应变硬化指数对圆筒形件拉深性能的影响

陈继平，钱健清，李胜祗

(1．安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽 马鞍山 243002;2．安徽省金属材料与加工重点实验室，安徽 马鞍山 243002)

0 前言

拉深是板料冲压成形工艺之一，在机械、电子、仪器仪表及航空航天等领域广泛应用。目前，国内外对板料拉深性能的研究较多，主要针对其影响因素以及近似计算极限拉深比LDR(limit drawing ratio)的公式，但对某些影响因素的研究还不够深入。众所周知，板料的厚向异性系数与拉深性能关系密切，而对于板料的应变硬化指数n值与LDR值的关系方面的研究，其观点存在矛盾，有不少学者认为其影响可以忽略，但也有学者认为不能忽略［1，2］。随着近年来对拉深性能研究的逐步深入，n值对LDR的影响也日益受到关注。所以研究在不同条件下n值对LDR的影响对进一步掌握n值与拉深性能的关系有着重要意义。

在板料的LDR值的影响因素中，对n值和r值的研究最多。文献［3－8］对拉深成形的极限拉深比有影响的材料参数与工艺参数等主要因素进行了归纳总结，结果表明各向异性系数r值对极限拉深系数有影响很大，各向异性系数r平均值和r最小值都大的材料，其拉深性能最好，而应变硬化指数n对极限拉深系数的影响要小一些。

本文通过PAM-STAMP 2G有限元软件模拟SWIFT平底冲杯实验，分析厚向各向异性系数对板料极限拉深比的影响，研究不同厚向各向异性系数时硬化指数n值对材料拉深性能的影响规律。

1 拉深成形过程中主要工艺参数的选择

毛坯尺寸选择厚度为1.5 mm的圆形板料，在模拟中进行试错，最终找出所需要的拉深不破裂的最大直径。在模拟冲压成形过程中，通过调整圆形板料的大小，以得到某一条件下拉深后板料不破裂的最大直径，在模拟结束后用该直径来计算板料的极限拉深比LDR值。

钢铁材料的厚向各向异性系数r值的取值一般在1.5～2.5范围内，在其它材料参数与工艺参数不变的条件下，本文选取r值为1.5、2、2.5， 不 同 的 n 值 为 0.1、0.15、0.2、0.25、0.3。冲压成形过程中的主要工艺参数见表1。

表1 冲压过程主要工艺参数Table 1 Main process parameters of stamping

2 模拟过程及模拟结果

板料大小的选取没有一定的标准，可以在模拟过程中通过试错来逐渐缩小板料的取值范围，最终找出所需要的拉深不破裂的最大直径。通常模拟都要根据多次试错后才能获得所需要的数据，限于篇幅，本文对最接近成功的几个板料直径的模拟结果进行分析，说明其模拟过程。

根据SWIFT的平底凸模拉深试验的原理，以n=0.15为例，当取板料拉深直径为102.6 mm时，模拟得到的成形质量分布、成形极限图FLD、厚度分布以及减薄率如图1所示。

从图1所示的成形质量分布以及成形极限图可以看出，该板料拉深比较充分，在边缘处有起皱现象，没有破裂点，即板料完全可以冲压成功。从厚度分布以及减薄率图可以得出圆筒件拉深后的厚度分布的位置、大小以及减薄率的大小。筒形件的最大厚度为1.742 460 mm，位于边缘位置，此处的板料较原始厚度1.5 mm增加了16.164%;最小厚度为1.177 360 mm，位于圆角部，此处的板料减薄率为21.509 3%。模拟得到的板料厚度的分布情况和实际冲压的情况完全一样，即边缘处最厚，圆角处是减薄最厉害的部位。但从模拟结果看，板料处于安全区域，这时还需要进一步增大板料的直径，以测得不破裂时的最大板料直径。

为了进一步验证用更大直径的板料进行拉深是否会引起破裂，又把板料拉深直径增加到103.6 mm，此时所得到的模拟成形质量分布、成形极限图FLD、厚度分布以及减薄率如图2所示。

从图2可以看出，板料拉深完成后没有破裂。为此再进一步增加板料的尺寸，拉深直径增加到104 mm，这时得到的模拟成形质量分布、成形极限图FLD、厚度分布以及减薄率如图3所示。

从图3可以看出，板料圆角部位出现了破裂点，此处的厚度为 1.192 85 mm，减薄率为25.381 0%。选用该点前一个不破裂的板径来计算LDR值，即该条件下的最大不破裂点的半径为51.8 mm。并根据其计算出该条件下的LDR值。同理，在其它厚向各向异性系数条件下，按类似的方法进行模拟，可得出拉深时板料不破裂的最大半径。模拟结束时，根据所得到的该条件下不破裂的最大半径，可以计算出该条件下的LDR值。在不同厚向各向异性系数r值下，板料的拉深性能即极限拉深比LDR值随硬化指数变 化的情况如图4所示。

从图4可以看出，在不同厚向各向异性系数r值的情况下，总的趋势是板料的拉深系数LDR值随着r值的增加而增加。在不同的r值情况下，随着硬化指数n的提高，极限拉深比LDR增大。当n从0.1增加到0.2时，LDR值几乎直线上升，说明硬化指数对拉深性能的影响较大;在硬化指数大于0.2之后曲线变化趋缓，说明在n大于0.2后，硬化指数对拉深性能的影响较小。厚向各向异性系数越大，硬化指数的变化对拉深性能的影响越小。如图4所示，r值为1.5时，n值从0.1 ～ 0.3，对应的极限拉深比LDR从1.712增加到2.113，增加了0.401;当r值为2.5时，n值从0.1～0.3，对应的极限拉深比LDR从2.2增加到2.52，增加了0.32。很明显，厚向各向异性系数大时，硬化指数对拉深性能的影响小。

图3 筒形件拉深试验成形结果Fig.3 Forming results of cylinder cup in deep drawing experiment

图4 不同厚向各向异性系数时不同n值对应的LDRFig.4 LDR corresponding to different hardening index n value at different r values

4 结论

本文研究了不同厚向各向异性系数r值以及在不同r值条件下n值对板料极限拉深比的影响。得出的结论如下:

(1)在其它条件如冲压速度、板厚、硬化指数等不变的情况下，随着厚向各向异性系数r值的增加，板料拉深性能提高，极限拉深比LDR增加;

(2)在其它条件不变的情况下，随着厚向各向异性系数r值的增加，硬化指数n值对板料的拉深性能影响减小;

(3)在小的厚向各向异性系数r值的情况下，硬化指数对板料的拉深性能影响大;在r值大的情况下，硬化指数n值对板料的拉深性能影响不大。在r值小时，可以通过增加板料的硬化指数n值来增大板料的极限拉深比。

［1］ 肖景容，姜奎华．冲压工艺学［M］．北京:机械工业出版社，2006:46－58．

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