一种大型薄壁碟形封头成形工艺优化

丁志杨，陈梁玉，赵坤民（合肥工业大学 工业与装备技术研究院，安徽 合肥 230009）

一种大型薄壁碟形封头成形工艺优化

丁志杨，陈梁玉，赵坤民
（合肥工业大学 工业与装备技术研究院，安徽 合肥 230009）

本文针对在实际生产大型薄壁碟形封头中遇到的成形缺陷问题，提出一种新的模具拉延筋设计方案，并利用非线性有限元软件Dynaform，采用大变形弹塑性有限元模型对06Cr19Ni10覬2380mm×5.6mm碟形封头进行了模拟计算，仿真结果表明了该模具拉延筋设计方案的有效性与实用性。

碟形封头；拉延筋；数值分析；Dynaform

封头作为压力容器的主要承压零部件，广泛应用于航空、航天、铁路、化工和核电等领域，具有加工技术条件要求高、制造工艺难度大、工艺复杂及生产周期长等特点。根据封头的具体应用，可分为高压容器封头和低压容器封头。对于不同种类的封头，其加工工艺有所不同。高压容器封头主要采用热锻加工工艺进行生产加工，低压容器封头则采用热压、旋压和冷拉深等多种工艺进行生产加工。随着封头的广泛应用，冷拉深工艺由于工艺简单、生产成本较低成为目前研究的焦点。

金淼[1]通过对大型薄壁封头拉深成形机理进行深入分析，指出内皱是大型封头拉深成型主要破坏形式，阐述了内皱产生机理和控制策略，提出正确设置拉延筋是整个工艺过程的关键，并结合大型封头拉深成形的特点，给出了拉延筋的设计原则。朱里红和韦洁[2]采用圆形拉延筋、矩形拉延筋和拉延槛优化了大型薄壁封头的成形工艺；利用有限元软件和正交试验设计确定出准3000mm×10mm的椭圆形封头拉延筋类型和参数，并采用多目标优化法得最优的拉延筋参数组合。RV Reddy[3]提出各种因素如压边力、凸模圆角半径、模具刃口半径和摩擦系数对拉深圆筒形件起皱的影响，对起皱萌生和增长机制进行了详细研究。

本文针对大型薄壁碟形封头在实际生产中遇到的成形缺陷问题，通过对常规分步拉深成形和引入拉延筋的一次拉深成形工艺进行分析研究，提出了一种新的拉延筋应用思路，利用Dynaform有限元软件，确定具体的拉延筋设计参数，从而解决实际生产中遇到的问题。

1 传统成形工艺

以实际生产中壁厚为5.6mm的碟形封头为研究对象，碟形封头具体尺寸参数如图1所示。

图1 碟形封头尺寸图

由于大型薄壁碟形封头的尺寸和径厚比很大，冷拉深成形的技术难度高。传统工艺通过组合模具的分步拉深来实现，一次成形过程中需要多次更换模具，增加了模具的更换时间和定位时间，生产效率低，生产成本高，在实际生产中不适合大规模应用。

随着拉延筋的应用，设置拉延筋或拉延槛的冲压模具可以实现封头的一次拉深成形，这种成形工艺提高了生产效率，节约了生产成本，便于大规模应用，如图2所示。

但是这种设置有拉延筋的模具，在覬2380mm×5.6mm的大型薄壁碟形封头生产中，出现了起皱严重、所需压边力过大等问题。

图2 一次拉深成形工艺示意图

2 成形工艺优化

针对上述实际问题，现提出一种新的模具拉延筋设计方案，如图3所示。

图3 拉延筋设计方案示意图

在冲压的初始阶段，内外拉延筋同时提供冲压成形的拉延阻力，随着冲压过程的进行，板料流过外拉延筋后在内拉延筋的单独作用下继续成形，直至冲压过程结束。在初始冲压阶段，双拉延筋提供较大的拉延阻力，能有效控制板料起皱和降低压边力。在后期冲压阶段，由单拉延筋提供较小的拉延阻力，能合理控制板料的流动，避免出现过度减薄。为了达到预期的结果，需要通过仿真实验确定合理的模具参数。

3 仿真试验及参数优化

3.1 有限元建模

对覬2380mm×5.6mm的碟形封头，坯料直径2380mm，厚度5.6mm，材料06Cr19Ni10，密度7.93× 103kg/m3，弹性模量199GPa，泊松比0.3，屈服强度205MPa，抗拉强度520MPa，伸长率40%。由于零件的对称性，取其1/4在有限元软件Dynaform中建立引入双拉延筋的冲压成形模型，如图4所示。上模、下模和压边圈设为刚体。模拟中摩擦系数为0.1，压边圈和上模下行速度为300mm/s。

图4 有限元仿真模型图

3.2 参数优化

拉延筋设计方案所涉及的下模具和压边圈主要参数如图5所示。

图5 拉延筋设计方案参数构成示意图

根据实际生产经验和简化模型的需要，主要考虑拉延槛的参数R1、D1、R2。同时，为简化仿真过程，拉延筋采用Dynaform有限元软件中的等效拉延筋代替，拉延阻力取为7000N，拉延筋法向力取拉延阻力的10%，定位于下模具边缘D2位置处。R3和D2分别取20mm、40mm。

