王新云夏巨谌：基于冲锻成形的拉深增厚工艺数值

冲锻成形过程强力拉深增厚工艺的有限元分析国家自然科学基金资助项目(50705034)国家自然科学基金资助项目(50705034)华中科技大学模具技术国家重点实验室王新云欧阳坤夏巨谌胡国安摘要结合冷挤压与拉深工艺的特点，以双杯形工件为对象，开展了冲锻成形过程的强力拉深增厚工艺研究。即在反向拉深的同时，对侧壁也施加轴向推力，进行强力拉深以达到拉深并增厚的目的。采用有限元模拟软件Dynaform研究了拉深增厚工艺中材料的流动规律，分析了压环的运动速度、压边力、凸模与凸凹模之间的间隙对工件最小厚度和内壁最大厚度的影响，为优化模具结构和工艺参数提供了理论依据。关键词：冲锻成形；拉深增厚；双杯形件；数值模拟FEManalysisofthepowerfuldrawing-thickeningtechnologyinthestamping-forginghybridprocessAbstractApowerfuldrawing-thickeningtechnologywaspromptedfordouble-cup-shapedworkpieces,itcombinedthecharacteristicsofcoldextrusionwithdrawingprocess.Anaxialthrustwasexertedtothesidewallinbackwarddrawingtothickenit.TheFEMsoftwareDynaformwasutilizedtoresearchthematerialflow.Theimpactofthevelocityofthepressurering,thebinderforceandthegapbetweenpunchanddietotheminimumandmaximumoftheworkpiecethicknesswereanalyzed.Keywords:stamping-forginghybridforming;drawing-thickening;double-cup-shapedworkpiece;numericalsimulation1引言对于大表面积且壁厚差变化较大的零件，其通常的加工方法，或者是整体铸造；或者是采用温/热锻后切削的加工方法；或者是薄壁部与较厚部分通过焊接组合并热处理等的多工序方式来制造。这样不仅整体性能有所下降，成本及能耗也较高，而且工序多也导致效率较低，不符合节能与绿色制造的社会发展趋势。本文提出一种结合了冲压与锻造技术特点的板料冲锻成形工艺，为成形这类具有大表面积且厚差较大的零件提供了一种新的塑性成形方法。主要特点为：以板材（或者管材）为坯料，通过冲压工艺成形出中空薄壁形状，并预先在拉深工序中储备足够体积的金属，再采用锻造工艺，对特定部位压缩增厚，以提高厚度与刚度。这样，不仅可避免仅采用冲压方法制造的零件，没有足够厚度与刚度的缺点；也可避免仅采用锻造方法来制造大表面薄壁零件时，需要过高成形力的缺点。冲锻成形工艺与焊接成形过程的比较如图1所示。刮图希1躁冲衡锻成华形与附焊接膀成形罢的比善较龄a)弄与c绒)为铺冲压容后焊躲接成呜形；臣b)锡与d挠)为担冲压脆锻造波整体篮成形命与焊袄接或返者铸痕造方健法相垒比，掀采用租这种垒整体甚塑性丘成形宿方法吴，减猎少了档车削港加工筐与焊疤接工浙序，施不仅护能够粱提高镰材料牵利用休率、木降低唱能耗孩，而昼且零棕部件托的综扩合机驳械性委能也朝有较婶大提请高。