王亞清

摘要：復(fù)雜鋁合金盒型拉深件，利用公式很難確定成形工藝路線和模具結(jié)構(gòu)，在成形過(guò)程中出現(xiàn)起皺和裂紋等質(zhì)量問(wèn)題，合格率很低，本文通過(guò)運(yùn)用PAM-STAMP軟件對(duì)零件進(jìn)行模擬，優(yōu)化工藝路線，提高產(chǎn)品的合格率。

關(guān)鍵詞：鈑金仿真軟件 工藝路線 質(zhì)量 模擬

一、引言

PAM-STAMP是專業(yè)的鈑金仿真軟件，能夠解決板料成形過(guò)程中的質(zhì)量問(wèn)題，金屬板料成形是一個(gè)復(fù)雜的彈塑性變形過(guò)程，對(duì)于復(fù)雜的板材零件，在變形過(guò)程中材料的塑性流動(dòng)更為復(fù)雜，用傳統(tǒng)的方法需要多次修改模具進(jìn)行工藝試驗(yàn)，摸索正確的模具結(jié)構(gòu)。下罩蓋屬于典型復(fù)雜盒形件，成形的技術(shù)難點(diǎn)有：

1如何解決板料在拉深成形時(shí)產(chǎn)生折疊及裂紋等缺陷;

2零件材料為1.3mm厚的鋁合金板材整體成形，加工難度非常大;

3零件形狀復(fù)雜，橫截面為不規(guī)則形狀，金屬流動(dòng)難以定量分析;

4傳力區(qū)及圓角區(qū)變形量大，易開(kāi)裂，難以一次成形。

二、零件的工藝性分析

零件材料為2A11的鋁合金板料，厚度1.3mm，屬?gòu)?fù)雜薄壁異形盒形零件，幾何形狀不規(guī)則，為多面體狀，沿蓋底有4處尖端凸起，形狀復(fù)雜，變形量較大。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)及結(jié)合自身現(xiàn)有的設(shè)備及生產(chǎn)條件，采用拉深成形的工藝方案。

由于鋁合金拉深性能較差，拉深中極易減薄，在成形過(guò)程中部分材料處于懸空狀態(tài)，容易產(chǎn)生褶皺和折疊;由于蓋體自身的不規(guī)則形狀，致使在拉深成形過(guò)程中的切向應(yīng)力σθ和切向應(yīng)變?chǔ)纽妊刂芟虻牟痪鶆蛐?，外緣材料向蓋底的流動(dòng)速度和方向的不規(guī)則。當(dāng)切向壓應(yīng)力超過(guò)材料的抗壓縮失穩(wěn)極限時(shí)，拉深成形便產(chǎn)生不均勻起皺，隨著拉深的繼續(xù)進(jìn)行，法蘭區(qū)材料切向收縮更為嚴(yán)重，皺紋增大;皺紋的產(chǎn)生又反過(guò)來(lái)阻礙了法蘭區(qū)金屬向傳力區(qū)、圓角區(qū)的流動(dòng)，因而增加了產(chǎn)生裂紋的危險(xiǎn)。綜上所述，需要采用拉深-拉深-校整的工藝方法。

三.工藝路線確定和模擬分析

3.1零件材料模型的建立

2A11屬于Al-Cu-Mg類硬鋁合金，屬于可熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金，是一種“比強(qiáng)度”高的結(jié)構(gòu)材料.在退火和熱狀態(tài)下，通常會(huì)有較高的塑性，在成形過(guò)程中進(jìn)行熱處理軟化，可提高材料塑性，從而使零件容易成形。

2A11（LY11）的化學(xué)成分如表1所示。

2A11（LY11）的物理性能如表2所示。

綜合上述的零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和材料特性，憑借以往的沖壓拉深經(jīng)驗(yàn)初步確定零件的成形工藝路線，但是由于零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在生產(chǎn)過(guò)程中存在質(zhì)量問(wèn)題如存在皺紋或裂紋等缺陷，產(chǎn)品合格率較低，需要多次試模和修改模具，進(jìn)行工藝試驗(yàn)，摸索正確的模具結(jié)構(gòu)來(lái)滿足零件的成形要求，研制周期較長(zhǎng)。運(yùn)用鈑金分析軟件在計(jì)算機(jī)上制定修改工藝參數(shù)，選擇合適的材料、應(yīng)力、應(yīng)變、模具間隙及分析成形起皺、拉深裂紋等產(chǎn)生的原因，模擬復(fù)雜沖壓成形過(guò)程，制定合理的工藝路線，為模具設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)，在計(jì)算機(jī)上仿真替代產(chǎn)品真實(shí)的研制過(guò)程，對(duì)于工藝參數(shù)的優(yōu)化及確定具有重要的指導(dǎo)性意義。