为了比较各参数对成形质量的影响，主要考虑指标有最大减薄量、起皱程度和压边圈最大载荷。第一组仿真试验具体参数如表1所示。

表1 第一组优化试验参数取值

压边力设为400t，基于参数取值表，建立仿真模型，进行仿真试验，试验结果如图6所示。

考虑工艺要求，封头成形后壁厚最小值不能低于4.7mm，仿真结果中，虽然起皱得到了控制，但是减薄量过大，不能满足封头成形的工艺要求。分析可知，减薄过多的原因是下模具上拉延槛的拉延阻力过大，冲压过程中板料不能充分流动。如果再增大压边力或者增加第二拉延筋的拉延阻力，减薄量会更大。基于此，对第一组试验的参数取值进行修改，减小拉延槛的拉延阻力以改善减薄量过大问题。修改后得到第二组仿真试验具体参数如表2所示。

图6 第一组优化试验成形厚度分布图和成形极限图

表2 第二组优化试验参数取值

压边力设为400t，基于参数取值表，建立仿真模型，进行仿真试验，试验结果如图7所示。

图7 第二组优化试验成形厚度分布图和成形极限图

由图7可知，拉延槛参数修改后的模具减薄量得到一定的改善，但仍未达到工艺要求，所以需要进一步修改参数取值。接下来，从两方面进行考虑以实现预期要求。一方面，在第二组试验参数值的基础上，仅减小压边力，压边力为300t，其他参数保持不变，建立仿真模型，进行仿真试验，试验结果如图8所示。

图8 第三组优化试验成形厚度分布图和成形极限图

由仿真结果可知，减小压边力使减薄量得到进一步改善，但依然未达到工艺要求，同时，起皱趋势更为明显，所以仅改变压边力并不能得到符合工艺要求的封头成形方法。基于前述仿真结果，对第二组试验的参数取值进行修改，减小拉延槛的拉延阻力以改善减薄量过大问题。修改后得到第四组仿真试验具体参数如表3所示。

表3 第二组优化试验参数取值

压边力设为400t，基于参数取值表，建立仿真模型，进行仿真试验，试验结果如图9所示。

由仿真结果可知，第四组试验参数取值方案可以达到生产工艺要求，实现减薄量满足生产工艺要求的同时能有效控制起皱程度。

4 总结

图9 第四组优化试验成形厚度分布图和成形极限图

针对实际生产中大型薄壁碟形封头的成形缺陷问题，提出新的拉延筋设计方案，得到以下结论：

（1）拉延筋在大型薄壁碟形封头成形工艺中有重要作用，合理地利用拉延筋可以在保证成形质量的同时，降低压边力从而减小压机吨位。

（2）利用有限元软件对冲压成形过程进行仿真优化，确定具体的模具参数，降低了试验成本，同时对实际生产具有指导意义。

（3）第四组仿真试验结果表明，拉延筋设计方案具有可行性，但是参数的精确取值存在进一步优化的空间，可以对多个参数进行正交试验和多目标优化，找出最优解。

[1]金 淼.大型薄壁封头冷拉深工艺分析 [J].重型机械，2001，1 （3）：45-48.

[2] 朱里红，韦 洁.大型薄壁封头成形工艺优化[J].热加工工艺，2015，（11）：170-172.

[3] Reddy R V，Reddy D T A J，Reddy D G C M.Effect of Various Parameters on the Wrinkling In Deep Drawing Cylindrical Cups[J].International Journal of Engineering Trends&Technology，2012，3（1）：76-82.

[4]周 杰，罗 艳，王 珣，等.基于响应面的封头冲压成形工艺多目标优化[J].吉林大学学报：工学版，2016，（1）.

[5]张美平，王建锋，郭红霞.数值模拟技术在冲压封头上的应用研究[A].2011数字化制造论坛[C].2011.

[6]Kirby DS，Wild P M.Deep drawing of pressure vessel end closures：finite element simulation and validation[J].Journal of Materials Processing Technology，2000，103（2）：247-260.

[7] Wang H，Zhou J，Luo Y，et al.Forming of Ellipse Heads of Large-scale Austenitic Stainless Steel Pressure Vessel☆[J].Procedia Engineering，2014，81：837-842.

Optimization of forming process for one kind of large thin-wall dished head

DING Zhiyang,CHEN Liangyu,ZHAO Kunmin
（Institute of Industry and Equipment Technology，Hefei University of Technology，Hefei 230009,Anhui China）

Aiming at the forming defects during actual forming process of large thin-wall dished head,thenew kind of die draw bead design has been put forward in the text.By use of nonlinear finite element software Dynaform and large deformation elastic-plastic finite elementmodel,simulated calculation hasbeen conducted to the Ф2380mm×5.6mm dished head,which is made from 06Cr19Ni10.The simulation results show the effectiveness and practicability of the die draw bead design.

Dished head;Drawbead;Numerical analysis;Dynaform

TG386.32

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.02.019

1672-0121（2017）02-0062-04

2016-12-10；

2017-01-29

丁志杨（1990-），男，硕士在读。

E-mail：15256576093@163. com