「MFC推荐」高强不锈钢板拉深成形分析

拉深是将一块平板在凸模压力作用下通过凹模 形成一个开口空心零件的压制过程。拉深成形 是板料冷冲压中最基本的成形工艺,被广泛应用于 航空航天及汽车等制造领域。随着国内外制造工艺 的不断发展,拉深件所需达到的精度也越来越高。对于一些精密薄壁零件的制造成形,拉深成形工艺 具有重要的意义。

近年来,数值模拟技术和方法在 板料塑性成形工艺和模具设计方面得到了广泛的应 用。通过有限元模拟技术,能够对拉深成形过程中 出现的开裂、变薄、起皱及回弹等现象进行预评估, 从而优化成形工艺参数,提高拉深件质量。与以往经验性工艺设计相比,大大减少了设计周期和制造成本。

文中根据某型飞机高精度高强不锈钢隔片零件的结构,基于有限元模拟和实验研究,逐步优化了拉深成形工艺参数,并结合回弹模拟的结果对拉深模具不断修正,最终成形出满足尺寸和精度要求的隔片零件。

1 工艺分析设计

1. 1 隔片零件工艺分析 某型飞机隔片零件为半球形结构,其尺寸如图 1 所示。添加工艺补充面后,其形状如图 2 所示。零件成形所用材料为 15-5PH 超高强不锈钢, 厚度为 1. 0 mm,材料性能参数见表 1。根据图 1,该零件含公差的尺寸基本是外表面 尺寸。成形后零件弧面段的厚度不低于 0. 9 mm,即 厚度变薄量需控制在 10% 以内,同时保证零件弧面 轮廓的公差为 0. 1 mm。在成形件的法兰部分,厚度 不能超过 1. 05 mm,即厚度增厚量需控制在 5%以内。

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法兰与弧面段之间的过渡圆角半径需达到 2. 8 mm。零件成形后的高度为 21. 07 ~ 21. 17 mm。通过对隔片零件尺寸公差的分析,该零件的成 形难点主要有以下几方面。

1) 如要保证零件型面精度,需采用胀形成分多 的拉深成形,那么在零件圆弧顶端区域内的变薄量 最大,厚度变薄量容易超差;

2) 拉深成形后产生的回弹会严重影响零件弧 面轮廓以及零件的高度;

3) 零件需满足的公差要求较多,且尺寸精度要 求较高,大大增加了成形的难度。

1. 2 成形方案设计

根据隔片零件整体结构及外形特征,采用一次拉深成形带法兰的半球形部位,再进行切边及钻孔。由于在拉深过程中,弧面段的尺寸及公差要求最严 格,因此合理的成形工艺参数及对模面的修正将成为零件成形的关键。

2 拉深成形有限元模拟分析

2. 1 有限元仿真模型

采用板料冲压有限元软件 Dynaform 进行数值 模拟。在有限元模型中,采用全模型,选择三参数 Barlat 屈服准则。应变强化系数 K 为 1199. 7 MPa, 应变强化指数 n 为0. 29。板料采用 Belytschko-Tsay 壳单元,自适应网格划分,凸凹模及压边圈看做刚 体,选择刚性四节点单元进行离散网格划分。接触方式采用罚函数,接触类型为单向面-面接触。摩擦 因子设 u = 0. 125。得到拉深成形有限元模型及板 料模型如图 3 所示。

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2. 2 成形性分析

将建立好的有限元拉深模型在 Dynaform 中进 行计算,得到成形后的零件厚度分布如图 4 所示。

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由有限元拉深模拟的结果可以得出,零件未出 现起皱、破裂等现象,证明利用一次拉深成形工艺可 行。根据图 4 中拉深件的减薄率与厚度分布情况, 拉深件的厚度最小处即厚度减薄率最大处位于靠近弧面顶部的位置,厚度值为 0. 97 mm,在允许的尺寸误差范围内;法兰处的最大厚度为 1. 02 mm,也满足 误差的许可要求。为了预测板料在拉深成形后拉深件的弧面轮 廓、零件高度等尺寸情况,需对拉深件进行回弹模 拟。将上一步拉深模拟计算得到的 dynain 文件输 入 Dynaform 软件中进行回弹模拟设置并进行计算, 得到拉深件的回弹情况如图 5 所示。

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根据图 5 所示的回弹模拟结果,最大回弹处达 到 0. 16 mm,而零件弧面轮廓度公差为 0. 1 mm,零 件的高度公差为依0. 05 mm,因此在实际的生产试验 中可能会产生超差。通过对拉深件的回弹模拟,很 好地预测了拉深件的回弹趋势以及大小,对于模具 的设计具有重要的指导意义。

3 拉深模具设计与试验研究

3. 1 模具设计与修模

对于隔片零件,在300 kN 板材成形试验机上进行试验,验证零件拉深成形工艺的可行性,并结合试验与有限元回弹模拟的结果对凸凹模的型面进行修模。根据分析,最终设计出的模具整体安装结构以 及凸模回弹补偿型面如图 6 所示。图 6b 中,结合试验与回弹模拟结果,最终确定 将凸模理论型面的最高点位置提高 0. 62 mm,得到 修正后的圆弧形模具型面。

3. 2 试验研究 拉深试验所用设备为 BCS鄄30D 通用板材成形 性能试验机,如图 7 所示。该成形机主缸公称压力 为 300 kN,压边缸公称压力为 200 kN。

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在拉深成形过程中,压边力是影响成形的主要因素。当压边圈所给压力过小时,拉深件的法兰边 容易起皱;当压边圈所给压力过大时,拉深件壁厚较 小甚至发生破裂。经过实际的拉深试验,得到压边 力影响成形情况见表 2。

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根据表 2 对压边力影响的研究,最终选定试验 所用压边力范围为 25 ~ 50 kN,试验最终选取压边 力为 40 kN 进行拉深试验。利用修模后的拉深模具,进行 10 组拉深试验, 所得结果见表 3。其中,毛料直径 D = 135 mm,所用 压边力为 40 kN,凸模加载速度为 20 mm / min,毛料 双面均采用漆片润滑。

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为了更好地描述成形件弧面的厚度情况,选取 了弧面顶部、弧面中部以及法兰边等 3 个位置处的厚度进行测量。同时,为了验证成形件的贴模情况,专门设计了测量用的检验模,并利用塞规进行成形件贴模度误差测量。贴模度测量如图 8 所示。

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完成零件的拉深成形之后,为了得到隔片零件成品,还需进行切边和钻孔,最终得到的隔片零件如 图 9 所示。

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4 结语

1) 结合有限元数值模拟的结果与实际试验,刚 模拉深成形工艺方法可以实现隔片零件的整体精确成形。

2) 通过在不同压边力作用下的拉深试验,最终得到了满足试验要求的压边力。

3) 结合数值模拟回弹的方法以及试验,对模具的理论型面进行了修正,使最终得到的成形件在整体高度及弧面轮廓度方面均满足精度要求。

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