基于数值模拟的不锈钢半弯管组合拉深成形技术研究

　　[摘 要]起皱、破裂、压偏、回弹一直是板制半弯管单件拉深难以攻克的成形缺陷；受管径、转弯半径、转弯夹角、模具精度、毛料形状等因数影响，往往多个相互矛盾的成形缺陷共存。目前半弯管单件拉深主要由于内、外侧展开毛料面积差异以及内侧边毛料连接效应；一般情况变形方式为管口外侧两端向内侧转移，受内、外侧曲率差异影响难以预测内侧中部区域发生起皱或破裂；本文针对小转弯半径不锈钢半弯管的成形难点，借助数值模拟分析优化工艺参数，实现了半弯管高质量组合拉深成形。
　　[关键词]半弯管、组合拉深成形、数值模拟。
　　中图分类号：S283 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）24-0065-01
　　1 引言
　　板制半弯管拉深成形涉及接触摩擦状况的大塑性变形力学过程，受法兰区接触面积差异以及受力不均压偏等因素带来影响，其成形起皱、破裂等缺陷预测难度极高。目前主要依据经验粗略判断，带有很强的主观性，往往采取试错纠正工艺参数法，在新研阶段投入成本高、周期长、风险大。随着有限元法模拟技术计算精度不断提高，在复杂钣金件成形中已得到重视，有效解决了工艺设计过程面临的成形缺陷预防与消除难题。
　　2 半弯管单件拉深难点
　　半弯管材料为00Cr18Ni10N，冷轧固溶状态，厚度0.8mm，半径49.2mm、内转弯半径65mm、拐角90度。其制造难点体现如下：一是半弯管单件拉深毛料内外两侧与压边圈接触面积不同，受力不平衡容易压偏（如图3）；二是为了克服压偏需要留较大成形余料，尤其高压边力且外侧余料过大时，材料向内侧转移补充阻力大，容易出现内侧根部破裂（如图2）；三是减少压边力成形时，材料向内侧转移补充过快，容易出现内侧上部起皱（如图1）；四是为了减少起皱，一般采取在图2所示端头留一定余料包边胀形变形方式防皱，包边余料大小控制不当容易产生图1、图2缺陷；五是包边胀形方式防皱压边力不能太高，外侧收边塑性变形不充分容易起皱且回弹较大。因此一般采取较大展开毛料成形，操作过程根据经验需要多次停顿渐进成形、修边缓裂、人工除皱等措施；生产效率、成品率低、对人员技能要求高。
　　3 工艺方案设计
　　3.1 组合模具结构设计
　　半弯管单件拉深成形时由于两侧的不对称性受力不均匀，外侧收边容易起皱而内测放边容易开裂，且内、外侧压边面积不等容易压偏。采用图4左右件组合为S形状的半弯管成形主要优点如下：一是收边、放边变形相互补偿，多料区可以向缺料区作补充转移，同时缓解放边开裂与收边起皱问题；二是S形状组合后两边展开面积相等可自动防压偏，有利最大限度减少法兰区域余量；三是减少余量可降低收边、放边系数，有利进一部增加法兰区阻力，用于提高沿直径切向拉力降低回弹。
　　3.2 展开毛料设计
　　展开毛料设计合理与否对拉深质量、成品率，起到决定性作用；一般情况下小曲率半弯管展开毛料可以先按照成形前后弧长与展开长度相等原则估算，再在内侧增加大于外侧余量即可。按上述原则展开毛料应当为近似S形状；本次研究半弯管为实际生产中成形难度极限，实际上由于转弯曲率大，考虑毛料变形补偿，所需毛料与S形状完全不符，精确计算难度很大。为了降低难度，借助数字模软件，初步估算后根据如图5所示毛料边缘流动量结合成形需要，采取多去少补方法即可得出如图6所示形状优化展开毛料。最后将图6形状展开毛料的外形线雕刻到压边圈上，可避免放料位置不正确而导致模拟与实际操作出现较大偏差。
　　4 试模验证模拟结果
　　经过多次模拟其理想效果如图7、图8。由图7成形极限图可以看出管壁大部分区域处于SAFE区域，且处于RISKOFCRACK线以下部分，证明变形安全系数较高，且沿管径切向产生了塑性变形，有利于减少回弹。由图8厚度云图中数字可以计算出材料最大变薄率、增厚率分别约15.8%、4.5%，优于行业成形规范允许极限值30%，10%，仅从图7、图8模拟结果足以证明半弯管组合拉深方案设计合理。按照上述模拟工艺参数试验效果如图9，实现了一次精确拉深成功。对比图7与图9，图7中管壁SAFE区域在图9中表面光滑，图7法兰边起皱区与图9基本一致；经切割后检测与图8厚度分布云图对比，厚度误差率可控制在4%以内。经过试验表明模拟与实际试验结果基本相符，其误差主要由模具制造精度及板料厚度误差等引起，但仍可满足实际生产要求。
　　5 结束语
　　半弯管S形状组合为提高板料变形安全系数创造了有利條件；其优势于：①采用收边、放边变形相互补偿的受力方式，可同时缓解放边破裂、收边起皱难题；②S形状的组合可以确保两侧展开毛料面积相等，防止受力压偏，减少成形毛料，提高形变安全系数；③可以再进一部提高塑性变形拉深力，减少回弹。研究过程借助数值模拟技术，有效解决了工艺设计过程面临的成形缺陷预防与消除难题。既验证了工艺方案设计的合理性；又实现毛料形状等工艺参数优化配合；确保拉深材料流动、转移过程可控性。
　　参考文献
　　[1] 《冷冲压成形工艺与模具设计制造》西北工业大学出版社李寿萱主编
　　[2] 《航空制造工程手册·飞机钣金工艺》航空工业出版社《航空制造工程手册》总编委会主编
　　[3] 《冲压工艺学》西北工业大学出版社吴诗淳何声健编著
　　[4] 《板料成形CAE设计及应用》北京航空航天大学出版社王秀风郎利辉主编
　　作者简介
　　倪兴屹（1980-09）男，贵州瓮安县，职称：高级工程师，学历：本科，主要研究方向：钣金成型。

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