徑向分塊雙壓邊圈軸對(duì)稱拉深成形工藝研究

秦泗吉 黃曉忠 王 婧

1.燕山大學(xué),秦皇島,066004 2.北京有色金屬研究總院有色金屬材料制備加工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,100088 3.上海交通大學(xué),上海,200030 4.杭州師范大學(xué),杭州,310036

0 引言

在拉深過(guò)程中,法蘭區(qū)上變形質(zhì)點(diǎn)的厚度是不斷變化的,傳統(tǒng)的整體壓邊方法只能保證壓邊圈與板料最厚的部分變形質(zhì)點(diǎn)接觸。顯然,整體壓邊方法的壓邊效果是不理想的。為了改善板料法蘭變形區(qū)與壓邊圈的接觸狀況,得到更為合理的壓邊力和更優(yōu)的成形效果,國(guó)內(nèi)外科研工作者提出了分塊壓邊、多點(diǎn)位壓邊等壓邊力控制方法。

Siegert等[1-2]提出了分塊壓邊概念并討論了帶有分塊壓邊圈的拉深成形裝置。文獻(xiàn)[3-4]對(duì)分塊式壓邊圈進(jìn)行了研究,并驗(yàn)證了它對(duì)盒形件拉深成形的效果。Hassan等[5]將壓邊圈設(shè)計(jì)成兩層,下層固定不動(dòng),上層分成4塊,上下層之間的接觸面為斜面。上層的壓邊圈沿徑向移動(dòng)時(shí),可以改變壓邊力的大小。Gavas等[6]用盤狀的一圈圈的彈簧替代平整的壓邊圈實(shí)施壓邊。這種方法在控制變形金屬的流動(dòng)等方面優(yōu)于普通的壓邊方法。近年來(lái),國(guó)內(nèi)也有許多研究人員對(duì)分塊壓邊方法或多點(diǎn)位壓邊方法進(jìn)行了研究[7-9]。

文獻(xiàn)分析表明,傳統(tǒng)的分塊壓邊方法是針對(duì)非軸對(duì)稱零件(如盒形件)的拉深成形而提出的。這一方法是將壓邊圈沿周向分成若干塊,對(duì)法蘭變形區(qū)的各個(gè)部分分別壓邊。它解決了因法蘭變形區(qū)板料厚度沿周向分布不均而不能實(shí)施有效壓邊的問題。對(duì)于軸對(duì)稱零件的成形,顯然,周向壓邊方法不能解決對(duì)徑向不同變形質(zhì)點(diǎn)分別壓邊的問題。即使是對(duì)非軸對(duì)稱零件(如盒形件)的成形,在法蘭變形區(qū)的圓角區(qū),板坯厚度沿徑向(指向凹?？诜较?是變化最顯著的,而這一區(qū)域則是起皺趨勢(shì)最明顯的部分,周向分塊壓邊方法不能沿徑向?qū)Σ煌淖冃钨|(zhì)點(diǎn)分別壓邊。因此,在拉深成形過(guò)程中,如能沿徑向分別設(shè)置壓邊圈,則對(duì)獲得更好壓邊效果更有實(shí)際意義。

1 徑向分塊雙壓邊圈壓邊方法

在軸對(duì)稱件拉深成形中,法蘭變形區(qū)板坯的厚度變化使得整體壓邊圈只能對(duì)法蘭變形區(qū)的外緣局部金屬實(shí)施壓邊,外緣以內(nèi)的金屬所受壓邊力很小。整體壓邊方法施加壓邊力的主要目的是為了增大摩擦力,從而增大徑向拉應(yīng)力,減小周向壓應(yīng)力,達(dá)到抑制起皺的目標(biāo)。

當(dāng)摩擦因數(shù)較小時(shí),為了防止起皺需要很大的壓邊力。增大壓邊力使得工藝實(shí)現(xiàn)困難,也會(huì)加大成形制件和模具表面的磨損,增大制件的破裂趨勢(shì)。

