基于数值模拟的拉深成形质量评价方法

雷晓燕，李 健内蒙古机电职业技术学院，内蒙古呼和浩特 010051

0 引言

针对板料拉深成形的有限元数值模拟技术已日趋成熟，模拟过程中的拉深件成形质量判据主要有3种，即拉深件表观质量检验、网格畸变程度检查和成形极限图分析。拉深件表观质量检验精度较差，且带有明显的主观性；网格畸变程度检查和成形极限图分析均需复杂的数学处理，使用极为不便。鉴此，本文根据拉深成形的特点结合有限元分析方法，提出了一种更为简单有效的评价方法，即采用板料的最大厚度与最小厚度差值Δt作为拉深成形质量好坏的评价指标。

1 厚度差 ⊿t的提出及其意义

板料拉深成形前和拉深成形后的形状如图1所示。图2给出了典型拉深成形过程中从板料中心到凸缘各单元沿路径OA的厚度变化规律。图2中平台段a对应图1(b)中的底部区域a，拉深成形过程中该区域的板料厚度几乎没有变化；谷值b对应图1中拉深件筒底圆角区域b，此处厚度减薄很大；峰值c对应图1（b）中筒部边缘c，此处板料厚度最大。

拉深成形过程中，起皱和拉裂是最常见的缺陷。起皱现象可以认为是板料在该处的厚度大于某一厚度值twri；而破裂可以认为板坯在该处的厚度小于某一厚度值tcra。设板坯厚度的最大值与最小值分别为tmax与tmin，最大厚度与最小厚度的差值△ t＝ tmax－ tmin。

如果板坯经过拉深成形后同时出现起皱和拉裂，则tmax≥twri且 tmin≤tcra。显然板料既未起皱又未开裂的厚度值t满足不等式tmin＞t＞tmax。此时，板料最大厚度差△t1＝tmax－tmin，且△t1≥△t0＝twri－tcra，等号是起皱和破裂刚好发生的情况。

如果板坯经过拉深成形后只存在起皱或是破裂一种情况，则有 tmax≥twri且 tmin＞tcra或 tmax＜ twri且tmin≤ tcra，此时的最大厚度差值△t2＝tmax－tmin，△t2≤△t1，等号是起皱或破裂刚好发生的情况。

如果板坯经过拉深成形后不存在起皱和破裂现象，则tmax＜twri且tmin＞tcra，此时厚度差值△t3＝tmax－tmin＜△t2≤△t1。即有△t3＜△t2≤△t1。

如果拉深成形件不存在起皱和破裂缺陷就可以得到良好的成形件，而同时存在起皱或破裂缺陷是拉深成形的最差情况。综上所述，用板坯拉深成形后的厚度最大值与最小值的差值△t作为评价成形质量是可行的。△t值越大则拉深件的缺陷就越明显，可以认为成形质量越差；△t值越小则拉深件出现缺陷的倾向就越小，可以认为成形质量越好。有限元分析结果可以很方便地读出板坯的厚度值，相应地差值△t也很容易求出。

2 数值模拟过程中的应用

2.1 几何模型

TA2板筒形拉深件所用的毛坯厚度为1mm。采用Ansys/LS-DYNA单元类型中的163号壳单元进行模拟分析，模具和板坯均可简化为面。板坯采用圆形毛坯、厚度均匀，板料和凸、凹模形状均为轴对称。分析模型可简化为整体模型的四分之一，如图3所示。

图3 几何模型

2.2 加载路径的定义

凸模速度加载时，速度载荷必须与时间对应。为了防止动态效应，初始速度和结束速度均取0值，速度载荷随时间变化曲线如图4所示。

图4 速度载荷曲线

3 结果分析

图5 无缺陷时板料厚度随载荷步变化的最大值与最小值及△t

图6 存在起趋现象时板料厚度随载荷步变化的最大值与最小值以及△t

图7 存在裂纹现象时板料厚度随载荷步变化的最大与最小厚度分布以及△t

图8 3种情况下随载荷步变化的△t分布

4 结论

1）采用板坯的最大厚度与最小厚度之差△t作为零件成形质量的评价指标具有可行性；

2）对于1mm厚的TA2工业纯钛板料，当拉深速度为1m/s时，拉深件不产生缺陷，此时最大厚度约为1.2mm，最小厚度约为0.9mm，最大与最小厚度差约为0.3mm，厚度差Δt是原板厚的30%。

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