基于數(shù)值模擬的不銹鋼半彎管組合拉深成形技術(shù)研究

　　[摘 要]起皺、破裂、壓偏、回彈一直是板制半彎管單件拉深難以攻克的成形缺陷；受管徑、轉(zhuǎn)彎半徑、轉(zhuǎn)彎夾角、模具精度、毛料形狀等因數(shù)影響，往往多個(gè)相互矛盾的成形缺陷共存。目前半彎管單件拉深主要由于內(nèi)、外側(cè)展開毛料面積差異以及內(nèi)側(cè)邊毛料連接效應(yīng)；一般情況變形方式為管口外側(cè)兩端向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移，受內(nèi)、外側(cè)曲率差異影響難以預(yù)測內(nèi)側(cè)中部區(qū)域發(fā)生起皺或破裂；本文針對小轉(zhuǎn)彎半徑不銹鋼半彎管的成形難點(diǎn)，借助數(shù)值模擬分析優(yōu)化工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了半彎管高質(zhì)量組合拉深成形。
　　[關(guān)鍵詞]半彎管、組合拉深成形、數(shù)值模擬。
　　中圖分類號：S283 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）24-0065-01
　　1 引言
　　板制半彎管拉深成形涉及接觸摩擦狀況的大塑性變形力學(xué)過程，受法蘭區(qū)接觸面積差異以及受力不均壓偏等因素帶來影響，其成形起皺、破裂等缺陷預(yù)測難度極高。目前主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)粗略判斷，帶有很強(qiáng)的主觀性，往往采取試錯(cuò)糾正工藝參數(shù)法，在新研階段投入成本高、周期長、風(fēng)險(xiǎn)大。隨著有限元法模擬技術(shù)計(jì)算精度不斷提高，在復(fù)雜鈑金件成形中已得到重視，有效解決了工藝設(shè)計(jì)過程面臨的成形缺陷預(yù)防與消除難題。
　　2 半彎管單件拉深難點(diǎn)
　　半彎管材料為00Cr18Ni10N，冷軋固溶狀態(tài)，厚度0.8mm，半徑49.2mm、內(nèi)轉(zhuǎn)彎半徑65mm、拐角90度。其制造難點(diǎn)體現(xiàn)如下：一是半彎管單件拉深毛料內(nèi)外兩側(cè)與壓邊圈接觸面積不同，受力不平衡容易壓偏（如圖3）；二是為了克服壓偏需要留較大成形余料，尤其高壓邊力且外側(cè)余料過大時(shí)，材料向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移補(bǔ)充阻力大，容易出現(xiàn)內(nèi)側(cè)根部破裂（如圖2）；三是減少壓邊力成形時(shí)，材料向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移補(bǔ)充過快，容易出現(xiàn)內(nèi)側(cè)上部起皺（如圖1）；四是為了減少起皺，一般采取在圖2所示端頭留一定余料包邊脹形變形方式防皺，包邊余料大小控制不當(dāng)容易產(chǎn)生圖1、圖2缺陷；五是包邊脹形方式防皺壓邊力不能太高，外側(cè)收邊塑性變形不充分容易起皺且回彈較大。因此一般采取較大展開毛料成形，操作過程根據(jù)經(jīng)驗(yàn)需要多次停頓漸進(jìn)成形、修邊緩裂、人工除皺等措施；生產(chǎn)效率、成品率低、對人員技能要求高。
　　3 工藝方案設(shè)計(jì)
　　3.1 組合模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　半彎管單件拉深成形時(shí)由于兩側(cè)的不對稱性受力不均勻，外側(cè)收邊容易起皺而內(nèi)測放邊容易開裂，且內(nèi)、外側(cè)壓邊面積不等容易壓偏。采用圖4左右件組合為S形狀的半彎管成形主要優(yōu)點(diǎn)如下：一是收邊、放邊變形相互補(bǔ)償，多料區(qū)可以向缺料區(qū)作補(bǔ)充轉(zhuǎn)移，同時(shí)緩解放邊開裂與收邊起皺問題；二是S形狀組合后兩邊展開面積相等可自動防壓偏，有利最大限度減少法蘭區(qū)域余量；三是減少余量可降低收邊、放邊系數(shù)，有利進(jìn)一部增加法蘭區(qū)阻力，用于提高沿直徑切向拉力降低回彈。