如圖1所示,將壓邊圈沿徑向分為互不干涉的外圈和內(nèi)圈,并且將外壓邊圈和內(nèi)壓邊圈產(chǎn)生的壓邊力同時(shí)作用于法蘭變形區(qū)。這樣可獲得對(duì)法蘭變形區(qū)板坯的更優(yōu)壓邊效果。

采用徑向分塊的雙壓邊圈壓邊時(shí),沿半徑方向在兩個(gè)不同位置對(duì)變形板坯施加壓邊力,相當(dāng)于增加了約束。與普通壓邊方法相比,雙壓邊圈作用下的環(huán)形板坯區(qū)域的金屬更不易失穩(wěn)。采用徑向分塊壓邊方法,有可能只需較小的壓邊力就能達(dá)到采用普通壓邊方法的壓邊效果。

下面以筒形件拉深成形為例,用有限元分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法,對(duì)拉深成形過(guò)程中的普通壓邊方法和采用徑向分塊的雙壓邊圈壓邊方法的壓邊效果進(jìn)行分析。

圖1 雙壓邊圈作用下的軸對(duì)稱件拉深成形

2 筒形件拉深成形過(guò)程有限元模擬

2.1 幾何參數(shù)、材料性能參數(shù)及壓邊力的選取

有限元模擬所采用的幾何參數(shù)、材料性能參數(shù)分別見表1、表2。凸模與板料間的靜摩擦因數(shù)為0.15,凹模與板料、壓邊圈與板料之間的動(dòng)摩擦因數(shù)均設(shè)為0.12。

表1 有限元模擬所用模具及板坯的幾何參數(shù) mm

表2 材料性能參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

改變內(nèi)外壓邊圈壓邊力大小的分配,在總壓邊力不變的情況下,模擬軸對(duì)稱件雙壓邊圈拉深成形過(guò)程,并將其與普通壓邊方法進(jìn)行對(duì)照?？倝哼吜θ?kN,拉深過(guò)程中壓邊力隨行程不變。內(nèi)壓邊圈直徑為156mm。

法蘭變形區(qū)的外側(cè)金屬更容易起皺,故外壓邊圈應(yīng)施加較大的壓邊力。在用有限元模擬時(shí),外壓邊圈的壓邊力Q1和內(nèi)壓邊圈的壓邊力Q2之比分別取1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3等,模擬雙壓邊圈的壓邊效果。模擬結(jié)果表明,軸對(duì)稱件的拉深成形中,拉深凸模行程為30mm時(shí),內(nèi)外壓邊力之比在1∶2～1∶3區(qū)間內(nèi),雙壓邊圈壓邊效果都優(yōu)于普通壓邊方法。

圖2a所示為采用徑向分塊的雙壓邊圈壓邊的筒形件拉深成形的法蘭起皺情況,皺紋最大幅值(起皺后與凹模接觸的板坯表面至凹模面的最大距離)為0.145mm,圖2b所示為采用整體壓邊圈壓邊的筒形件拉深成形的法蘭起皺情況,皺紋最大幅值為1.060mm。

圖2 兩種壓邊方法的法蘭起皺情況

從圖2可以看出,在其他條件相同的情況下,采用普通的整體壓邊圈壓邊,起皺非常明顯,而采用雙壓邊圈壓邊,法蘭起皺不明顯。

改變內(nèi)外壓邊圈的壓邊力分配可以改變筒形件雙壓邊圈拉深成形的效果。內(nèi)外壓邊圈壓邊力的合理分配值與很多因素有關(guān),這方面還需做更多深入細(xì)致的研究工作。

