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摘要：借助有限元分析單工序拉深錐殼時(shí)的成形特點(diǎn)，確定了拉深系數(shù)及其極限值的概念，推薦了計(jì)算數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：單工序拉深；錐殼；拉深系數(shù)；計(jì)算數(shù)據(jù)

一、前言

單工序拉深薄壁錐殼時(shí)，金屬變形過程有某些特點(diǎn)，且在評(píng)定拉深的可能性時(shí)存在一定難度。此外，毛坯直徑與錐殼直徑之比值作為拉深系數(shù)和其極限值無嚴(yán)格確定的概念。并且，單工序成形的極限性數(shù)據(jù)缺乏充足理由。因此，在調(diào)整工藝時(shí)，常導(dǎo)致不正確的變?yōu)閮傻拦ば虺尚危�且表面出現(xiàn)波紋度，壁厚分布不均，制件成本提高。

二、單工序拉深錐殼的特點(diǎn)

為了揭示單工序拉深錐殼的特點(diǎn)，評(píng)定其極限變形，利用了薄殼成形的有限元計(jì)算系統(tǒng)。

假設(shè)錐殼的成形是用球形(圖1a)或平環(huán)形(圖1b)工作表面的凸模進(jìn)行，則未與凸模接觸的錐殼部分母線HM，在整個(gè)過程間不是直線，而沿母線HM的曲率變化呈圖2所示形狀。這部分錐殼的變形特征大都決定著過程的極限可能性和被獲得制件的質(zhì)量。

圖1

沿母線OK的變形(見圖1)呈不均勻分布，并且在過程進(jìn)行中這不均勻性將逐漸增大。沿厚度的應(yīng)變?chǔ)舎愈來愈局限于錐殼與凸模的接觸區(qū)，并且其最大值點(diǎn)從O點(diǎn)向H點(diǎn)移動(dòng)。在確定的受載(變形)步距時(shí)，局部區(qū)內(nèi)的應(yīng)變?chǔ)舎→∞，而這時(shí)在局部區(qū)外εh→0。在這受載步距上的錐殼形狀為極限形狀。

作為拉深系數(shù)K取毛坯直徑D坯與凹模直徑d凹之比值。其極限值K極＝(D坯／d凹)極將符合局部應(yīng)變區(qū)的εh→∞。

在拉深錐殼的真實(shí)條件下，凸模工作表面不同于計(jì)算中采用的表面。它有與HK點(diǎn)內(nèi)的球形段或環(huán)形段連接的圓錐段(圖2)。用這種凸模成形錐殼的過程不同于在終了階段計(jì)算圖中采用的凸模。這時(shí)，H點(diǎn)向O點(diǎn)方向移動(dòng)，并占據(jù)HK點(diǎn)位置。HK點(diǎn)是圓弧半徑R凸+S／2與直線HKMK的連接點(diǎn)。按兩個(gè)階段圖計(jì)算，顯然難度更大。試驗(yàn)這種計(jì)算方案表明，獲得的錐殼極限深度將大5%～10%。

圖2

保證凸緣制動(dòng)的壓邊力，應(yīng)足以克服在錐殼接觸區(qū)外形成波紋，并且不允許在成形終了時(shí)凸緣在壓邊圈下完全拉深。凸緣在壓邊圈下最佳制動(dòng)的這些要求必須遵守，就是為了獲得高質(zhì)量的制件邊緣。但是，目前在參考文獻(xiàn)中尚無拉深錐殼時(shí)選擇壓邊力的推薦。為了完成上述要求，在計(jì)算中這樣變化壓邊力，即在整個(gè)接觸區(qū)外的圓周應(yīng)力取正號(hào)。這樣，不考慮錐殼的穩(wěn)定性隨其相對(duì)厚度的增大而增加。然而，在被采用的相對(duì)厚度范圍內(nèi)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的離散不大。

計(jì)算表明，在拉深錐殼時(shí)凸緣在壓邊圈下必須有較大的制動(dòng)力。這樣，錐殼的表面積應(yīng)較顯著的增大。這在確定毛坯尺寸時(shí)應(yīng)于考慮。

三、計(jì)算數(shù)據(jù)推薦

為將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作對(duì)比，在計(jì)算時(shí)采用的某些原始參數(shù)與實(shí)驗(yàn)時(shí)的相同。

毛坯材料為08F鋼，板厚0.73mm。硬化曲線是按試樣在單軸拉伸時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，用下式近似計(jì)算的(試樣是從實(shí)驗(yàn)用板料上切下的)：

σ＝534(0.0102+ε^0.237)

按與軋制軸線成0°、45°和90°切下的試樣，其各向異性系數(shù)的平均值為：

R＝(R0+2R45+R90)／4＝1.25

摩擦系數(shù)值μ：在錐殼與凸模接觸區(qū)μ＝0.21，在壓邊圈下μ＝0.16。

表1和表2分別為用球形凸模和平環(huán)形凸模拉深時(shí)d凹／d凸、R凹／S0和R凸／S0(S0—毛坯厚度)對(duì)極限拉深程度K極的關(guān)系數(shù)據(jù)。

表1球形凸模拉深時(shí)，K極與R凹／S0和d凹／d凸的關(guān)系

表2環(huán)形凸模拉深時(shí)，K極與R凸／S0和d凹／d凸的關(guān)系

圖3為錐殼表面積的增量ΔF(對(duì)原始毛坯面積的%)與d凹／d凸、R凹／S0和R凸／S0的關(guān)系曲線圖(K＝K極)，1，2，3，4，5——R凹／S0＝R凸／S0＝4.11，6.85，9.59，12.33，15.07，圖3a和圖3b分別為用球形凸模和錐形凸模拉深時(shí)。

圖3

圖4為極限相對(duì)深度h/d凹與d凹／d凸、R凹／S0和R凸／S0的關(guān)系曲線圖(K＝K極)，圖4a和圖4b分別為用球形凸模和平環(huán)形凸模拉深時(shí)，1，2，3，4，5同圖3。

圖4

四、結(jié)論

(1)借助有限元分析單工序拉深時(shí)的錐殼成形，確定了過程的工藝性和保證制件所需質(zhì)量指標(biāo)的要求。

(2)拉深系數(shù)必須取毛坯直徑與凹模直徑之比值。其極限值與錐殼的幾何參數(shù)關(guān)系甚大。

參考文獻(xiàn)
［1］ A.Д．МАТВЕЕВ等.Особенности формообразования при вытяжке Коницеских оболочек.К.Ш.П．，1997(10)：16～18
［2］杜東福，荀文熙編.冷沖壓模具設(shè)計(jì).長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1985鍛壓技術(shù)1999年第2期 (end)

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