删近胆年渡出现笔了一亲些按利用奸板坯刷料炕进行刚锻造碗的研漂究花[1弱-4贝]勇,但芝均只丹是采壮用了道板坯丑料来接进行缝锻造忘，不垮同于霜本文兵提出诸的先船拉深宝空间铅形状占后增蒙厚局军部的邮冲锻劣成形控工艺钳。面本文鹅将结耐合有层限元夕分析相软件远Dy蜡na僻fo哲rm训，开权展冲思锻成茂形刮过程奏的强能力拉端深烟增厚郑工艺危的研捉究，军分析屈材料友流动就及扣局部逃增厚薯等规倦律。性2闸工艺挖分析鲁细本文记所匆研究高的零馆件如贴图2些所示贸，爪要求致中部睁反向劳拉深粘出的绸壁厚镰大于谢原始赌坯料梢的厚夸度。幸工艺斑过程栏为：锄（1串）正批向拉悦深工渣序，烟从平兵板坯庄料变角形为距一定娇深度腥的圆顷杯形峰，初誉步完汉成零踏件的确外部彼薄壁兴形状胜。（撑2）吼反向贸拉深诚工序祝，拉包深到涉一定践高度哪，形役成反使向圆程筒。葱在正移向拉于深工粗序，职以尽迎量减馅小壁辅厚变除薄及穿起皱影为目兽标。乓在反纲向拉瓜深工便序，晕以增齐大中券间圆爽筒内捡壁的来厚度音为目员标。瞒因此转，在训反向金拉深嘱时，猪对外筝壁同请时施诊加推月力，烫促使戚材料育从外啦壁流夺向内字壁，归通过琴控制婆推力战与反皇向拉殃深速款度，浴促使骂内壁乘增厚首，以尿实现膊强力谈拉深幕增厚珍。俯图技2柔零件堡示意愿图银3荐模拟享参数轧Dy冠na莲fo乡rm括是专缘用于偏板料粪成形钓模拟肉的软烛件，钟可以洽预测姻成形选过程博中板隙料的贷破裂午、起林皱、览减薄渣、划君痕、丘回弹壤，评标估板辆料的疑成形澡性能欠。本突文选甚择D问yn咬af壶or胖m软谣件，区对各桶工序肉进行壶模拟僚分析轰。译模具混材料有选择预st寸ee拉l，岂设置桥为刚租性，办板局坯料低与浩模具六间的屈摩擦仓系数毕取0才.1灵25蛋。古3.造1丝正向葡拉深陕正向贡拉深萝过程随工件谋示意脉图如默图3么所示缘，模违拟模则型如推图4兔所示遗。梢经工增艺分天析，卫可见灭处于决窄凸如缘圆孕筒助件查拉深蚀的一霸次拉浪深成列形范抗围张[享5兆]派。虾图使3肆正向网拉深警工件叔示意玩图帐图册4晃正向驴拉深姑模型眯圆板花坯料丈厚度达为堤2m发m猛，敬直曾径否为销4奇50桨mm揭，材磁料哑为S碌T援14基F不，塔平面屠各向旷同性同材料伤，戒参数草如表州1卫所示瑞，D继yn程af届or普m模文拟参前数设律置如慨下表县2所鹿示。惜表透1辉材料蒸参数折参数怨密度甲（T围/m淋m夜3沃）恩杨氏搬模量牺（N彩/m欣m顺2谷）秩泊松再比碗屈服殊应力孔（N胀/m厘m演2雄）照数值未0.拍28守表穴2喂正向截拉深桐参数威设置梳凹模塞压边哄圈盐凸模荷结束乌控制袖合模刑工序漠固定链20福00扎mm驴/s沃固定雷压边俭圈和赌凹模叫间距酸2.训2m刺m胞拉深级工序豆固定售50架kN躬50旨00亲mm着/s岭凸模长和凹贪模间产距录2.疫2m诞m贼3.甩2嫌反向疏拉深导反向闲拉深钻工件车示意燕图如尝图5分所示茧：板图胡5励反向马拉深挎工件万示意归图讯根据凶工件蝇几何袍尺寸武，可晓知迈拉深耗系数挪为融0.折42盛，小仅于极微限拉眯深系血数0袜.5耐5，相故常态规拉赴深方纯法缺难以梨一扇次拉肃深成俱形，嘴图后6诊所示扔的常疗规拉旨深方盗法的茂模拟墨结果迁也证炼实了遵这个千结论腰。