3 實(shí)驗(yàn)研究

采用實(shí)驗(yàn)的方法,在總壓邊力相同的情況下,分析比較雙壓邊圈和整體壓邊圈作用下圓筒形件拉深成形的壓邊效果。

實(shí)驗(yàn)是在YA32-315型雙動(dòng)液壓機(jī)上進(jìn)行的。雙壓邊圈拉深實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呓Y(jié)構(gòu)如圖3所示。實(shí)驗(yàn)壓邊裝置由內(nèi)外兩個(gè)相互獨(dú)立的壓邊圈組成,這兩個(gè)壓邊圈在垂直方向可以相對(duì)運(yùn)動(dòng),可以在板料法蘭變形區(qū)的兩個(gè)位置上分別施加壓邊力,從而實(shí)現(xiàn)拉深過(guò)程中的雙力壓邊。

圖4所示為拉深實(shí)驗(yàn)?zāi)＞咧械碾p壓邊圈部分。內(nèi)壓邊圈2和外壓邊圈3分別由聚氨酯橡膠棒4支撐于下壓邊圈上。內(nèi)外壓邊力的比值等于內(nèi)外壓邊圈下橡膠棒的個(gè)數(shù)比,可以通過(guò)調(diào)整內(nèi)外壓邊圈下面的橡膠棒個(gè)數(shù)改變內(nèi)外壓邊力之比。

實(shí)驗(yàn)材料選用08Al,板坯幾何參數(shù)和性能參數(shù)分別見表1、表2。

圖5所示分別為雙壓邊圈(左)和整體壓邊圈(右)作用下獲得的拉深制件的法蘭起皺情況。兩種壓邊條件下的總壓邊力都為6kN,拉深高度均為30mm(拉深后法蘭凸緣直徑約為198mm)。采用雙壓邊圈壓邊時(shí),內(nèi)外壓邊力之比為1∶3。在其他條件相同的情況下,整體壓邊圈壓邊條件下的拉深制件法蘭部分起皺非常明顯,雙壓邊圈壓邊條件下的拉深制件法蘭部分的皺紋幅值則很小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元模擬結(jié)果都表明,雙壓邊圈壓邊效果優(yōu)于整體壓邊圈的壓邊效果。

圖3 雙壓邊圈拉深模具結(jié)構(gòu)

圖4 雙壓邊圈拉深實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?/p>

圖5 法蘭起皺情況比較(總壓邊力為6kN)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證雙壓邊圈壓邊的有效性,還初步進(jìn)行了成形極限的拉深實(shí)驗(yàn)。圖6中,采用雙壓邊圈拉深得到的法蘭制件(左)未出現(xiàn)破裂,毛坯的外徑為230mm,拉深深度為45mm,法蘭外徑約為198mm,總壓邊力為9kN,內(nèi)外壓邊力比值為1∶3;采用整體壓邊圈拉深得到的法蘭制件(右)與凸模圓角接觸部分已破裂,總壓邊力11kN(經(jīng)驗(yàn)證該值是不起皺的最小壓邊力),毛坯直徑為220mm,拉深深度為38mm,拉深后法蘭直徑約為195mm。雙壓邊圈拉深的變形程度大于整體壓邊方法拉深的變形程度(45/230＞38/220),比較二者的拉深系數(shù),前者為0.443,后者為0.464,即采用徑向分塊的雙壓邊圈壓邊,能得到更大的極限變形。

圖6 兩種壓邊條件的成形極限對(duì)照

因影響成形極限的因素很多,這方面還需要作進(jìn)一步深入的研究。

4 結(jié)論

(1)提出了雙壓邊圈徑向分塊壓邊方法,分別對(duì)雙壓邊圈和整體壓邊圈作用下的拉深成形過(guò)程進(jìn)行了分析。

(2)對(duì)筒形件在整體壓邊和雙壓邊圈壓邊條件下的拉深過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬。在毛坯尺寸、總壓邊力和拉深深度等相同的情況下,分析比較了不同壓邊條件下的法蘭區(qū)變形金屬皺曲情況。結(jié)果表明,雙壓邊圈壓邊效果優(yōu)于整體壓邊效果。

(3)在總壓邊力相同的情況下,對(duì)雙壓邊圈壓邊和整體壓邊圈壓邊的筒形件拉深成形進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析及有限元模擬結(jié)果一致。

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