不锈钢筒形件充液拉深的壁厚影响因素分析

邰阿媛

(安徽冶金科技职业学院　安徽马鞍山　243041)



不锈钢筒形件充液拉深的壁厚影响因素分析

邰阿媛

(安徽冶金科技职业学院安徽马鞍山243041)

摘要：将温充液拉深和拉深孔技术相结合，采用数值模拟方法对不锈钢成形过程模拟，分析了液池溢流压力与预胀初始压力等工艺条件对成型筒形件壁厚的影响规律，得到了筒形件温充液拉深的优化工艺参数。

关键词：充液拉深；溢流压力；预胀加载；壁厚；数值模拟

将具有一定压力的液体替代刚性的凹模以传递载荷，在此作用下，板料紧贴凸模实现金属板材的塑性成形即为充液拉深技术[1]-[3]。相较于传统拉深，充液拉深具有有效抑制破裂、克服拉延不足、获得较高尺寸精度和提高成形极限等优点[4]-[6]。但仅靠增加液池压力来提高低塑性、大高径比材料零部件的成形极限是很有限的，所以为了进一步提高成形极限，国内外学者深入研究充液拉深技术，提出了很多改进方法。采用将液压成形与板料温热成形技术结合的方式，提出板料温充液拉深技术，将材料的温热性能与充液拉深的技术的优势相结合，能更好的提高板料成形性能[7]-[9]。

有的学者对液池压力及压边力做了优化，提出了变压边力充液拉深技术，其目的都是为了进一步发挥材料成形潜力，提高极限拉深比。由于整体压边力满足不了实际生产要求，有的学者着手对变压边力技术的研究，发展出多点位控制压边技术[10]-[12]。但是对多点位控制压边技术的研究是在多功用控制压力机上进行的，需十几个辅助油缸专门作压边用，价格非常昂贵，并且压边过程的工作状态不够稳定。李赞提出了拉深孔工艺，采用在凹模和压扁圈上加工拉深孔的简单工艺措施来进一步降低压边阻力，取得了进一步提高板料成形性能的效果[13]。

本文将板料温充液拉深和拉深孔技术相结合，研究0Cr18Ni9不锈钢板料筒形件拉深过程，探讨0Cr18Ni9不锈钢板料在充液拉深成形过程中液池溢流压力和初始压力等工艺参数对筒形件侧壁厚度的影响。

1　数值模拟分析模型的建立

带有拉深孔的板料温热充液拉深模具，在压边圈和凹模上加工盲孔，其小且浅且按一定规律分布，圆孔的直径为2.5mm，深度在2.0mm-5.0mm之间，孔的顶端与凹模台面的圆弧过渡，其半径为0.5mm，孔的中心线距离均大于5mm，且均匀错开，上下2个孔的中心不应位于同一经线上[9]、[14]。在有限元模型中由于软件的限制，在压边圈、凹模的模型面上切去若干的矩形网格以近似地模拟拉深孔。建立的有限元模型如图 1所示。对筒形件的拉深成型过程具有对称性，因此，模拟时可以选取模型的1/4，将模具设置为刚性体，相关参数见表1。凸模和板料间的摩擦条件选用剪切摩擦，其系数设定为0.15，将凹模、板料之间的摩擦系数定为0.02，同时，板料与压料板之间的摩擦系数设定为0.02。采用实体壳单元对板料毛坯划分，其材质在材料库内选用SUS304不锈钢，板料厚度尺寸为1mm。数值模拟分析模型见图2。凸模的初始温度为40℃，而压料板、凹模的初始温度为220℃，板料的初始温度设定为50℃。凸模在第1秒内处于静止状态以预热压料板和压边圈，成型在第1秒末结束后凸模以15mm/s的速度往下移行。热对流为板料与环境之间的换热方式，设置换热系数为0.03，板料与工具的接触传导系数均设为6。

表1　模具几何尺寸

图1　有限元模型

2　模拟结果与分析

2.1液池溢流压力对充液拉深壁厚的影响

凸模在下行的过程中，由于溢流阀背压作用产生的液池压力，不锈钢板料被紧紧的贴着凸模，在与凸模之间形成“摩擦保持效应”，有利于拉深成型。确立合适的液池压力，是关系到充液拉深能否成功的关键因素之一。

数值模拟试验采用20MPa、25MPa、30MPa、35MPa、40MPa、45MPa、50MPa、55MPa、60MPa、65MPa和70MPa等11组不同的恒定液池压力。图2 给出了不同液池压力条件下充液拉深筒形件的最薄厚度值的统计曲线。从图中可明显看出在液池压力为55MPa时，筒形件侧壁最薄处厚度值最大，为0.85mm，最大减薄率为14.2%，可推知：

图2　壁厚分布曲线

在此条件下，筒形件在成型筒壁过程中“摩擦保持效应” 显著，导致侧壁应变最小，厚度值最大，成型尺寸精度提高。

2.2预胀初始压力对充液拉深壁厚的影响

筒形件在充液拉深过程中，压料板与板料之间有良好的密封状态，板料被液池压力托起，在拉深开始模具闭合后，在凸模往下行程的初始阶段，向液池内注油并加压使液池内液体建立起一定的预胀压力，该压力使凹模圆角和凸模圆角处的板料预先产生一定应变，能改善充液拉深初期的破裂和起皱等不均匀变形，降低凸模圆角处的应力，有助于拉深的进行[14]、[15]。因此，建立合适的预胀压力，对筒形件拉深成形过程中得到较大的侧壁厚度值，降低破裂的可能性，保证拉深变形的均匀性，有着重要的作用。

