基于ST14材料的拉深成形參數優化

摘 要：拉深成形是典型的板料成形工序，成形過程中的工藝參數直接影響成形制件的質量。以典型的零件和常用拉深成形材料ST14為例，在理論計算的基礎上，通過有限元分析探討其成形工藝參數對制件成形質量的影響。分析得出，板料拉深成形的最大應力集中在凸模圓角半徑區域，該處存在變薄和破裂的危險，凸模圓角半徑的大小是成形的關鍵；運用有限元模擬可以預測其成形缺陷，并對成形參數進行優化。

關鍵詞：拉深成形；ST14；有限元分析；缺陷；優化

中圖分類號：TG386 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）23-0097-04

Abstract： Deep drawing is a typical sheet metal forming process， and the process parameters in the forming process directly affect the quality of forming parts. Taking typical parts and common drawing material ST14 as an example， on the basis of theoretical calculation， the influence of forming process parameters on the forming quality of parts is discussed by finite element analysis. It is concluded that the maximum stress of sheet metal deep drawing is concentrated in the radius area of punch fillet， where there is the danger of thinning and fracture， and the fillet radius of punch is the key to forming， and the forming defects can be predicted by finite element simulation. And the forming parameters are optimized.

Keywords： deep drawing; ST14; finite element analysis; defect; optimization

拉深成形是板料成形中常見的成形工藝，ST14是拉深件中常用的材料，該材料比普通低碳鍍鋅板硬度高，塑性較好，適合沖壓，擠壓成形，是汽車行業良好的沖壓材料[1-4]；目前國內使用的ST14材料主要是上海寶鋼生產的。板料拉深成形過程中常常會出現很多缺陷，常見的缺陷有表面起皺，壁厚變薄，甚至開裂等；這些缺陷會影響制件的質量[5]。

1 拉深件結構

這里以某轎車離合器轂體外殼拉深成形工序為例進行分析，其拉深工序需要得到的工件如圖1所示。工件的材料為ST14，該材料的屈服強度為220 MPa，抗拉強度為270～350 MPa，該工件為盤狀結構，分為兩層階梯。

2 工藝參數計算

2.1 落料尺寸計算

2.1.1 計算修邊余量

由于材料各向異性，同時材料在拉深時條件差異，會導致拉深出的制件口部出現波浪形，因此必須要有一定的修邊余量，該制件為無凸緣圓筒形拉深件，其修邊余量δ可以通過查表來選擇。工件高度為h=29.9 mm，工件的相對高度為h/d=29.9/（147.2-2.5）=0.207，查手冊[6]得修邊余量δ=2 mm。

2.1.2 計算落料件尺寸

對于簡單拉深件，一般認為拉深后體積不發生變化，同時根據體積相等原則，假設厚度不變，因而視為面積相等原則，將零件展開成圓形平板，再加上修邊余量，即為所需坯料直徑。對于復雜旋轉體拉深件，采用久里金法則，任意形狀的母線，繞軸線旋轉一周所形成的旋轉體面積，等于該母線長度與其形心繞該軸旋轉的周長（軌跡長度）的乘積。另外還有等重量法、分析圖解法和作圖法等[7]。該工件為階梯旋轉拉深類零件，屬于簡單拉深件，這里采用等體積原則來計算，同時假設拉深后厚度不變，采用厚度中線計算面積，用面積相等來計算。如圖2所示。

在不考慮修邊余量的前提下，展開圓形毛坯的尺寸按如下公式計算

該計算公式未考慮制件圓角半徑，相比在計算有圓角半徑的制件時，計算結果要偏大，在此情形下，可不考慮或少考慮修邊余量，因為修邊余量δ=2 mm，比較小，故該計算結果可不再考慮修邊余量。落料毛坯的直徑尺寸取229 mm。

2.2 拉深工藝參數計算

2.2.1 確定拉深次數

確定拉深次數的方法有查表法、查圖法、計算法和推算法等方法，這里通過計算的方法來確定。對于階梯盤形零件，判斷其拉深次數通常有2種方法：第一種是根據極限拉深系數和制件的最小直徑計算出制件的高度，該高度則為制件可以拉深的最大高度，如果該高度大于制件的實際高度則可以一次拉深成形，反之則需要2次或多次拉深成形；第二種是計算制件一次拉深成形的拉深系數m，然后比較m與圓筒形件的第一次拉深的極限系數[m1]，如果m＞[m1]，則可一次拉深成形，反之則要采用2次或多次拉深成形；這里采用計算法的第二種方法計算，根據拉深系數的計算公式：m=[（h1∶h2）*（d1∶D）+（d2∶D）]/[（h1∶h2）+1]；將h1=12.15 mm、h2=16.5 mm、d1=184.7 mm、d2=144.7 mm和D=229 mm的尺寸數據代入該式計算得到m=0.706，查表得[m1]=0.5～0.62<m，因而可以一次拉深成形。