在有限元模擬過(guò)程中，模具相對(duì)于板料不發(fā)生變形，采用剛性有限元模型，而彈塑性模型在成形時(shí)同時(shí)考慮材料的彈性階段和塑性階段，相對(duì)于剛性模型更加符合板料變形的真實(shí)情況，因此板料采用各向異性的彈塑性有限元模型。具體如表3所示。

該零件材料為2A11，材料性能數(shù)據(jù)表4

根據(jù)材料的冪指數(shù)本構(gòu)方程σ=kεn，由表4可知，材料2A11的硬化指數(shù)較小，為0.195，材料的硬化指數(shù)小，抗起皺失穩(wěn)能力較弱;強(qiáng)度系數(shù)k對(duì)成形影響不大。另外，n值較小的鋁合金的延伸率也較小，根據(jù)材料成形極限可知，最大等效應(yīng)變?yōu)?n，說(shuō)明鋁合金材料成形潛力小，極易發(fā)生集中性失穩(wěn)（頸縮）直至出現(xiàn)裂紋。

3.2工藝路線的確定

3.2.1 坯料的計(jì)算

拉深件毛坯形狀及尺寸的確定，直接關(guān)系到拉深零件的產(chǎn)品質(zhì)量、拉深件的精度，由于零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難運(yùn)用理論公式進(jìn)行計(jì)算其展開(kāi)尺寸，應(yīng)用數(shù)值模擬軟件Pam-stamp反算展開(kāi)料求解零件的展開(kāi)料，它采用一步成形逆算法，計(jì)算速度很快，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)板料的初始形狀，計(jì)算結(jié)果較為精確。為保證拉深的效果，必須保證足夠的壓邊面積，但過(guò)大的壓邊面積會(huì)使法蘭區(qū)金屬流動(dòng)阻力增大，傳力區(qū)金屬得不到補(bǔ)充，材料過(guò)度減薄，導(dǎo)致不足以抵抗變形拉應(yīng)力，使得在凸模圓角區(qū)域發(fā)生強(qiáng)度破裂。所以根據(jù)計(jì)算出的毛坯尺寸結(jié)合實(shí)際值確定毛坯的最終尺寸。

由毛坯外形最大尺寸，初步給出毛坯尺寸為1.3mm×500mm×500mm正方毛料。通過(guò)計(jì)算得出的毛料尺寸進(jìn)行試?yán)?，?jīng)過(guò)多次試?yán)钤囼?yàn)，根據(jù)每次試驗(yàn)情況，對(duì)零件的毛料尺寸再進(jìn)行修正。根據(jù)成形前后表面積基本不變?cè)砑巴ㄟ^(guò)幾次試驗(yàn)，加上修邊量，最后確定零件的毛料尺寸為圓形毛料，直徑為φ410。

3.2.2 工藝路線的確定

該零件型面復(fù)雜為典型的盒形拉深件，拉深系數(shù)較小，超出零件的成形極限，通過(guò)計(jì)算拉深系數(shù)初步確定該零件需要兩次拉深成形，盒形件拉深過(guò)程中，毛料所受應(yīng)力和應(yīng)變沿周邊不均勻分布，其不均勻程度按相對(duì)高度H/L及角部相對(duì)圓角半徑R/L的大小而變化。這兩個(gè)比值決定了圓角部分材料向側(cè)壁轉(zhuǎn)移的程度及側(cè)壁高度的增補(bǔ)量。（H-零件高度，L-矩形件的短邊寬度）

通過(guò)H/L與R/L×2.7+0.4的值相比較，如果H/L ≤R/L×2.7+0.4，那么可以進(jìn)行一次拉深，代入公式H/L（H=134/248.1= 0.5401）≤R/L×2.7+0.4即（3/248.1） ×2.7+0.4=0.4496），數(shù)值表明該盒形件不可以進(jìn)行一次拉深;而h/d=134/246=0.5401≤0.7-0.8屬于角部具有小圓角半徑的較高盒形件，此類零件的相對(duì)半徑較小，底部容易破裂，需2次拉深。

經(jīng)過(guò)計(jì)算和對(duì)材料性能的分析、確定零件的成形工藝路線為二次拉深成形，第一次將所有的轉(zhuǎn)接R加大，將零件的形面進(jìn)行圓滑過(guò)渡，保證拉深成形的高度，同時(shí)減少拉深過(guò)程的阻力，防止零件裂紋。第二次成形零件的最終高度，主要是壓縮成形，讓初成形的零件進(jìn)行貼模，同時(shí)防止多余材料的存在產(chǎn)生皺紋，兩次拉深的高度尺寸和模具的轉(zhuǎn)接R大小直接影響到零件的成形質(zhì)量，運(yùn)用鈑金仿真軟件對(duì)零件的拉深工藝路線進(jìn)行精確模擬，解決零件成形過(guò)程中的一系列質(zhì)量問(wèn)題。

