基于数值模拟的盒形件拉深极限研究现状

夏莉

摘 要：近年来，国内外关于盒形件拉深的研究越来越多。无论是盒形件拉深模具设计、数值分析、还是缺陷分析都有了新的成果。

关键词：盒形件；拉深极限；现状

1.国内外对盒形件多次拉深判定的研究现状

1.1 盒形件一次拉深成形的判定

盒形件拉深过程中，坯料所受应力和变形沿周边不均匀分布，其不均匀程度随相对高度（h/b）及角部相对圆角半径r/b的大小而变化，这两个比值决定了圆角部分材料向侧壁转移的程度及侧壁高度的增补量[3]。所以可以从这几个方面入手来进行一次拉深的判定。

①按盒形件的相对高度（h/b）判定

从文献1得出，盒形件相对高度（h/b）可以用来判定盒形件是否能一次拉深成形（h表示为盒形件的高度，b为正方形件的边长或者矩形件的短边长度，D为正方形盒拉深毛坯直径或矩形盒拉深毛坯宽度，t为毛坯厚度），若比极限相对高度小，则可以一次拉深成形，反之亦然。这种方法比较简单，容易判定。但是没有考虑到圆角半径对拉深次数的影响，实际上这种影响是存在的且是重要的影响因素。因此这种方法是不全面的。

②按角部的拉深系数来判定

文献3给出了一种新的按角部的拉深系数判断一次拉深成形的方法。对于低盒形件，由于直边部分对圆角部分的影响相对较小，圆角处的变形最大，故变形程度可以用圆角处的拉深系数m来表示，m=r/Ry。其中r为角部的圆角半径，mm；Ry为毛坯圆角部分的假想半径。若m大于盒形件角部第一次拉深系数m1，可一次拉成。若m小于m1.则不能一次拉成。此种方法虽然着重考察圆角半径的影响，而忽略掉其他的影响因素。此外，由于引入了假象半径这个参数，就不免带入了误差。假象半径即为原始毛坯的半径。众所周知，目前关于盒形件原始坯料尺寸的计算方法还不完善，现有的使用方法得出的坯料尺寸存在误差。所以采用这个误差的数据得出的结果必然是误差的。

③按盒形件的相对深度来判定

文献4也总结出可以用相对深度h/r值进行一次拉深成形的判断。大于一次拉深许可的比值则不能一次拉深成形。此种方法没有考虑到盒形件的宽度b对拉深次数的影响，这种影响是存在的且不能忽视的。

1.2 盒形件多次拉深的判定

盒形件是典型的非轴对称拉深件，在拉深过程中材料变形较为复杂[6] 。目前， 虽然人们已经对盒形件在理论分析和实验研究等方面作了大量的工作， 但因其变形的复杂性，还不能像轴对称件那样得出较为成熟的分析理论。判定盒形件是否可以拉深成形，主要取决于毛坯的变形程度，如果毛坯的变形程度过大，拉深时传力区毛坯内部的径向拉应力就会超过侧壁材料的强度极限而产生破裂，这时必须采用多工序拉深工艺。盒形件按其相对高度h/b的大小，分为低盒形件和高盒形件，当h/b小于0.6-0.7时盒形件为低盒形件，h/b大于0.6-0.7时为高盒形件。高盒形件是不能一次拉深成形的，需要多次拉深。盒形件多次拉深不同于圆筒

形件多次拉深，也不同于盒形件的一次拉深。盒形件多次拉深材料沿其毛坯周围变形是不均匀的。直边部份对圆角部份的材料有一定的带动作用及变形程度的减轻作用。变形区除承受传力区传递力的作用外，外端还受毛坯直壁的限制，因此直边部份和圆角部份（径向伸长，切向压缩）变形若不一致，必然会产生附加压应力与拉应力使之产生横向堆积起皱或变薄破裂[5]。这些都不利于盒形件拉深工序的顺利进行，为了避免上述情况，合理设计高盒形件的拉深次数也是有效的方法之一。

①高盒形件多次拉深的简易计算方法

文献1等介绍了方形和矩形件拉深次数的简易计算方法，可供现场估算比较用。它是利用h和b的关系来估算拉深次数。查下面的表格即得出相应的拉深次数。这种方法同样存在着没有考虑圆角半径对拉深次数的影响。忽略掉了这一重要的影响因素。

②按拉深件的相对深度h/r确定拉深次数

文献1等介绍了盒形件的相对深度h/r也可以用来确定拉深次数，不同的相对深度h/r的比值对应不同的拉深次数。其中h为拉深件的高度，r为转角半径。主要存在的问题是忽略了盒形件直边部分对拉深次数的影响。

③按盒形件的相对高度确定拉深次数

文献3介绍了按盒形件的相对高度h/b的比值查相应的表格确定拉深次数。这种方法很简单，仅仅考虑高度这一个影响因素，忽略了圆角半径和直边的影响，这样得出的结果和实际出入很大，不便于采用。

④按盒形件多次拉深的总拉深系数来估算拉深系数

高盒形件一般需要多次拉深，即先拉成较大的圆角，再逐步减小圆角半径。前后工序半成品角部的圆角半径之比称为拉深系数m，以后各次的拉深系数必须大于极限拉深系数。拉深次数亦可通过盒形件多次拉深的总拉深系数来估算。

算出总的拉深系数后查对应的表格得出拉伸系数。这种方法直接套用已有的公式计算总拉深系数，计算过程比较繁琐，公式对原始毛坯的尺寸有要求，运用不灵活，有一定的局限性。

2.现有的判定方法存在的问题

上述介绍的几种关于盒形件多次拉深判定的方法是目前国内比较常用的，但是都存在着一定的问题。具体如下：

①用角部的拉深系数来判断一次拉深成形，这里的Ry为毛坯圆角部分的假想半径，假象半径即为原始毛坯的圆弧半径，我们都知道盒形件的原始毛坯尺寸的计算本身就很复杂，现有的方法都是估算出来的，存在误差。如果我们采用的都是有误差的数据，那么很显然得出的结果必然是不准确的。

②随着技术的不断成熟，对盒形件研究的不断深入，其中很多方法中的数据有了新的改进。如文献2等对盒形件一次拉深成形的极限进行了研究，包括一次极限拉深系数的研究，相对高度的研究，研究表明盒形件一次拉深成形的拉深系数比此前很多手册提供的数据小。这样便可以提高拉深的范围，降低成本。

③盒形件由于直边的存在，拉深时圆角部分的材料可以向直边流动，这就减轻了圆角部分的变形。可以使圆角部分危险断面的拉应力有不同程度的降低。直边的长度越长，直边对圆角的影响越强，极限变形程度的提高越显著。反之，直边越短，直边对圆角部分的影响越小。同样的拉深的高度越高，越容易拉裂。这些都证明拉深次數的判定与拉深的高度h、拉深件的圆角半径r、拉深件的直边长度有关。我们从现有的判定方法容易看出这些方法都只涉及了这三个因素中的任意两个。并没有把所有的因素全部考虑完全。很显然，这些方法有自己的局限性。

参考文献

[1]薛啟翔.冲压工艺与模具设计实例分析.机械工业出版社

[2]贺军涛.盒形件拉深的研究[D].吉林大学，2004

[3]齐卫东.简明冲压模具设计手册.北京理工大学出版社

[4]孙景芳.盒形零件一次拉深成形极限的研究.农业机械学报，1994年04期

[5]于连仲.确定高方盒形件拉深次数的图解法.锻压技术，1989年03期

[6]于连仲.高方盒形件多次拉深工艺过程的确定.锻压技术，1986年02期