CN116765223A - 一种大型槽台一体化复杂金属薄壁件刚柔复合成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种大型槽台一体化复杂金属薄壁件刚柔复合成形方法，其特征在于，包括以下步骤：选取金属板料，利用拉伸试验机测得有限元模拟所需的力学性能参数及应力应变曲线，建立起该板料的有限元材料模型；根据零件的二维模具图纸建立其三维模型然后将其导入至有限元分析软件DYNAFORM中；根据零件特点设计合适的成形路线；通过DYNAFORM进行充液预成形模拟；对步骤(5)的半成品进行刚性拉深成形模拟，得到成形模拟结果；通过比较不同的模拟结果，选取最好的模拟结果，得到最优的拉深工艺。本发明采用刚柔复合成形的方法，充分发挥两种成形方法的优势，降低生产成本。同时利用有限元分析软件进行数值仿真，大幅缩短模具的研发周期，提高零件生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及拉深方法，具体涉及一种大型槽台一体化复杂金属薄壁件刚柔复合成形方法。
背景技术
拉深，也称拉延、拉伸、压延等，是利用安装在压力机上的模具对金属材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需拉深件的一种压力加工方法。拉深可以将板料制成精度较高、稳定性好、互换性好的盒形件，旋转体拉深件，非旋转体复杂形状拉深件等，是多种板料成形技术(翻边、冲孔、折弯等)中的重要加工方法。因其生产效率高、成本低、操作方便的特点，被广泛应用于机械、电子、电器、仪表、汽车、航空、军工产品和人民日常生活用品等领域。生活中最为常见的拉深应用为汽车制造相关的覆盖件及日常生活所需的各种不锈钢制品(水杯、电饭煲内胆、水盆、水槽、菜碟等等)，拉深工艺尤为重要。
大型槽台一体化金属薄壁拉深件(具有带复杂台面、阶梯槽、产品高度大等特点)在拉深成形过程中具有扰度大、变形大、应力应变状态复杂的特点，是一个动态的、多体参与成形的复杂问题。对其进行一次性拉深成形会造成剧烈的塑性变形，从而产生严重的加工硬化现象以及较大的残余应力，拉深结束后产品会产生较大的回弹，影响产品的加工精度。故此类拉深件的传统工艺路线一般为“普通拉深一序→退火→普通拉深二序→普通拉深三序......”，即需要进行多次普通刚性拉深工序(即利用刚性模具进行拉深)，逐步拉深成形，且中间增加退火工序以消除残余应力、加工硬化，提高塑性变形能力。而采用多工序拉深成形不仅需要多套相应的模具、压力机，还需要进行中间退火处理。多套模具意味着模具生产成本的提高，要进行连续生产势必造成多台压力机设备的占用，且增加了人力成本。中间需进行退火工艺处理更是提高了生产的成本，增加了零件总的生产时间，影响工作效率。
金属板料在拉深成形过程中发生塑性强化和塑性流动，变形的过程伴随着褶皱、拉裂及回弹等缺陷。同时，板料冲压变形过程又是一个非常复杂的多体接触的动态力学分析问题。人们无法单凭经验合理地预测板料的冲压成形性能，这便无法一开始便科学准确地制造拉深的模具。传统的研发生产方法主要是靠借技术工人多年的生产经验，加上多次重复地进行试模、修模，以此得到优化后的参数，这样不仅导致冲压成形质量不稳定，而且生产和调试过程漫长，耗费大量人力财力。
发明内容
本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种大型槽台一体化复杂金属薄壁件刚柔复合成形方法，该成形方法采用刚柔复合成形的方法(传统刚性拉深成形与充液成形复合)，充分发挥两种成形方法的优势，减少产品的拉深次数，减少相应配套模具数目，省略中间退火工序，降低生产成本。同时，利用有限元分析软件对该类拉深件进行数值仿真，提出了较为完整的多工序数值模拟优化流程，更好的保证拉深工艺参数的合理性和可靠性，大幅缩短模具的研发周期，提高零件生产效率。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种大型槽台一体化复杂金属薄壁件刚柔复合成形方法，包括以下步骤：
(1)选取金属板料，利用拉伸试验机测得有限元模拟所需的力学性能参数及应力应变曲线，建立起该板料的有限元材料模型；
(2)根据槽台一体化金属薄壁拉深件的二维模具图纸建立其三维模型然后将其导入至有限元分析软件DYNAFORM中；
(3)根据零件特点设计合适的成形路线；
(4)根据实际生产需要选取充液拉深的若干种单因素；
(5)通过DYNAFORM对所选金属板料进行充液预成形模拟；
(6)通过DYNAFORM对步骤(5)的半成品进行刚性拉深成形模拟，得到成形模拟结果；
