基于分區壓邊技術的鋁合金方盒形件拉深技術研究＊

張紅升 秦泗吉 張婷婷

（①燕山大學機械工程學院，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；②燕山大學環境與化學工程學院，河北省水體重金屬深度修復與資源利用重點實驗室，河北 秦皇島 066004）

隨著能源日趨緊張以及技術的迅速發展，輕量化逐漸成為汽車、飛機等行業的發展趨勢。而鋁合金具有比重輕、強度高、韌性好和抗腐蝕性能較強等優點[1?2]，是上述行業制造的首選的覆蓋件材料。此類零件外形復雜，成形板料厚度較小主要通過板料拉深技術成形制造。但是鋁合金成形性能較差，比普通鋼板更容易出現缺陷，如更嚴重的起皺傾向，起皺與開裂之間的窗口更窄，回彈量大，零件精度控制困難，更容易產生“桔皮”缺陷等[3]。尤其控制皺紋和開裂是拉深成形工藝中的重中之重[4]。對于已確定設計參數的拉深制件，在進入實際制造階段時，原材料、沖壓模具、板坯和拉深件的尺寸形狀、摩潤滑條件和拉深速度等都已確定，而壓邊力通常是唯一可控可變的工藝參數[5-6]。

多年來，大量研究人員針對壓邊力的施加方法和作用方式等開展了大量的研究。Siegert K[7]首次將多點壓邊技術引入成形領域。借助多點壓邊系統，在板坯的不同法蘭區域施加與之匹配的壓邊力值，從而獲得不同的摩擦力，實現在法蘭區各位置實現壓邊力的單獨控制，極大地提高了成形極限。秦泗吉等[8]針對軸對稱拉深成形設計了應用多點壓邊的拉深模具，顯著提高了成形極限。余海燕等[9]基于盒形件的拉深開發了多點變壓的壓邊力控制系統，可以針對法蘭不同的周向區域分別壓邊。研究結果表明通過對不同法蘭區域施加合理的變壓邊力，可以控制各區域板坯材料的合理流動，有效改善板坯拉深的成形性能。Zheng L H等[10]研發了一種新型的多點壓邊力加載系統，通過個性化的壓邊力控制，可以極大地降低成形件局部的最大減薄量，可以有效地抑制起皺，并提高了板材的成形極限。Murata A[11]采用分區壓邊方法對盒形件的拉深成形進行了深入研究。通過沿周向在法蘭直邊區和圓角位置施加不同的恒壓邊力，可以明顯改善方盒形件的成形性能，提高拉深制件的成形極限。Manable K等[12]更加細致地將法蘭變形區劃分的3個區域，并使用數量更多的12塊壓料板對各個區域分別施加相對獨立的壓邊力。通過在不同區域采用不同的壓邊力行程曲線，并將恒壓邊力和變壓邊力結合使用，可以個性化控制各區域的壓邊力大小和變化，最終進一步提高了拉深極限。

本文針對方盒形件等非對稱結構，采用沿徑向不同區域進行獨立壓邊力控制的方法，可有效提高盒型件的成形質量。新工藝對改進現有沖壓工藝和成形設備等方面具有很好的工程應用前景。

1 盒形件拉深成形機理的有限元模擬

采用DYNAFORM數值模擬軟件對圖1所示的模型進行有限元分析，相應的尺寸參數見表1。

表1 模型尺寸參數

圖1 幾何模型尺寸示意圖

因為盒形件法蘭直邊區和法蘭圓角區的相互制約和相互影響，所以在相同的拉深條件下，直邊相對長度對盒形件的拉深成形效果會產生影響。為了相對準確地得出盒形件拉深成形的厚度變化規律，采用不同的直邊長度和圓角半徑分別進行5組有限元分析，建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元網格劃分模型

建立的有限元模型包括板坯、凹模、凸模和壓料板，其中板坯采用圓形輪廓。有限元模型中，采用剛體來定義凸模、凹模和壓料板等沖壓器具。彈塑性的板坯材料選取鋁合金AA5754，設其為面內同性厚向異性材料，具體的材料屬性見表2。

表2 鋁合金AA5754材料屬性

BT殼單元的計算效率較高，在保證計算精度的前提下，有效降低了計算的復雜程度，因此被用于模型的網格劃分。不同部件之間的系數為0.15，施加的壓邊力為4 000 N，拉深高度為30 mm。