　　3.2 展開毛料設(shè)計(jì)
　　展開毛料設(shè)計(jì)合理與否對拉深質(zhì)量、成品率，起到?jīng)Q定性作用；一般情況下小曲率半彎管展開毛料可以先按照成形前后弧長與展開長度相等原則估算，再在內(nèi)側(cè)增加大于外側(cè)余量即可。按上述原則展開毛料應(yīng)當(dāng)為近似S形狀；本次研究半彎管為實(shí)際生產(chǎn)中成形難度極限，實(shí)際上由于轉(zhuǎn)彎曲率大，考慮毛料變形補(bǔ)償，所需毛料與S形狀完全不符，精確計(jì)算難度很大。為了降低難度，借助數(shù)字模軟件，初步估算后根據(jù)如圖5所示毛料邊緣流動量結(jié)合成形需要，采取多去少補(bǔ)方法即可得出如圖6所示形狀優(yōu)化展開毛料。最后將圖6形狀展開毛料的外形線雕刻到壓邊圈上，可避免放料位置不正確而導(dǎo)致模擬與實(shí)際操作出現(xiàn)較大偏差。
　　4 試模驗(yàn)證模擬結(jié)果
　　經(jīng)過多次模擬其理想效果如圖7、圖8。由圖7成形極限圖可以看出管壁大部分區(qū)域處于SAFE區(qū)域，且處于RISKOFCRACK線以下部分，證明變形安全系數(shù)較高，且沿管徑切向產(chǎn)生了塑性變形，有利于減少回彈。由圖8厚度云圖中數(shù)字可以計(jì)算出材料最大變薄率、增厚率分別約15.8%、4.5%，優(yōu)于行業(yè)成形規(guī)范允許極限值30%，10%，僅從圖7、圖8模擬結(jié)果足以證明半彎管組合拉深方案設(shè)計(jì)合理。按照上述模擬工藝參數(shù)試驗(yàn)效果如圖9，實(shí)現(xiàn)了一次精確拉深成功。對比圖7與圖9，圖7中管壁SAFE區(qū)域在圖9中表面光滑，圖7法蘭邊起皺區(qū)與圖9基本一致；經(jīng)切割后檢測與圖8厚度分布云圖對比，厚度誤差率可控制在4%以內(nèi)。經(jīng)過試驗(yàn)表明模擬與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果基本相符，其誤差主要由模具制造精度及板料厚度誤差等引起，但仍可滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。
　　5 結(jié)束語
　　半彎管S形狀組合為提高板料變形安全系數(shù)創(chuàng)造了有利條件；其優(yōu)勢于：①采用收邊、放邊變形相互補(bǔ)償?shù)氖芰Ψ绞�，可同時(shí)緩解放邊破裂、收邊起皺難題；②S形狀的組合可以確保兩側(cè)展開毛料面積相等，防止受力壓偏，減少成形毛料，提高形變安全系數(shù)；③可以再進(jìn)一部提高塑性變形拉深力，減少回彈。研究過程借助數(shù)值模擬技術(shù)，有效解決了工藝設(shè)計(jì)過程面臨的成形缺陷預(yù)防與消除難題。既驗(yàn)證了工藝方案設(shè)計(jì)的合理性；又實(shí)現(xiàn)毛料形狀等工藝參數(shù)優(yōu)化配合；確保拉深材料流動、轉(zhuǎn)移過程可控性。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1] 《冷沖壓成形工藝與模具設(shè)計(jì)制造》西北工業(yè)大學(xué)出版社李壽萱主編
　　[2] 《航空制造工程手冊·飛機(jī)鈑金工藝》航空工業(yè)出版社《航空制造工程手冊》總編委會主編
　　[3] 《沖壓工藝學(xué)》西北工業(yè)大學(xué)出版社吳詩淳何聲健編著
　　[4] 《板料成形CAE設(shè)計(jì)及應(yīng)用》北京航空航天大學(xué)出版社王秀風(fēng)郎利輝主編
　　作者簡介
　　倪興屹（1980-09）男，貴州甕安縣，職稱：高級工程師，學(xué)歷：本科，主要研究方向：鈑金成型。

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