3.3 成形過(guò)程模擬

工藝路線確定以后，采用PAM-AUTOSTAMP模塊對(duì)零件進(jìn)行精確模擬，該模塊充分考慮了成形過(guò)程中的速度、溫度、表面摩擦、壓料力、沖床剛度等各種因素的影響，對(duì)預(yù)測(cè)成形過(guò)程中的材料流動(dòng)、起皺、破裂和拉深成形等具有非常高的精度。在模擬之前建立PAM-STAMP的三維數(shù)模通常包括：凸模、凹模、壓邊圈和板料，將零件的幾何信息輸入到數(shù)值模擬軟件PAM-STAMP中，以導(dǎo)入的型面作為凹模。為保證模具的幾何形狀，在模具的圓角尖角部分劃分相對(duì)細(xì)密的網(wǎng)格，以保證成形過(guò)程中板料對(duì)模具具有良好的貼模性，成形過(guò)程采用的工藝參數(shù)為：工具和板料之間的摩擦系數(shù)為0.08，相當(dāng)于潤(rùn)滑劑的條件，工具和板料直接接觸。

對(duì)零件成形的質(zhì)量進(jìn)行模擬，采用了單動(dòng)有壓邊圈的精確成形模擬，通過(guò)第一次拉深的模擬可以看出零件的法蘭邊區(qū)域增厚約0.08mm，并有起皺的趨勢(shì)，這是由于材料切向收縮，εθ<0，根據(jù)體積不變?cè)?，材料在法蘭區(qū)域εt+εθ+εd=0，則厚向應(yīng)變?chǔ)舤>0。因而，在實(shí)際加工過(guò)程中需要增加壓邊力，防止零件起皺。

四、拉深成形模具的設(shè)計(jì)：

拉深模具的凸模、凹模結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)的合理與否，不但關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量，而且直接影響拉深變形程度。通過(guò)模擬分析，二次拉深成形能夠滿足零件的加工要求，第一次和第二次拉深成形模均采取倒裝形式，配以導(dǎo)柱、導(dǎo)套精確定位，避免由于間隙偏差，造成間隙大面起皺，間隙小面拉裂現(xiàn)象。為了消除拉深時(shí)材料無(wú)約束流入陰模產(chǎn)生起皺發(fā)生，因而選用帶有壓邊圈的形式的模具結(jié)構(gòu)。為便于零件拉深成形，在各次拉深成形中合理選用大R值，使零件拉深時(shí)材料便于流動(dòng)，為便于零件拉深后脫模，沖模設(shè)計(jì)帶有打料器、退件器等機(jī)構(gòu)。

五、拉深成形過(guò)程中的問(wèn)題及解決措施

該零件的拉深成形是在400T油壓機(jī)上進(jìn)行，拉深后材料成形裂紋出現(xiàn)在筒壁與底部轉(zhuǎn)角稍上的地方，該處需要轉(zhuǎn)移的材料較少，變形程度小，硬化程度低，經(jīng)過(guò)分析造成裂紋的原因有兩方面：壓邊力過(guò)大，圓角區(qū)域材料得不到有效補(bǔ)充，需減小壓邊力及增加潤(rùn)滑措施減少模具和材料之間的摩擦。模具凹模圓角R部不光滑，需進(jìn)行拋光處理。經(jīng)過(guò)數(shù)次改進(jìn)后，裂紋消失。

由于壓邊力減小導(dǎo)致零件表面存在褶皺現(xiàn)象，結(jié)合模擬和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果確定影響零件質(zhì)量的關(guān)鍵因素為壓邊力的大小，根據(jù)計(jì)算理論的壓邊力為300-450KN，當(dāng)壓邊力為450KN時(shí)，零件內(nèi)部存在破裂現(xiàn)象，隨著壓邊力的降低，內(nèi)部破裂有所減少，但是壓邊圈部分的金屬起皺現(xiàn)象隨著壓邊力的降低愈加嚴(yán)重，通過(guò)調(diào)整模具圓角半徑和潤(rùn)滑，改善零件的成形接觸條件，保證了零件的成形要求。

六、結(jié)論

金屬板料成形是一個(gè)復(fù)雜的彈塑性變形過(guò)程，本文采用有限元數(shù)值模擬和工藝試驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法，取得以下結(jié)論：

1通過(guò)數(shù)值分析軟件PAM-STAMP的INVERSE模塊反算材料的展開(kāi)料形狀，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的反復(fù)修邊，成形零件的效果較好。

2利用成形極限圖對(duì)材料拉深成形過(guò)程中的材料裂紋、起皺等缺陷分析，調(diào)整工藝路線、模具結(jié)構(gòu)、坯料展開(kāi)料形狀等。

3通過(guò)鈑金仿真軟件復(fù)雜盒形件成形過(guò)程中的運(yùn)用，總結(jié)復(fù)雜形狀鋁板成形的工藝難點(diǎn)，并將試驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用到實(shí)際加工中，克服薄板成形中出現(xiàn)的褶皺、裂紋現(xiàn)象。