圆筒拉深件形状与厚度变化数值模拟分析与研究

圆筒拉深件形状与厚度变化数值模拟分析与研究彭广威（株洲职业技术学院湖南株洲412001）摘要:本文借助DYNAFORM软件，模拟分析了在不同拉深凹模圆角半径情况下,模具间隙及压力边等工艺参数对直壁圆筒拉深件外形尺寸及侧壁厚度的影响规律,检验了拉深模具设计传统经验公式的合理性，为该类零件拉深工艺方案的优化提供了参考价值。关键词:圆筒件拉深、数值模拟、DYNAFORM中图分类号:TG385TheNumericalSimulationAnalysisandResearchoftheShapeandThicknessChangesinCylinderPart’sDrawingPENGGUANG-WEI(Zhu-ZhouProfessionalTechnologyCollege,Zhuzhou,Hunan412001)Abstract:Inthearticle,UsingDYNAFORMsoftware,theinfluencelawofprocessparameterssuchasdieclearanceandpressureonthestraightwallcylindricaldeepdrawingpartsoveralldimensionsandwallthicknessissimulatedandanalyzedundertheconditionofdifferentradiusofdeepdrawingdie.therationalityofthetraditionalempiricalformulaofdrawingdiedesignareverified.So,thearticlehascertainvaluereferencefortheoptimizationofthedeepdrawingprocessofsuchparts.Keywords:CylinderPart’sDrawing;NumericalSimulation;DYNAFORM1、引言在板料的拉深工艺设计中，不仅要考虑成形拉裂、起皱等缺陷问题，还要考虑拉深件的尺寸精度和表面质量。合理的拉深工艺方案既要保证拉深的顺利进行，又要尽可能地得到理想的工件尺寸，同时能保证模具正常使用寿命。在拉深工艺设计中，凹模圆角、模具间隙及压边力等工艺参数往往是通过经验公式计算获得。本文借助DYNAFORM软件，模拟分析了在不同拉深凹模圆角半径情况下,模具间隙对直壁圆筒拉深件轮廓尺寸及侧壁厚度的变化规律，不仅验证了模具零件设计传统经验公式的合理性，而且得到了各工艺参数的相互作用和影响规律，为拉深工艺方案优化提供了有价值的参考。2、拉深件模型及拉深工艺参数设置本研究拉深件模型采用如图1所示直壁圆筒件，材料为DC06（St16），其力学性能参数分别是：屈服强度s为120～160MPa，抗拉强度b为250MPa，弹性模量E为207GPa，泊松比为0.28，厚向异性指数r为2.0，硬化指数为0.22。屈服强度s为239.5MPa，板料厚度t为1.5mm。图1直壁圆筒件Fig.1StraightWallCylindricalParts实际的拉深变形中，由于材料受到不同的应力状态的作用，引起了各个部分不同的变形效果。使得筒形零件的口部变窄、筒壁变薄。更由于回弹作用，致使拉深件各部分的形状和尺寸造成畸变[1]，拉深件畸变形状如图2所示。图2拉深件实际形状与厚度尺寸变化Fig.2ActualShapeandThicknessSizeChangesofDeepDrawingParts2.1毛坯及拉深工艺计算查表得修边量2hmm；圆筒件毛坯直径：2275.456.05.4875.472.1)225.29(5.4845.48D5.89mm拉深次数：总拉深系数为54.05.895.48m大于低碳钢极限拉深系数[m1]（0.48~0.50）所以可一次拉深成形。2.2拉深工艺参数设置（1）拉深凹模圆角半径dr：凹模圆角半径dr越大，材料越易进入凹模，但dr过大，可能导致压边不足而起皱。根据经验公式计算65.1)5.485.89(8.0drmm。为研究凹模圆角半径对拉深件厚度的影响，以经验公式计算的dr值为中间值，同时满足trd2的拉深工艺要求，设置数值模拟的凹模圆角半径dr分别为：3mm、4mm、5mm、6mm、7mm等5个值。（2）凸、凹模间隙Z：查表得[2]：有压料装置的一次拉深单边间隙一般取（1～1.1t）设置模具间隙值分别为：1.05t、1.10t、1.15t、1.2t、1.3t，进行数值模拟。（3）压边力YF：根据经验公式：4/])2([212prdDFdY软钢的单位面积压边力5.2~0.2pMPa；当dr=6mm时，NpFY48.77774/])625.48(3.87[22数值模拟中取压边力8000N。3、数值模拟与分析3.1分析模型首先通过Pro/E软件分别完成各不同圆角半径的凹模、圆形板料的曲面造型，并以IGES格式导入Dynaform软件中。拉深模拟模型如图3所示，模型中凸模、凹模及压边圈均定义为刚性材料。模具间隙及压力边在参数中分别设置[3]。图3模拟成形的有限元模型Fig.3FiniteElementModelofSimulationForming3.2模拟测试方法通过对各不同圆角半径的凹模及各不同压边力和不同模具间隙情况下的拉深模拟，测试各拉深条件下的中间截面形状尺寸(即拉深件的开口处内径尺寸、缩颈凹坑处内径尺寸及中部鼓形处内径尺寸)及厚度变化，如图4所示。同时可测得工件的轻微起皱边的高度值，如图5所示。