河模拟元中，龙坯料杨选用群正向凤拉深飞后的师数据扎文件垮。盲a)会截面蓝厚度尘图妥b)争成形未极限间图面图疤6连常规胳拉深吵由于砌采用须常规葵反向苗拉深赏工序孝不能贿在一糊个工孝步内愈拉深出得到买需要氏的零苏件，无同时企，也基为了匪达到浊在反揪向拉勤深工尽序中补实现慰内壁歼圆筒士增厚圣的目根的，贩因此广，疗采用樱强力敏拉深授成形丧工艺努，妥也即伴在反销向拉饼深的滚同时猜，对旱外侧阀壁施爬加向茄下的私推力灾，以旨促进奴外侧破壁金唇属流被向内紫侧壁膏。强赌力拉稀深模勿具装顿置示眠意图痒如图胜7所桶示，树拉深怖时矩凸凹浑模固妨定，阁压环孙、凸冶模成序形时伏分别奸向下绞和向雅上运蠢动，写凹模马浮动渴，在晕压环缎的作用用下书被动眨运动菊。赴反向告强力燥拉深槐时的追工艺昼参数语见表艘3犁。样图梁7恭强力纷拉深笼成形平工艺从表苍3泡反向令拉深我参数庆设置幸合模箩工序牲拉深虫工序宅凸模晨固定集凸模壮50百00愁mm栗/s樱凸凹从模陪固定左凸凹植模舒固定选压边孙圈茂20尸00谁mm艘/s监压边窜圈解30系0k香N很压环咬固定舱压环淹运动改速度粱递增镰凹模隐固定涌凹模球50千kN萌结束俘控制脊压边增圈和坊凸凹昨模间绞距根2.恳2m料m晓结束挥控制阻凸模爆和凸摧凹模梅间距灭2.触2m缴m抖为了掩研究屠凸模怒与凸豆凹模星间隙句对成旬形的宾影响雀，本讯文设晴计了六5珍组不建同间记隙值私和压傅边力梳（见氧表4馆）的裂模拟守试验嫁：除进模型塑中凸糖模与剂凸凹掌模间周隙寒值、饶压边衰力讯不同间外，鸟各组哲其它励参数懒设置协均相鉴同。棕表4颗各组跨模拟骄试验积的间果隙值酱组别梳a姐b锻c央d券e麦间隙淹值（删mm胞）元2.掩4筛2.怜6翼3.亮0开2.卵6淹3.厕0坡压边龟力（老kN亩）心30利0凉30矮0花30久0叮38仓0贤45绸0江4凶模拟这结果贼及分叔析佣4.环1封正向投拉深猪压边王圈起优着控贞制材欢料流辩动，声防止帅起皱农的作盾用。蓝但过归大的夏压边面力，牵会阻绳止材很料流流入响凹模乎中判，使子拉深钳过程此不能拳正常把进行君。佛当压漆边力龄为铜50水kN变时，倡法兰饥不发欠生起血皱，访且旋获得乔壁厚煮减薄君较小侨，模下拟所宏得工都件的节厚度片分布湾如图蓝8壳所示响：嗽凸模婆圆角援处壁粪厚最本小，势沿着枝侧壁赛向法夺兰，耀壁厚的逐渐盏增加盆，法回兰处消壁厚宵最大须。迟壁厚俯减薄脱较小死的正沫向拉窝深，户有利隔于绣后续耐反向糕强力后拉深经。些图揭8简正向尚拉深肉结果属4.兽2赶反向弊拉深尤4.席2.株1炒压环职、压由边圈陵形状绣尺寸之变化固对反府向拉回深的魄影响刊为渣了解让压环跃、压岁边圈淘的形衔状尺粮寸对窜反向朱拉深筹的影致响，粘设计压如图汽9所样示的澡压环律、压夫边圈拣，其仁模拟墓结果继如图远10庄所示青。称平面央圆环铺形状膀压环封、压咐边圈透效果拥最差椅，在忆成形愚过程宇中，豆r暖2蜂首先家减小翠，材使料径需向流治动阻水力增返大，就在压柱环的歼强制鄙推力寒作用衣下，渗材料寻反向歌流动嗽到凹克模圆铅角处充的自续由空诉间，恼使得领r蝇1灵也减购小，敬材料品流动势阻力傻进一虚步加川大，设随着帆压环却的继乌续向滨下运及动，种材料量因难屡以流闪入内临侧而向将压闲边圈摔顶起职，形骆成折染叠（收如图占10漆（a锦）所左示）鹅。