通过数值模拟对半球形件拉深压边力进行优化

文/魏良庆，蔡友莉，乔旭安·重庆科创职业学院机电工程学院

通过数值模拟对半球形件拉深压边力进行优化

文/魏良庆，蔡友莉，乔旭安·重庆科创职业学院机电工程学院

针对半球形零件，利用有限元分析软件Dynaform研究了不同恒定压边力对拉深件成形质量的影响，确定了压边力的安全区域。

拉深件的成形质量受诸多因素的影响，包括拉深模具参数、板料的力学性能、压边力、成形温度、成形速度等。在拉深过程中，由于起皱和拉裂的影响，压边力是一个非常重要的工艺参数。在很多情况下，通常需要压边装置产生合适的压边力以防止工件出现上述质量问题。特别是对于复杂曲面零件，拉深时，板料处于悬空状态，所需要的压边力往往不是恒定的，如果拉深时采用恒定的压边力，零件很难成形，质量难以保证。因此，在这种情况下，采用变压边力拉深就显得非常必要。

本试验以半球形拉深件为例，采用有限元分析软件Dynaform对工件的成形性能进行了分析，研究了不同压边力控制曲线对工件成形质量的影响。

有限元模型的建立及参数设置

板料

本试验选用的仿真材料为低碳钢（DC 01），料厚1.0mm。DC 01的性能参数见表1。

表1 DC 01的性能参数

有限元模型

图1是用Dynaform软件建立的半球形件拉深有限元模型，它包括凸模、凹模、板料以及压边圈。凹模直径Dd=103mm、凹模圆角半径Rd=7mm、凸模直径Dp=100mm，板料毛坯直径D0=200mm、板料厚度t=1mm、拉深高度H=70mm、拉深速度ν=50mm/s、摩擦系数μ=0.125。

图1 有限元模型

设定恒定压边力时，通过经验公式计算出理论防皱临界压边力值为62kN。由此，分别对恒定压边力为40kN、45kN、62kN、125kN、130kN和140kN的半球形件进行拉深模拟，所得半球形件的最大增厚率、最大减薄率及成形质量见表2。从表2可以看出，压边力为140kN时，工件发生断裂，压边力为40kN时，工件产生严重的起皱。根据恒定压边力条件下的模拟结果，结合理论计算的值，选取压边力的安全变化区域为50～125kN。即压边力低于50kN时，起皱为限制成形的主要因素，压边力高于125kN时，断裂成为影响成形的主要因素。

在临界拉裂和临界起皱压边力安全变化区域确定的情况下，压边力控制曲线的形式对成形极限的影响可以通过选取6种类型的压边力控制曲线（即渐减式、先恒定后减式、开口向下的抛物线形、渐增式、先恒定后增式和开口向上的抛物线形）进行模拟，如图2所示。

图2 6种不同压边力控制曲线

结果与讨论

按照图2所示的6种控制曲线，采用变压边力代替恒定压边力，压边力取值范围为50～125kN，每一种压边力控制曲线下工件的增厚率、减薄率如图3所示。从图3可以看出，随着拉深过程的进行，凸模圆角部位和侧壁部位在拉深3s以后逐渐减薄，拉深4s以后凸缘部位的厚度逐渐增大，拉深8s以后，工件基本不再增厚，而减薄率仍在增大，这势必会影响到最终工件的质量。

图3 不同压边力控制曲线下的工件厚度变化情况

通过表3可以看出，采用曲线6（开口向上的抛物线形）在板料增厚和减薄方面都控制得较理想，半球形件的质量最好，厚度分布比较均匀，最大增厚率和减薄率分别为22.4%和12.2%，其成形极限图如图4所示。采用曲线2（先保持恒定后减式）半球形件的质量最差，最大增厚率和减薄率分别为32.2% 和12.9%。曲线5（先保持恒定后增式）虽然合理地控制了起皱现象，但最小壁厚的减薄率已经达到13.1%。

表3 6种压边力控制曲线的最大增厚率与减薄率

结束语

⑴在恒压边力作用时，存在一个压边力安全区域50～125kN，使得半球形件不发生起皱和拉裂。压边力低于50kN，起皱为限制成形性能的主要因素，高于125kN，减薄和断裂成为限制成形的主要因素。

⑵对于半球形拉深件，采用变压边力可以明显提高工件的成形质量。通过对比6种变压边力控制曲线对半球形件拉深的模拟结果可以发现：采用曲线6（开口向上的抛物线形），半球形件的质量最好，厚度分布比较均匀，最大增厚率和减薄率分别为22.4%和12.2%。

图4 采用曲线6控制方式下的拉深成形极限图