圖3給出了不同參數條件下的盒型件厚度分布圖，其中，盒形件直邊區長度與轉角半徑的相對比值設為γ。

圖3 法蘭區厚度有限元結果示意圖

從圖中可以看出，在γ<0.35時（圖3a)，法蘭直邊區和圓角區有極為相似的厚度分布，徑向方向上，從凹模口到法蘭外緣厚度逐漸增加。當直邊相對長度較大時，盒形件法蘭圓角區與直邊區的厚度開始出現差異。圓角區厚度從凹模口到法蘭外緣整體有下降的趨勢，在γ=2（圖3e）時最明顯。直邊區的厚度分布從凹模口到法蘭外緣沿徑向依然保持逐漸增大的趨勢，其中，直邊長度為50 mm時最為明顯。

為了更直觀地觀察和分析法蘭區厚度變化趨勢，沿法蘭徑向提取各質點的厚度值，繪制圖4和圖5所示的曲線。

圖4 圓角區法蘭厚度分布圖

圖5 直邊區法蘭厚度分布圖

可以清晰地觀察到，無論參數如何調整，直邊區的厚度從中心到外緣都是逐漸增加的。當直邊長度為50 mm時，外緣和凹模口處的厚度差值達到最大的0.108 mm。而圓角區，當γ=2時凹模口和外緣之間的厚度差值等大約為0.079 mm。

從模擬結果可以看出，對于方盒形件，采用普通壓邊方法時，壓料板只能作用于厚度較大的質點處，而厚度相對較小的位置不能得到有效的壓邊，從而起皺趨勢明顯。因此，考慮在徑向上對壓料板進行分塊，分別對徑向不同質點施加壓邊力。

2 新壓邊方法

2.1 徑向分區壓邊方法可行性的理論推導

法蘭區起皺，本質上來說是塑性壓縮失穩問題，本節基于能量法對傳統壓邊方法和新壓邊方法進行研究。拉深過程中，法蘭在失穩臨界狀態主要有3種能量：

①法蘭失穩波紋隆起所需要的彎曲功Uw;

② 法蘭失穩后周向應力釋放的功Uθ;

③壓邊力所做的功UQ。

在起皺失穩臨界狀態下，滿足Uθ=Uw+UQ。

本節公式變量注解如表3。

表3 公式變量注解

對于法蘭圓角區，屬于軸對稱結構，其法蘭失穩波紋隆起所需要的彎曲功Uw表達式為

法蘭失穩后周向應力釋放的功Uθ為

對于傳統的整體壓邊圈，由于厚度最大值位于法蘭外緣處，因此也會承受絕大部分壓邊力。而內部某處由于缺乏有效壓邊，會產生皺紋的最大高度為y0，假設外緣處皺紋最大高度為 λy0。

在起皺失穩臨界狀態下，根據式（1）和式（2）得出，整體壓邊圈作用時，在前半段皺紋高度處于漸增狀態，此部分壓邊力做功為

將式（3）和式（4）和在一起，就是整體壓邊圈對單個波紋所做的功。

對于徑向分區壓邊方法，前半段做功與整體壓邊方法是相同的。而在后半段，其壓邊力做功為：

所以，式（4）與式（5）之間的差值，即為兩種壓邊方法壓邊力做功的差。設總壓邊力為Q，皺紋個數為N，則兩種壓邊方法壓邊力的差為

由于λ始終小于1，則式（5）恒大于零。較小的壓邊力對應的壓邊方法壓邊效果較好。這就說明在同樣的皺紋幅值下，徑向分塊壓邊方法總壓邊力總是小于傳統的整體壓邊方法。故而，新壓邊方法既可以有效抑制起皺，還能提高成形極限。

2.2 模具設計

為實現徑向分區壓邊技術，設計了圖6所示的壓邊裝置。凹模安裝在頂部固定板上，可隨壓力機滑塊上下移動。凸模和壓料板固定在下部組件上，其中壓邊板沿徑向被分成獨立的幾環，由聚氨酯橡膠制成的彈性體放置在壓邊板下方，以確保每個環可以有效且獨立地上下移動。這樣，可以在拉深過程，在不同的法蘭徑向區域施加獨立的壓邊力BHF。

圖6 徑向分塊壓邊圈拉深模具結構

具體的分區方法如圖7所示，將單個整體壓邊圈沿徑向分成內外兩環，每個單獨的壓邊環下邊設置若干個由聚氨酯橡膠制成的彈性體。可以通過改變各區域彈性體的數量來調節各區域之間壓邊力的比值。

