可能出現起皺、開裂的位置，不斷優化坯料外形，并設計一種能預先壓緊坯料中部易起皺區域的復合模結構。

3 試驗驗證

3.1 拉深試驗

2.5.2 頂件裝置

采用方案2的坯料形式，在圖14所示的模具上進行拉深試驗，在凹模圓角部位涂抹一定的潤滑油，減小與壓邊圈和坯料接觸面上的摩擦，得到了合格的拉深預成形零件。

3.2 校形

拉深預成形后，將零件在配套胎內進行液壓校形，解決零件拉深回彈導致局部外形不貼合的問題，最后按胎線切割零件外形并手工修正，最終得到了符合要求的合格零件，如圖15所示。

總之，在建筑建設中質量和安全是兩個至關重要的方面，對質量安全展開嚴格的監督，讓建筑的建設符合各方面的要求，促進建筑業的整體發展，需要監管人員明確自身的責任，做好各方面的檢查和監督工作，保證監督的高質量運行。

采用生物統計學SPSS19.0軟件對本次試驗記錄到的統計數據進行處理,劑量資料以(±s)表示,采用t檢驗;計數資料以相對數(%)表示,采用卡方檢驗。以P<0.05為差異有統計學意義。

4 結束語

以有限元法為基礎的數值模擬技術，為三通半管拉深成形技術的研究提供了新途徑，可以提前預測零件投產后可能出現的起皺、開裂等趨勢；以便從零件結構、模具結構、工藝方案等方面改進，采取適當措施人為干預盡量避免缺陷的產生，達到縮短試制周期、減少費用的目的。針對薄壁三通半管拉深成形研究結合試驗形成結論如下。

（1）對于薄壁三通半管拉深成形技術，零件端頭處工藝補充面的構建對開裂與防皺有較大影響，以拋物線形狀為宜，且隨著補充面曲率的加大，內側放邊區開裂隨之增加，而中部起皺風險隨之減少。

（2）展開坯料形狀的選擇對成形過程中緩解其開裂與起皺也十分重要，合理的展開形狀可優化壓邊阻力的分布，使其變形朝有利方向進行，增加操作的可靠性。

（3）合適的模具結構可以優化拉深成形效果，其中可變阻力拉深筋及隨形支撐輔助防皺裝置對緩解中部區域起皺有效。

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