球形件反复拉深成形工艺有限元模拟及试验

骆俊廷　田保瑞　陈艺敏　张春祥

1.燕山大学先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室，秦皇岛，0660042.燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，秦皇岛，066004

球形件反复拉深成形工艺有限元模拟及试验

骆俊廷1,2田保瑞1陈艺敏1张春祥1

1.燕山大学先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室，秦皇岛，0660042.燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，秦皇岛，066004

提出了球形件反复拉深成形工艺，对该工艺进行了有限元模拟与试验验证。与一次拉深成形工艺进行了对比分析，结果表明：凹模圆角区与法兰区应力状态及大小基本相同，但在球底区，反复拉深时径向应力和周向应力都远小于一次拉深的应力，球底区径向应力和周向应力基本为压应力或很小的拉应力；反复拉深时球底区厚度方向应变明显减小，一次拉深、二次反复拉深、三次反复拉深成形的制品最薄点减薄率分别为0.189、0.122、0.049，三次反复拉深可实现近等壁厚制品的拉深成形。该工艺与筒底冷校形工艺相结合，可实现近等壁厚深筒形零件的拉深成形。

球形件；反复拉深；有限元模拟；近等壁厚成形

0　引言

板材特种冲压成形工艺的研究是冲压领域的主要发展方向之一。目前，研究开发较多的板材特种冲压成形工艺有板料软模成形工艺和柔性成形技术，如充液成形、黏性介质压力成形、固体颗粒介质和粉末介质成形以及多点反复成形等。但这些工艺由于各种特殊介质和装备的采用，都存在一些难以克服的缺点，如冲液成形和黏性介质压力成形尽管能适当提高成形极限，但大大限制了加热温度的提高[1-2]；固体颗粒介质和粉末介质拉深成形工艺虽然解决了加热温度的限制问题，但又造成了生产效率的大大降低，且成形制品壁厚会减薄与不均匀[3-4]；多点反复成形会产生压痕这一成形缺陷，影响成形件的外观和精度，同时还会产生阶梯效应[5-7]。

使材料进行反复变形，能提高变形区的硬化效果，有效抑制变形区在拉深成形过程中的过度减薄，从而提高板材的拉深成形极限[8]。球形件反复拉深成形工艺就是利用这一原理，它可以在实现板材厚度减薄量很小的条件下大大提高板材成形极限。该工艺与校形工艺相结合，可实现近等壁厚深筒形零件的拉深成形。本文在提出该工艺的基础上，对该工艺进行了有限元模拟，并进行了试验验证。

1　反复拉深成形工艺

球形件反复拉深成形工艺是在一次拉深成形工艺基础上，结合正反复合拉深和板材多点反复成形的优点，提出的一种新型的刚性模具拉深成形工艺。成形过程中通过控制上下两个刚性半球形凸模的协调运动实现进给，对坯料进行正反循环拉深。球形件二次反复拉深基本原理如图1所示。首先进行一次拉深，控制上凸模和下凸模同时向下进给h1，一次拉深结束；然后进行二次反拉深，下凸模和上凸模同时向上进给h2；重复上述过程，可交替循环进行反复拉深成形。

(a)初始状态　　(b)一次拉深(c)二次拉深图1　球形件二次反复拉深成形工艺原理图

2　有限元模拟

2.1有限元模型

1.上凹模　2.上凸模　3.坯料 4.下凹模　5.下凸模图2　球形件反复拉深有限元模型

用Marc软件对球形件一次直接拉深成形和反复拉深成形进行有限元模拟，所建模型为1/4轴对称模型，反复拉深模型如图2所示。其中坯料半径为42 mm，厚度为1.08 mm，上下凸模半径均为23.35 mm，上下凹模圆角半径均为6.5 mm。采用八节点六面体单元，共划分12 288个网格。材料为304不锈钢，经拉伸试验测得，材料的真应力-真应变曲线如图3所示，材料的弹性模量E=145.757 GPa，泊松比μ=0.3，摩擦因数f=0.1。

图3　304不锈钢真应力-真应变曲线

与球形件反复拉深成形模拟相比，一次拉深时网格划分、材料属性、边界条件均不变，只是没有下拉深凸模。一次拉深成形模拟时，凸模的运动曲线如图4所示，总时长为200 s；二次反复拉深成形模拟时，凸模的运动曲线如图5所示，总时长为400 s；三次反复拉深成形模拟时，凸模的运动曲线如图6所示，总时长为550 s。

图4　球形件一次拉深时凸模位移随时间变化

图5　球形件二次反复拉深时凸模位移随时间变化

图6　球形件三次反复拉深时凸模位移随时间变化

2.2模拟结果

2.2.1应力分析

图7和图8分别为一次拉深与二次反复拉深完成时径向应力和周向应力对比曲线。球形件一次拉深是拉深与胀形的组合，而反复拉深由于硬化作用，使得变形区随着反复拉深行程增加不断向法兰区移动，导致最终成形时应力分布与一次拉深明显不同。从图7和图8可以看出：与球形件一次拉深成形相比，凹模圆角区与法兰区应力状态基本相同，但在球底区，反复拉深时径向应力和周向应力都明显小于一次拉深时的径向应力和周向应力，球底区径向应力和周向应力基本为压应力或很小的拉应力，所以球底区减薄量很小或基本不减薄。球形件二次反复拉深完成时径向拉应力和周向拉应力最大值的产生位置与一次拉深成形不同而且不在同一位置，这有利于防止成形制品局部过度减薄和破裂缺陷的产生。