分别选用不同的预胀压力，0MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20MPa和25MPa，液池压力加载曲线如图3所示。不同的预胀压力条件下液池压力的加载路径相对于时间来说完全一样，凸模在1秒内静止，此时压边圈及凹模给板料加热，压力稳定不变；1秒末，凸模在不同的初始压力时开始下行，液池压力随之缓慢增加；1.6秒时，不同速度加载的预胀压力均增长至55MPa，然后稳定不变，直至拉深结束。此外，还给出了两组对照试验的液压加载曲线：7号是自然增压的加载曲线，在试验开始时从0MPa持续增压1.6秒至55MPa后恒定不变，直至拉深结束；8号则是初始为0MPa至1.6秒时直接加压至55MPa，实则未采用预胀方式对筒形件进行拉深成形。

图3　液压加载曲线

将1号、2号、7号和8号等4种采用不同加载方式进行充液拉深的筒形件壁厚曲线进行比较，如图4所示。8号加载方式(未采用预胀)所拉深筒形件壁厚明显较1号、2号和7号要薄，最薄壁厚为0.84mm，而1号、2号与7号加载方式所拉深筒形件壁厚数据较为接近，在0.86mm左右，但较8号显著要大。因而，可断定：采用预胀方式进行充液拉深的筒形件壁厚明显较未采用预胀方式的要厚，厚度更为均匀，有利于拉深成型性能的提高。

图4　成形件壁厚分布曲线

图5是1至6号加载方式所对应的筒形件侧壁厚度最小值的统计曲线。从图中可看出，随着初始压力的增加，筒形件侧壁厚度先增加，然后迅速降低，因此，在充液拉深过程中，液池的初始压力存在最优值：液池初始压力在15MPa时，侧壁厚度最小值是最大的，其值为0.86mm，最大减薄率为13.8%。其主要原因在于：在拉深成型之前，液池内的初始压力导致板料反胀而形成凸起，继而，凸模在之后的向下移行过程中，在液体压力作用下凸起部分的板料与凸模逐步接触、贴模，在压料板入口圆角处，先期形成的凸起结构具有传统拉深工艺拉深筋的类似效果，变形区的应力状态有效地得以改善，显著地降低板料周向压力，板料起皱趋势大幅度减弱，从而拉深压边力明显降低，筒壁的承载区拉力相应地降低。

当液池初始压力在25MPa时，侧壁厚度最小值是几种条件下最小的，其值为0.86mm。分析其原因：预胀压力过大使得板料产生的凸起过量，导致较大的减薄量出现在板料拉深之前，此后，凸模在向下移行时产生的严重弯曲和反弯曲效应使得板料在凸模的圆角部位产生显著的局部塑性变形，其减薄量随之继续增加，从而导致了最差拉深条件的出现。

倘若预胀压力过小，压料板入口部位的板料难以获得类似拉深筋作用的凸起变形，板料和凹模底部并非逐步贴模，而是同时接触，导致在凸模底部的板料变形不充分，而凸模底部圆角部位的板料初始变形就已经形成明显的应力集中效应，产生了较大的拉伸应力，此处的板料减薄量进一步加大，此种情况在液池初始压力为0时得到了呈现，见图5。

图5　壁厚分布曲线

3　结论

通过对0Cr18Ni9不锈钢筒形件温充液拉深的成型过程进行数值模拟，分析和讨论了液池溢流压力和预胀加载对侧壁厚度的影响，得到以下结论：

(1)液池的溢流压力为55MPa时，筒形件侧壁最薄处厚度值最大，其值为0.85mm，减薄率为14.2%，有利于制品尺寸精度的控制和拉深成形的进行。

(2)相对于传统拉深工艺，充液拉深是显著提升板料成形性能的塑性成形方式。液池预胀加载对于保持制品壁厚存在最优值：液池初始压力在15MPa时，筒形件侧壁最薄处厚度值最大，为0.86mm，最大减薄率为13.8%。

参 考 文 献

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收稿日期：2015-01-23；改回日期：2016-01-26

作者简介：邰阿媛(1989-)，女，安徽冶金科技职业学院冶金系，教师，安徽工业大学材料成型专业，工程硕士。

中图分类号：TG113.26

文献标识码：A

文章编号：1672-9994(2016)01-0010-04

Research on Influencing Factors about Wall Thickness of Stainless Steel Cylindrical Parts by Hydrodynamic Deep Drawing

TAI A-yuan

Abstract：This article combines warm hydrodynamic deep drawing to drawing-hole forming technology, researched the forming process of stainless steel by numerical simulation, by analyzing the influence rule of overflow pressure, pre-expansion pressure on wall thickness of cylindrical forming parts, got the process optimization parameters about warm hydrodynamic deep drawing of cylindrical parts.

Key words：hydrodynamic deep drawing；overflow pressure；pre-expansion load；wall thickness；numerical simulation