(7)通过比较不同的模拟结果，选取最好的模拟结果，得到最优的拉深工艺。
本发明的一个优选方案，在步骤(2)中，在正式拉深模拟优化前，基于Dynaform坯料工程模块，对板料形状进行优化及排样：
输入步骤(1)建立的板料真实材料模型，定义板料的厚度和密度；
对零件三维模型网格离散化，采用4节点Belytschlo-Tsay单元进行网格划分；
定义冲压方向；
采用MSTEP求解器进行零件轮廓线求解，对零件轮廓线进行放大、圆弧过渡区剪角处理，得到较优零件板料轮廓线；
对零件轮廓线进行排样，设置实际生产的搭边值和零件间距，提高板料利用率，输出报告。
本发明的一个优选方案，在步骤(3)中，所述成形路线包括先充液拉深成形，后刚性拉深成形；
所述充液拉深成形和刚性拉深成形的次数均至少为一次。
本发明的一个优选方案，在步骤(3)中，所述成形路线包括先充液胀形成形，后刚性拉深成形；
所述充液胀形成形和刚性拉深成形的次数均至少为一次。
进一步，所述充液拉深成形工序包括预胀阶段和充液拉深阶段；
所述预胀阶段为：在拉深模具的凸模未进入到凹模之前，对液室施加设定的压力，使板料往凸模的方向反涨至压边圈的中间；
所述充液拉深阶段为：拉深模具的凸模下行与板料发生接触；与此同时，对液室施加设定的压力，使板料贴紧凸模表面，实现摩擦保持；同时通过液压驱动抬起凹模圆角处的板料，实现溢流润滑。
本发明的一个优选方案，在步骤(4)中，所述单因素包括充液拉深预成形选取预胀压力、最大液室压力、压边间隙、凸模圆角半径和凹模圆角半径。
本发明的一个优选方案，在步骤(5)中，对所选的若干单因素进行变量控制，每种单因素选取若干数值，其余因素不变，分别进行拉深模拟仿真；
以最大减薄率云图、成形极限图作为判断依据，对成形结果进行分析，逐步优选各单因素较优工艺参数，得到较好的充液拉深预成形结果。
本发明的一个优选方案，在步骤(7)中，通过正交实验进行普通拉深模拟仿真，并将普通拉深模拟的结果与步骤(6)得到的成形模拟结果进行比较，综合考虑减薄率及成形性能，得到最优拉深工艺。
进一步，进行实体拉延筋模拟：
采用刚性压边的形式进行一次普通拉深模拟，压边圈与凹模之间的间隙不变，其余参数采用常用默认工艺参数；预测设备吨位及成形过程中的压边力值；
根据拉深过程中实际工况选取压边力、凸凹模间隙、板料与凸模之间的摩擦系数、板料与凹模/压边圈之间的摩擦系数、凸模圆角半径、凹模圆角半径共6种单因素，分别对其选择5个水平因素，进行6因素5水平正交实验，求得较优工艺参数组合；
根据预测的压边圈受力曲线，设置恒定压边力曲线和变压边力曲线，分别进行模拟，获得较优压边力加载曲线；
根据上述结果，处理查看材料流动状态，根据材料流动特点及产品起皱情况布置合适拉延筋及拉延筋阻力值。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明的成形方法采用刚柔复合成形的方法(传统刚性拉深成形与充液成形复合)，充分发挥两种成形方法的优势，减少产品的拉深次数，减少相应配套模具数目，省略中间退火工序，降低生产成本。
2、采用充液成形，可以获得“摩擦保持”和“流体润滑”效果可大幅度减小变形阻力，强化拉深过程，显著提高板料的成形极限，减少拉深次数和模具数量，降低模具成本，模具调试简单，且可免除中间退火，缩减工序。此外，充液成形只需要凸模，液室压力起到软凹模的作用使板材贴模，不需要考虑凸模与凹模相配，使制造工艺简单，花费工时和费用较少。
3、本发明的成形方法利用有限元分析软件对该类拉深件进行数值仿真，提出了较为完整的多工序数值模拟优化流程，更好的保证拉深工艺参数的合理性和可靠性，大幅缩短模具的研发周期，提高零件生产效率。
附图说明
图1为现有的刚性拉深成形工艺流程图，图中1为压边圈，2为凸模1，3为凹模1，4为底座，5为凸模2，6为凹模2，7为凸模3，8为凹模3。
图2-5为本发明的大型槽台一体化复杂金属薄壁件刚柔复合成形方法的多个方案的成形工艺流程图，图中1为压边圈，2为凸模1，3为凹模1，4为底座，4-1为液室，5为凸模2，6为凹模2，7为凸模3，8为凹模3。
图6为不同预胀压力下的液室压力加载曲线
图7为材料流动状态示意图。
图8为现有的一序刚性拉深成形的减薄云图。
图9为本发明的一序充液拉深成形的减薄云图。
图10为现有的最终拉深成形的减薄云图。
图11为本发明的最终拉深成形的减薄云图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
本实施例的大型槽台一体化复杂金属薄壁件刚柔复合成形方法，包括以下步骤：