2.2.2 計算拉深模圓角半徑

凹模圓角半徑越大，材料越容易進入凹模，但凹模圓角半徑過大，材料容易起皺，一般在材料不起皺的前提下，盡量取較大的圓角。根據公式凹模圓角半徑[8] rd=0.8，

凸模圓角半徑rp=（0.7～1）rd，數值不得小于（2～3）t。

2.2.3 計算拉深模間隙

拉深時模具間隙對拉深件質量有一定的影響，一般較大的間隙模具的壽命高，但制件的質量和精度較差，較小的間隙制件質量和精度較高，但過小的間隙拉深件容易產生破裂等缺陷，模具壽命也低。查相關手冊，拉深時單邊間隙[6]z=（1～1.1）tmax；這里取1，因此，z=2.5 mm

3 拉深成形參數優化

3.1 圓角半徑大小的影響分析

在拉深成形過程中，若凹模的圓角半徑過小，板料在成形時金屬流動較困難，成形力增加，工件容易出現變薄嚴重的缺陷，同時由于成形力增加模具壽命也將降低。反過來，如果凹模的圓角半徑過大，成形過程中由于板料不壓緊的寬度增大，容易產生起皺缺陷，在板料相對厚度較小時尤其明顯。

凸模圓角半徑對拉深工序的影響與凹模差不多，半徑過小容易產生變薄，甚至拉裂的缺陷；如果半徑過大，將出現起皺缺陷。

3.2 不同圓角大小的有限元模擬

采用上述材料數據和計算數據，分別對r1=r2=4 mm，r3=5 mm，r4=6 mm；r1=8 mm，r2=6 mm，r3=8 mm，r4=8 mm；r1=6 mm，r2=5.5 mm，r3=8 mm，r4=8 mm時進行分析計算（圖3）。

1）有限元模型處理及模擬結果。因拉深件底部圓角半徑主要取決于凸模的圓角半徑，所以這里僅對凸模圓角半徑的影響進行了分析。在計算機模擬時，將模具定義為剛體，坯料定義為變形體，同時該零件是軸對稱零件，采用1/2進行模擬，提高模擬效率，工件采用四節點四面體單元描述，工件網格的最小單元尺寸設置為0.625 mm。

2）模擬結果分析。根據模擬可以看出，材料拉裂的部位經常發生在凸模圓角附近的位置，主要是因為材料在凸模圓角區產生彎曲變形，厚度有所減薄，使這一區域成為危險斷面。過小的凸模圓角導致局部變薄明顯，圖4（a）—圖4（b）板料厚度從2.5 mm減薄到1.56 mm，減薄非常嚴重；將r1，r2增大，發現減薄有所改善，圖4（c）—圖4（d）最薄處2.02 mm。圖4（e）—圖4（f）最薄處2.20 mm，各圓角未達到尺寸要求，需要進一步整形。圓角處未填滿的原因可能由于材料是高強鋼，有較高的屈服點σs和屈強比σs/σb，塑性流動性能不是非常好；在整形后的圓角半徑能滿足要求。

模擬時總共設置400步，發現200步以后零件跟隨凸模被帶起來。如圖4（b）所示，200步之后有黏模力，而且比較大。相比之下，圖4（d）和圖4（f）中黏模力幾乎為零，模擬的結果顯示幾乎沒有回彈。

表1中，方案1采用了較小的沖頭圓角半徑和凹模內圓角半徑，因為圓角半徑小，材料變形阻力大，厚度減為1.56 mm，使得試件厚度減薄嚴重，這樣在整形工序中會有產生折疊的可能性。方案2采用了較大的圓角半徑，厚度減薄現象得到改善，但與零件尺寸相差較大。方案3在方案2的基礎上，凸模的圓角半徑更趨近于工件的要求，同時，由于凸模與凹模所圍的封閉空間比方案2略小，整形工序的剛性也略強，更適合完成之后的成形工序。

4 結論

1）該工件在成形時，最大應力集中在凸模圓角半徑區域，存在變薄和破裂的危險，凸模圓角半徑的大小是成形的關鍵。

2）應用計算機模擬分析能很好地預測板料成形情況，有利于發現成形過程的缺陷，優化成形工藝。

參考文獻：

[1] 譚善錕，張亞峰．高強度冷軋鋼板在奇瑞轎車上的應用研究[J]．汽車工藝與材料，2003（6）：10-14.

[2] 李月蘭，錢健清．預先再結晶對冷軋漢相鋼組織性能的影響[J]．安徽冶金科技職業學院學報，2012（1）：1-4.

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[4] 袁小江，張秋菊.基于ST14材料沖壓工藝有限元分析應用[J].制造技術與機床，2013（5）：29-31.

[5] 魏良慶.基于Taguchi法的拉深成形工藝參數優化[J].鍛造與沖壓，2023（20）：28-31.

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[7] 徐政坤.沖壓模具設計與制造[M].北京：化學工業出版社，2003：46.

[8] 楊關全，匡余華.冷沖壓工藝與模具設計[M].大連：大連理工大學出版社，2007：55.

基金項目：黃岡職業技術學院重點課題項目（2024C2011102）

第一作者簡介：耿紅正（1982-），男，碩士，講師。研究方向為材料加工，熱處理，納米纖維等。