圖7 徑向分塊壓邊原理示意圖

通過此種布置，不同法蘭徑向區域上所施加的壓邊力是相互獨立的，內部區域不會因為法蘭外緣變厚而導致無法有效壓邊，在一定程度上改變了壓邊力的徑向分布形式，提高成形質量。

3 成形過程有限元模擬

采用AA5754板坯的模型見圖8，有限元網格劃分見圖9。所有參數設置與前面保持一致。其中，徑向分區壓邊圈分塊位置為直徑D=150 mm處，外壓邊圈外徑D=220 mm。

圖8 幾何模型

圖9 不同模型的網格劃分圖

基于前面的研究成果，有限元分析中，內壓邊圈和外壓邊圈單獨建模。內壓邊圈上施加2 300 N的壓邊力，外壓邊圈施加4 600 N的壓邊力，保持二者比值為1∶2，并且獨立作用。而整體壓邊模擬中，將6 900 N的壓邊力統一施加在整體壓邊圈上，即不對壓邊力的分布進行控制。

圖10給出了拉深高度為30 mm時的成形制件。可以看出，在整體壓邊圈作用下，盒型件出現了嚴重的失穩起皺現象，而徑向分區壓邊圈作用下的制件法蘭區相對比較平整。

圖10 盒型件模擬結果 (壓邊力6.9 kN)

增大壓邊力至40 kN，定理分析兩種壓邊方法作用下的拉深成形件的厚度分布情況，如圖11所示。可以看出，采用徑向分塊壓邊工藝時，拉深盒形件的法蘭區板料增厚量比采用整體壓邊時的小，說明徑向分塊壓邊圈對控制材料的流動更有效。

圖11 盒型件模擬結果 (壓邊力40 kN)

此外，隨著壓邊力的增大，兩種壓邊方法下最大厚度和最小厚度都在減小，但徑向分塊壓邊拉深法蘭的增厚量始終小于整體壓邊方法，材料的減薄量始終大于整體壓邊方法，進一步說明徑向分塊壓邊方法可更有效地抑制起皺并且提高成形極限。

4 拉深成形實驗研究

實驗是在四柱式萬能液壓機YA32-315上進行的,板坯直徑200 mm，厚度1 mm。拉深制件的拉深深高度為30 mm，施加的壓邊力為5.8 kN，其他所有實驗條件與數值模擬相同，實驗結果見圖12。

圖12 拉深實驗結果

從實驗結果來看，整體壓邊在實驗中出現了非常明顯的起皺失穩現象，而徑向分塊壓邊方法抑制起皺作用明顯。

5 討論

在拉深過程中施加在法蘭上的壓邊力是用于抑制成形缺陷的重要因素。使用整體壓邊圈時，壓邊力必須足夠大，以保證中心區域的板材的起皺趨勢能夠被有效抑制。但相應的，壓邊力過大也會增加拉深制件開裂的風險。

相比之下，因為每塊壓邊圈可以獨立地施加壓邊力，新的壓邊技術可以有效地抑制不同的徑向區域的變形。也就是說，當采用新的壓邊法獲得更合理的壓邊力分布時，可以更好地抑制起皺的趨勢。

本文以非軸對稱的方盒形件為例，證明了新壓邊方法的有效性。方盒形件包含直邊區和圓角區，其中的圓角區可以看作是軸對稱的圓筒形件。因此，可以很容易地推斷，新分區壓邊方法對使用更為廣泛的、結構更加簡單的圓筒形件也是有效的。

本文只基于恒壓邊力對新壓邊方法進行了驗證，后續將與變壓邊力系統結合，進一步研究提升壓邊有效性的方法。

此外，對于各分區處所需的臨界壓邊力值，也將是我們后續工作的重點。

6 結語

（1）提出了針對盒型件等非軸對稱結構的徑向分區壓邊方法，采用獨立設置的多環壓邊區，實現了壓邊力的獨立加載。

（2）基于公式推導出壓邊圈沿徑向進行分區處理的理論可行性，奠定了新壓邊方法的理論基礎。

（3）采用有限元數值模擬和拉深實驗的方法對新壓邊技術的有效性進行了驗證。相對于傳統方法,新方法在抑制制件法蘭起皺、提高制件成形效果上具有明顯的優勢。