图7　球形件一次拉深与二次反复拉深完成时的径向应力

图8　球形件一次拉深与二次反复拉深完成时的周向应力

2.2.2厚向应变与壁厚分析

图9所示为球形件一次拉深、二次反复拉深、三次反复拉深三种工艺下厚向应变的分布曲线。图10所示为模拟得到的拉深成形制品各区域的壁厚分布曲线。由图9和图10可以看出，由于成形过程中应力状态的不同和坯料的硬化作用，反复拉深时球底区厚向应变明显减小，一次拉深、二次反复拉深、三次反复拉深成形的制品最薄点减薄率分别为0.189、0.122、0.049，三次反复拉深时，厚度方向应变很小，可充分证明反复拉深可以抑制坯料的减薄量，三次反复拉深时，可实现近等壁厚拉深成形。

图9　球形件三种工艺厚向应变

图10　三种工艺下成形零件壁厚比较

球形件一次拉深成形和三次反复拉深成形后的零件轮廓如图11所示，可以看出：三次反复拉深成形的零件减薄量明显比直接拉深的零件减薄量小，壁厚比较均匀。三次反复拉深成形零件的法兰边缘的剩余量明显比直接拉深的剩余量少，且反复拉深成形的零件球底部有微小突起，这是由于反复过程中球底区一直没有贴模造成的。

图11　一次拉深成形和三次反复拉深成形零件的轮廓比较

3　试验验证

球形件反复拉深成形模具的装配示意图见图12。坯料直径d=84 mm，半球形凸模直径为46.7 mm(拉深系数K=1.80)，总行程均为32 mm。为了与模拟最大限度地保持一致，一次拉深成形是直接拉深32 mm；二次拉深成形时先拉深16 mm，然后将零件取出翻转，再向下拉深48 mm；三次拉深成形时先拉深12 mm，然后将零件取出翻转，再反向拉深28 mm，然后再将零件翻转，再次反向拉深48 mm。

1.凸模　2.螺栓　3.螺母　4.平垫圈　5.导向板 6.凹模板　7.凹模固定板　8.下模座图12　成形试验模具图

(a)一次拉深　　 　(b)二次反复(c)三次反复图13　拉深成形的球形件

图13所示分别是经过一次拉深、二次反复拉深、三次反复拉深成形后的零件，可以发现二次反复拉深、三次反复拉深成形零件的球底部分均有一微小的突起，这与模拟结果一致。产生突起主要原因是一次拉深底部硬化，造成二次反复拉深过程中凸模与坯料在球底部分不能贴模。突起可以在筒形件后续筒底冷校形工艺中消除，不会对整体成形造成影响。

将三种不同成形工艺下成形的零件样品进行线切割从中间剖开，利用螺旋测微仪测量样品零件各个部分的厚度，测量点的位置选取坐标如图14所示。

图14　测量点位置选取坐标图

采用一次拉深、二次反复拉深、三次反复拉深三种不同的成形工艺，在同一行程下成形得到的样品零件厚度变化对比如图15所示。由图15可以看出，一次拉深、二次反复拉深、三次反复拉深成形的样品零件在球底区的壁厚减薄量依次减小，其中三次反复拉深成形的零件壁厚减薄量最小，近似等壁厚分布。试验结果与模拟结果完全一致。

图15　三种成形工艺下的球形零件壁厚分布

4　结论

(1)球形件反复拉深成形与一次拉深成形有限元模拟结果的比较表明：在球底区，反复拉深时径向应力和周向应力都明显小于一次拉深的径向应力和周向应力，球底区径向应力和周向应力基本为压应力或很小的拉应力；反复拉深时球底区厚向应变明显减小，三次反复拉深时，厚度方向应变很小，可实现近等壁厚拉深成形。

(2)采用试验模具对球形件反复拉深成形进行试验研究，结果表明：反复拉深成形的球形件壁厚减薄量更小，壁厚更加均匀，其中三次反复拉深成形的球形件近似等壁厚分布，与模拟结果完全一致。

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(编辑袁兴玲)

Finite Element Simulation and Experiments for Repetitive Deep Drawing of Spherical Parts

Luo Junting1,2Tian Baorui1Chen Yimin1Zhang Chunxiang1

1.Education Ministry Key Laboratory of Advanced Forging and Stamping Science and Technology,Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei，066004 2.State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei，066004

A new repetitive deep drawing forming of spherical parts was presented and finite element simulation and experiments were carried out. The stress state and values were almost equal in the flange area and in the circle-corners compared with once deep drawing forming, but in the ball bottom area the radial stresses and circumferential stresses were pressure stresses or small tensile stresses,which were much less than that in once deep drawing. The thinning strain of parts is reduced evidently in the ball bottom area for repetitive deep drawing. The thinning rate of forming parts in thinnest point for once deep drawing, 2-time deep drawing and 3-time deep drawing are as 0.189, 0.122, 0.049 respectively.The thinning strain is very small in the 3-time repetitive deep drawing, which realizes near equal-thickness wall forming. Combined with the bottom cold sizing technology, the technology can realize the forming of deep cup with uniform thickness.

spherical part; repetitive deep drawing; finite element simulation; near equal-thickness wall forming

2014-07-07

河北省自然科学基金资助项目

TG386DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.11.019

骆俊廷，男，1975年生。燕山大学机械工程学院教授、博士研究生导师。主要研究方向为精密成形工艺及仿真技术、难变形材料塑性加工技术。发表论文60余篇。田保瑞，男，1988年生。燕山大学机械工程学院硕士研究生。陈艺敏，女，1991年生。燕山大学机械工程学院硕士研究生。张春祥，男，1980年生。燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室助理研究员。