而合且由屈于材释料不屈能径烂向流双动以陵补充绘中间略圆筒毛成形执所需乎的金玻属，逮从而茫最终扛导致忍拉裂祝。亡图9郑不比同形存状的辩压环辜、压愁边圈抬a)贸压环消、压酬边圈烧为平阔面圆兆环劲b)锦压席环圆柴角、旺压边才圈倒简角孟c)沸压楚环、月压边化圈圆版角否图慢10狸不同则形状酒尺寸添压环海、压纳边圈经的模虽拟结珠果间采用快弧形毅压环川与腿倒角离式压奋边圈室时，炭虽然镜能非始终巩保证滋材料细由外至壁流要向内什壁圆泉筒熟，但哭是倒卫角使的得压掠边圈圣与凸幻凹模钉间的庄间隙蒙不均璃匀，坏形成或一个京自由职的小挥三角默形空俯腔龟，裹材料着容易狱在此努处弯戏曲甚兆至堆直积（兄如图畅10够（b警）及肚图1卷1所乞示）恨，增沾大了眯材料感的流但动阻撇力。听在采膜用弧情形压遍环与益压边精圈时破，由母于弧校形的戚约束吼，御有效步的奴保证库了廉材料圾流动世的唯滋一性遵，即带外壁锁材料着流经剩凸凹传模的母外、浴内圆令角，资并在昌凸模菊的拉其力作舍用下阔成形岸中间透圆筒馅，而潜不会里产生改折震叠样。晒模拟瓜结果夜如图吸10火（c岸），浓可以弯顺利物完成脖反向帜拉深反工序珠，且乘内侧冠壁与蚂初始剩板坯腹厚度励相比袄，晨有较灯明显紫的增益厚。潮可见启采用冒弧形傅压环泻与压适边圈喇可以妇取得么较好子的效衬果。盟a)丸中间日过程少b)请最后章结果耐图藏11夸采用敞压环旺圆角桃、压鞭边圈歉倒角距的不挺足旧4.绕2.逗2员压环析速度溉对壁谦厚的名影响燕压环辨速度该与工登件坐外壁莲最小拼厚度姐关系唉如图吊12禁所示吓。傲工件虽最小摆厚度球在凸幸模圆版角与鸣顶面背相切剪处爪（如毯图1身3）狐，说扁明压使环使榆最小乔厚度斥位置用发生近了转直移，锐表明舞压环绘能盈有效蜓促进光材料则由外惰壁向定内壁粮流动谅。督随着蹲压环粥速度她的增素加，贺单位折时间岁金属规流入嚷内壁邮的体数积增宣多，邀因此烧，最沸小厚馅度也灶单调谣增加俗，但牌增加减也有划一定容极限域。因建为随豆着压客环速阀度的桑增加残，为辫了防寨止起肯皱现旱象，什所需踢要的汁压边因力需三相应逐增加截，这嚷也增眨大了削材料贿流动激的阻敞力，奇不利袍于最善小厚陈度的浅增加游。当乡过于辽增大冈压环幅速度阻，流梨动阻盈力大鹅于材双料抗环拉强竖度时悠，便侵会发阁生拉插裂现警象。恩图局1阔2堂压环闸速度扫与工忆件最乌小厚诸度关持系图裙图1突3状最小敞厚度房位置脱（间钩隙撞2.炊4m忙m蹦，压指边力野30跟0k哑N，喜压环雅速度秆29陪91肆mm幕/s钱）厚压环解速度里与工牙件内撒壁圆票筒的滥最大按厚度俘关系道如图潜14减所示偷。骡工件半内壁父圆筒忍的最独大厚命度在餐内壁兵下部牲靠近骂凸凹矩模的笋内碑圆角贼处，素随着坛压环宴速度幸的增搞加，误工件怒内壁尿圆筒杀的落最大大厚度或同样嘴单盗调递害增。因压环拳的速界度越赏大，姥单位党时间免内流茶向内骂壁班圆筒供的材葡料越车多，绿而凸允模的云运动贝速度汪一定弱，故席工件礼内壁烘圆筒胃的最挤大厚送度越卵大。穿受工凭件成贷形性确的限占制，窑压环寄速度沟存在乱一个宫极值饺，故涝工件肉内壁床圆筒羽的最拣大厚纳度也赌存在忌一个右极大羡值。自图瞧14庄压据环速镰度与悬工件旱内壁惩圆筒歼最大弯厚度杠关系冒图袖4.绸2.任3竿凸模催与凸答凹模渡间隙国对增未厚程康度救及壁阔厚分套布均绳匀性卷的影浸响壮从图尺12蓬和识14份可见缘，间醒隙为盖2.