图4中间截面形状尺寸及厚度变化测量Fig.4TheVariationofMiddleCrossSectionSizeandThickness图5轻微起皱边的高度测量Fig.5SlightlyWrinkledEdgeHeightMeasurement3.3模拟结果分析1、凹模圆角半径对拉深件外形轮廓尺寸及侧壁厚度的影响。当模具间隙取1.05t，凹模圆角半径分别取不同值时，拉深件口部、缩颈部、鼓形部的尺寸值变化如图6所示。拉深件口部尺寸随着凹模圆角半径增大而增大，但当r6mm时,反而有所减小；拉深件鼓形尺寸一直随着凹模圆角半径增大而减小；缩颈部尺寸受凹模圆角半径变化的影响较小。拉深件侧壁厚度受凹模圆角半径变化的影响如图7所示。当r=3mm时，板料减薄较严重，r=4～6mm时，壁厚变化较小。但当r5mm时，测量的轻微起皱边高度突然由9mm左右增至13mm，有严重起皱的趋势。故分析可知，本工件拉深的最合理的凹模半径应该取4mm或5mm。4848.148.248.348.448.548.6r=3mmr=4mmr=5mmr=6mmr=7mm尺寸(mm)口部尺寸鼓形尺寸缩颈尺寸00.511.52r=3mmr=4mmr=5mmr=6mmr=7mm厚度(mm)最大壁厚最小壁厚图6凹模圆角半径对外形尺寸影响图7凹模圆角半径对侧壁厚度影响Fig.6DieradiuseffectonoveralldimensionsFig.7Dieradiuseffectonwallthickness2、模具间隙对拉深件外形轮廓尺寸及侧壁厚度的影响。当凹模圆角为4mm，模具间隙Z取不同值时，拉深件口部、缩颈部、鼓形部的尺寸值如图8所示。随着模具间隙的增大，拉深时对工件的校直作用减小，工件由于回弹的作用产生的畸变增大，但当Z取1.05t～1.15t时，工件外形尺寸变化较小。而模具间隙对对壁厚的影响甚微，如图9所示。分析其原因：当凹模圆角半径、压料力和拉深力等参数设置合理时，板料在拉深过程中的切向压应力与径向拉应力能较好地平衡，侧壁厚度变化受模具间隙影响小。47.247.447.647.84848.248.448.648.8z=1.05tz=1.10tz=1.15tz=1.20tz=1.30t尺寸(mm)口部尺寸鼓形尺寸缩颈尺寸00.511.52z=1.05tz=1.1tz=1.15tz=1.2tz=1.3t厚度(mm)最大壁厚最小壁厚图8模具间隙对外形尺寸影响图9模具间隙对侧壁厚度影响Fig.8DieclearanceeffectonoveralldimensionsFig.9Dieclearanceeffectonwallthickness4、试验研究4.1试验装置为验证数值模拟结果,进行了拉深试验。试验装置采用机械双动压力机及双动正向拉深模，拉深模具结构如图10所示，通过调节压力机外滑块闭合高度将拉深压边力调节至8000N。图10试验拉深模具Fig.10Testdieofdeepdrawing4.2试验结果对比分析分别采用r=4mm及r=6mm的凹模圆角，并采用1.05t的模具间隙，试验圆筒拉深件如图11所示。通过测量两拉深件的外形尺寸及侧壁厚度值，与数值模拟结果对比如图12所示。数值模拟与实验结果相近,且数值曲线规律一致,从而验证了数值模拟结果的有效性。而从拉深件外观分析，拉深凹模半径r=6mm的拉深件起皱边更高，口部形状不规则趋势更明显。（a）凹模圆角r=4mm的拉深件（b）凹模圆角r=6mm的拉深件图11试验拉深样品Fig.11Testsamplesofdeepdrawing48.248.2548.348.3548.448.4548.548.55r=4mmr=6mm尺寸(mm)模拟口部尺寸模拟鼓形尺寸模拟缩颈尺寸试验口部尺寸试验鼓形尺寸试验缩颈尺寸1.21.31.41.51.61.71.81.9r=4mmr=6mm厚度(mm)模拟最大壁厚模拟最小壁厚试验最大壁厚试验最小壁厚（a）拉深件外形尺寸变化（b）拉深件壁厚尺寸变化图12试验与模拟结果对比分析Fig.12Analyzingtheresultsofexperimentandsimulation5、结论利用板料成形模拟软件进行成形工艺参数的研究将成为一种趋势[4]，通过筒形件拉深成形数值模拟分析的研究，结论如下：（1）在拉深工艺设计中,应用数值模拟分析所得各参数比传统经验公式计算所得参数更加优化；（2）圆筒件拉深工艺参数中,凹模圆角半径对拉深件外形轮廓尺寸明显,较小的圆角半径能得到外形尺寸精度较高的工件；（3）圆筒拉深模具间隙的合理值为Z=1～1.15t，这时间隙对工件外形尺寸变化影响较小；（4）当凹模圆角半径、压料力和拉深力等参数设置合理时，板料在拉深过程中的切向压应力与径向拉应力能较好地平衡，侧壁厚度变化受模具间隙影响小。参考文献：[1]郑家贤.冲压模具设计实用手册[M].北京:机械工业出版社，2007.[2]徐政坤.冲压模具设计与制造[M].北京:化学工业出版社，2003.[3]王秀凤，郎利辉.板料成形CAE设计及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.[4]杨立军等.基于DYNAFORM的筒形件拉深成形数值模拟技术[J].机械设计与制造,2011(10):228-230.-------------------------------------基金项目：湖南省教育厅一般资助（10C0346）作者简介:彭广威(1975-),男,硕士，讲师。研究方向：材料成形理论及技术通讯地址:湖南省株洲市红旗北路476号株洲职业技术学院机电工程系.邮编:412001电话:[phone],Email：[e-mail]