变速/变载下的拉深成形工艺实验及其成形规律研究

变速/变载下的拉深成形工艺实验及其成形规律研究

陈振强黄福天

（中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，黑龙江哈尔滨150066）

摘要：航空航天领域轻量化要求的不断提高，促进了轻质、高强度材料的应用。但是，由于这些材料的成形性能差、回弹不易控制等问题，导致冲压成形难度大。针对变速/变载成形提高板料成形性能的问题。提出成形载荷控制板料弯曲回弹的方法，建立了回弹预测模型。本文将应用上述结论指导变速/变载下的拉深实验工艺设计，深入研究变速/变载提高板料成形极限的规律，分析变速/变载提高板料成形极限的机理。

关键词：变速/变载；拉深成型；规律；研究

1.变速/变载拉深成形工艺实验

1.1材料的极限成形速度

为了深入理解变速拉深成形工艺，首先实验研究了材料的极限成形速度。采用不同的速度对板料拉深，拉深不发生破裂对应的最大成形速度即为板料的极限成形速度。零件从左至右对应的拉深比2.0、1.9、1.85、1.8和1.75。拉深比越小，板料的变形程度小，凸缘能顺利转化成筒壁，易于成形，因此，拉深比越小，材料的极限成形速度越大，；当拉深比较大时，板料凸缘处的变形程度大，如果应用较快的成形速度拉深，材料就来不及塑性变形，导致拉裂产生。总体来看，随拉深比降低材料的极限成形速度增大。

1.2恒速下的拉深

为了研究成形速度及其模式对板料拉深成形的影响，拉深采用恒速、阶梯变化速度和线性加速三种速度方式进行。压边力相同，采用依次增大的速度进行恒速拉深（忽略拉深结束时速度降低为零的减速过程），当拉深比为1.85，B340/590DP材料的极限拉深速度45mm/s。采用50mm/s的速度拉深时，拉深破裂。拉深速度不仅对板料的成形极限有影响，对零件的质量也有较大影响。从中可看出随成形速度的增大，零件在凸模圆角处的减薄量增大，壁厚分布不均匀，较低的成形速度有利于提高了零件壁厚的均匀性。

1.3阶梯变化速度模式下的拉深

拉深时板料在凸模作用下首先弯曲，然后经过反弯曲被校直为筒壁部分，在拉深的初始阶段有较大的塑性变形。为适合零件变形特点，速度设置为先低速拉深，进行充分的塑性变形，然后高速拉深以提高生产效率。阶梯变化速度模式表示为：V1（S1）/V2（S2），表示以速度值V1拉深深度S1，然后以速度值V2继续拉深深度S2,速度由V1转变到V2需在一定的行程内实现。

恒速拉深超过材料的极限成形速度时拉深破裂，采用合理的变速拉深，即使成形速度超过恒速拉深时材料的极限成形速度，拉深仍能顺利进行。拉深比1.85对应的极限成形速度为45mm/s，而采用阶梯变化速度模式，成形速度可达到60mm/s，拉深能顺利进行；拉深比1.9对应的极限成形速度为32mm/s，采用阶梯拉深速度，成形速度达到60mm/s拉深也能顺利进行。可见，合理的变速能提高材料的成形极限，合理的速度模式在提高成形效率的同时，也能很好的改善零件质量。

1.4线性加速下的拉深

采用初始速度5mm/s，并以tan30和tan45的斜率加速拉深，恒速30mm/s和线性加速的速度。拉深比1.85的拉深成形件，在三种速度模式下均能顺利成形。以tan30和tan45斜率线性加速，在拉深深度分别为45mm和24mm时，此时的成形速度增加到30mm/s，此两种速度模式和恒速30mm/s拉深的零件壁厚分布相近。

合理的速度模式在提高板料成形极限和零件壁厚均匀性的同时，也能够提高效率。恒低速拉深可以获得壁厚均匀的制品，但成形时间长，效率低。合理的变速有利于零件的成形和制品质量的提高，且生产效率高，大大缩短了成形时间。

2.速度影响板料成形极限的机理分析

拉深成形工序的虚功率方程表明，降低摩擦消耗的功率可以降低筒壁拉应力，提高板料的成形极限。变速/变载成形条件下板料和模具间的摩擦又受到速度和载荷的影响，因此，应用变速/变载下的摩擦实验结论，以塑性力学原理为基础，分析速度、载荷和摩擦协同影响板料成形性能的机理。B340/590DP和DP780材料的单向拉伸实验结果表明，在10-3S-1-10S-1应变速率范围内，材料的应力、应变符合幂指数函数关系，成形速度对材料的应力-应变关系影响不大。因此，变速/变载成形下，摩擦是影响板料成形极限的主要因素。拉深成形过程中，筒壁拉应力主要由塑性形变力、法兰处摩擦力和圆角处摩擦力三部分引起的。利用已研究的摩擦规律，分析筒壁拉应力随变速/变载成形条件的变化，研究变速/变载成形条件下的拉深成形规律。

根据摩擦实验结果，板料和模具一定的情况下，速度和法向载荷是影响摩擦的主要参数，法向载荷越大，摩擦力越大，筒壁拉应力越大，筒壁易拉裂。因此，在不引发起皱的情况下，法向载荷（压边力）越小越利于成形；另一方面，摩擦系数随相对滑动速度的增大呈线性增大，因此，滑块速度越大，法兰处的板料滑动速度越大，摩擦引起的筒壁拉应力越大；采用较大的初始速度拉深，摩擦会引起较大的筒壁拉应力，摩擦引起的筒壁拉应力和塑性形变引起的筒壁拉应力的合应力越大，板料易拉裂。如果拉深的开始阶段采用较小的拉深速度，可以有效降低摩擦引起的筒壁拉应力，拉深成形顺利进行，即使后续增大拉深速度，摩擦引起的筒壁拉应力的增大和塑性变形引起的筒壁拉应力的减小相抵消，只要它们的合应力小于材料的抗拉强度，拉深成形同样能顺利进行。

3.变速/变载下的成形极限

材料本身的机械性能（如屈服强度、抗拉强度等）和表面形貌、模具设计参数、法向载荷和成形速度是影响B340/590DP板料成形极限的重要参数。

述成形极限关系式具有两个方面的作用，一方面可以判断成形工艺设计是否合理，能准确判定成形速度、法向载荷等成形条件下的成形；另一方面，拉深比确定的情况下，上式可以确定出使拉深能顺利进行的最大初始拉深速度，能有效指导变速/变载工艺设计。

如LDR为1.9，单位法向载荷为1.5MPa，压边力为27205N，根据法向载荷和接触面积之间的关系式，得出真实接触面积为0.781173007mm2，计算出拉深不破裂的理论极限速度为36.01mm/s。实验测定的板料拉深不破裂的极限速度为32mm/s，理论计算值和实验值接近，表明建立的成形极限关系式能有效指导变速/变载下的工艺设计和成形极限的准确预测。

参考文献

[1]钟志华.薄板件冲压成形过程的计算机仿真[M].北京:北京理下大学出版社,1997.

[2]El-SebaieMG,MellorPB,Plasticinstabilityconditionsinthedeepdrawingofacircularblankofsheetmetal[J],InternationalJournalofMechanicalSciences,1972,14:535–542.

作者简介：陈振强（1990.11-），男，黑龙江哈尔滨市人，学士，研究方向：钣金冲压成型；

黄福天（1989.11—），男，黑龙江哈尔滨市，硕士，研究方向：冲压工艺。