洒4m腿m承所对橡应的胞最小饭厚度歼曲线倍和最迟大厚恶度曲疏线分素别位峡于最秧上方哀与最兆下方纳，而均间隙鸭为伐3.芝0m吴m肃所对注应的宏最小市厚度望曲线诸和最诊大厚恢度曲恨线纳位置罢相反受，间历隙钢2.营6m冒m啄所对筋应的土曲线刺则居僻中。闷以上狡表颈明雨：蔽间隙假越大乒，壁湾厚分虚布越件不均耻匀。巩这是绕因为彼，当丝凸模降与凸坝凹模们间隙盯较大箭时佛，拉感深昂表现拌为锥蛮形拉逆深。否而锥拦形件早变形弊主要绪集中族在零呜件底帽部向喂锥面逆过渡做的圆抹角附善近（殿即凸伸模圆赌角处浅），祥变形疑不均抚匀性盈严重领。凸叉模与倘凸凹翁模间换隙越粘大，套则锥趁形件叫的小升端直虹径与悦大端淹直径颂比值宜越小疾，拉让深时痛板坯脉料中茎间部纠分（它即凸成模作父用谢区域袍）的燃承载姻能力互越小槽，变剂形赔不均骨匀狂加剧碍，导清致最椅后零区件壁逗厚分足布越桃加不需均匀嫁。薪压边孔圈在钉防掏止起仪皱的收同时恐，也汁限制河了材况料的学流动斜，使互得金捡属在东压边纸圈和哭凸凹暮模间闸产生艘堆积剥，使蹲工件污此处轨产生沿增厚堆，压桨边力翅越大毙，对望金属框的流赶动阻肿力越颂大，潮增厚毙现象斜越明装显，地壁厚瞒分布搏也就呢越不吹均匀误。轿随着铅压环兄的继险续向埋下运卷动，友外壁妥材料悟继续还流向做内壁赛圆筒浮，衡已经狠增厚攻的金肉属在线后面耐金属烫的猾压力个和凸范模产纠生的朴拉力烤下经银过狼内壁并圆角巴，向红上流肥动，端形成窜内壁台圆筒弊。滤凸模惑与凸丰凹模允间隙庙越大油，能莫流经偶的增混厚材犯料的县厚度毒也越柱大。纯如果广间隙尺小于惭一定汗值肥，则崭材料炮因堆擦积在丧在凸逐凹模厘的内孟圆角能处，励使材蝴料流砖动阻毛力满增大学，导薯致工姜件向被拉钢裂。走因此裤，间批隙越停大，禁增厚立程度背越大旱。完4.培2.生4摄成形仗载荷趋压环宪速度以与凸况模芒载荷牛如图蓝1港5衔所示贴。虾凸模踏拉力捡和压摸环推阅力促盟使材勇料向蚊内壁畏圆筒议流动铲。凸毯模与昏凸凹泽模间葛隙越近小，晨对金智属流斥入内劣壁的绘摩擦陆阻力符也就绑越大百。因蓄此，肆在图专1裂5拳所示炼的压走环速冬度与著凸模羞载荷杨曲线葬中，蹲a所盗对应勿的曲炸线在遍最上辽方，辣c在退最下溪方，炒b处誓在中张间。榴压环堆速度朋越大分，单艇位时争间流圾向内讲壁圆肾筒的隙材料所越多蜘，则叹对已拾流入速金属仍的推你力也唯就越辉大；抱但同目时增充厚现胀象也孙越明划显，艘摩擦盗阻力限也会嫁越大截。因糖此，旱推力欺与摩司擦阻李力的李综合捎作用胃，影智响到咱成形额载荷玩的大墨小。命但由豪于开守始阶秋段推耻力的恰增大窗占主威导地锣位，旅因此职曲线泽会呈岁下降榨趋势嘱；但阁压环胶速度烫增大瓜到一很定程纹度时严，纽由于奴增厚获使天摩擦芒阻力稠的增船大占原主导珍，导广致凸适模载苗荷增陈加，迁表现宰出曲顿线开饱始呈疫现上泽升趋块势，运故图姥15像的各萝条曲秃线会咏呈现枯出先妇下降郑再上酷升的激趋势锁。狠图1完5箩压环踏速度肢与凸辛模短载荷扮关系糠图杏5枯结论做(1榨)肌压环拖、压被边圈腰的形衔状尺化寸影隙响反些向拉俭深的成结果袍，弧横形作结构该的压灭环、鲁压边婶圈，避因这材料贡流动衡受残到约汤束爷，反询向拉泉深结沉果最即好。姻(2亲)邻压据环能阴有效跑的促狱进材膀料由瞧外壁像向恭内壁体流动愿，并偿在内保壁圆以筒下补部产碎生增追厚现炸象，葡压环男速度茧越高锡，下踢部的侧增厚徐现象镜越