(1)选取任意所需金属板料，利用拉伸试验机测得有限元模拟所需的力学性能参数及应力应变曲线，建立起该板料的有限元材料模型。实际生产所用的金属板料的力学性能与DYNAFORM软件自带的材料模型存在差距。为得到较为准确的模拟结果，需通过拉伸实验、数据处理建立起精度高的36*Mat_3-Parameter_Barlat(36#)材料模型，输入等效真实应力应变曲线、杨氏模量、泊松比、材料三方向(与轧制方向呈0°、45°、90°)上的塑性应变比R值。
(2)根据槽台一体化金属薄壁拉深件的二维模具图纸建立其三维模型，然后将其导入至有限元分析软件DYNAFORM中，对其划分网格。网格划分确保R角的精度，导入实际的、完整的三维模型，工具参考面选择“上模/下模”，即采用几何偏置的形式。
(3)在正式拉深模拟优化前，基于Dynaform坯料工程模块，对板料形状进行优化及排样。
a、输入(1)建立的板料真实材料模型，定义板厚、密度等。
b、对零件三维模型网格离散化，采用4节点Belytschlo-Tsay单元进行网格划分。
c、定义冲压方向。
d、采用MSTEP求解器进行零件轮廓线求解，对零件轮廓线进行放大、圆弧过渡区剪角处理等，得到较优零件板料轮廓线。
e、对零件轮廓线进行排样，设置实际生产的搭边值、件间距等，提高板料利用率，输出报告。
(4)根据零件特点设计合适的成形路线。槽台一体化零件一般由两部分组成——“深槽”、“浅槽”。“浅槽”带复杂台面且成形高度较小，该部分可利用普通拉深的方法进行成形。“深槽”成形深度大，普通拉深成形容易造成底部圆角区域剧烈减薄，采用充液成形的方法控制底部减薄。根据“深槽”的拉深深度，将充液成形分为两个阶段：
a、预胀阶段：在凸模还未进入到凹模之前，对液室施加一定压力，使板料反账进入压边圈中间。设置合适的预胀压力，可以预先储存后期拉深过程所需材料，并减少凹模圆角处拉应力，使板料法兰处预先建立润滑效果。
b、充液拉深阶段：后期继续施加压力，凸模下行与板料发生接触。设置合适的液室压力，使板料贴紧凸模表面，产生“摩擦保持”效果；同时液压抬凹模圆角处板料，形成“溢流润滑”的效果。
进一步，本实施例的成形路线包括以下方案：
方案一：充液拉深成形一序+刚性拉深三序。
一序采用充液拉深成形，二序、三序利用刚性拉深成形一次性得到最终形状，具体路线如图2所示。传统方案需要三次拉深工序、三套模具(凸模1、2、3，凹模1、2、3)，本发明方案一只需要两次拉深工序、两套模具(凸模1、3，凹模3)。
方案二：充液拉深成形二序+刚性拉深三序。
一序和二序采用充液拉深成形，三序利用刚性拉深成形一次性得到最终形状，具体路线如图3所示。传统方案需要三次拉深工序、三套模具(凸模1、2.、3，凹模1、2、3)，本发明方案二只需要两次拉深工序、两套模具(凸模1、2、3，凹模3)。
方案三：充液胀形一序+刚性拉深三序。
一序采用充液胀形成形，二序、三序利用刚性拉深成形一次性得到最终形状，具体路线如图4所示。传统方案需要三次拉深工序、三套模具(凸模1、2.、3，凹模1、2、3)，本发明方案三只需要两次拉深工序、两套模具(凸模1、3，凹模1、3)。
方案四：充液胀形二序+刚性拉深三序。
一序、二序采用充液胀形成形，三序利用刚性拉深成形一次性得到最终形状，具体路线如图5所示。传统方案需要三次拉深工序、三套模具(凸模1、2.、3，凹模1、2、3)，本发明方案四只需要两次拉深工序、两套模具(凸模1、3，凹模2、3)。
(5)根据实际生产需要选取充液拉深的若干种单因素。充液拉深预成形选取预胀压力、最大液室压力、压边间隙、凸模圆角半径、凹模圆角半径进行模拟。
(6)进行充液拉深预成形模拟：对所选的若干的单因素进行变量控制，每种单因素选取若干数值，其余因素不变，分别进行拉深模拟仿真。以最大减薄率云图、成形极限图作为判断依据，对成形结果进行分析，逐步优选各单因素较优工艺参数，得到较为理想的充液拉深预成形结果。
a、压边形式采用定间隙压边，压边间隙大小设置为1.05t，模具间隙设置为1.1t，凸模、凹模、压边圈分别设置为2000、0、2000mm/s，凸模、凹模、压边圈摩擦系数分别设置为0.2、0.02、0.05。
b、最大液室压力设置为20MPa，预胀压力分别设置较低压力值，如0、1、2、3、4MPa(根据实际情况可继续细分或增大)，其余参数保持(6)a所述不变，如图6所示分别进行模拟，分析获得较优预胀压力值。
c、预胀压力设置为(6)b获得的较优值，最大液室压力分别设置为5、10、15、20、25、35MPa(根据实际情况可继续细分或增大)，其余参数保持(6)a所述不变，分别进行模拟，分析获得较优最大液室压力值。
d、在确认预胀压力、最大液室压力较优值后，分别设置压边间隙为1t、1.05t、1.1t、1.15t、1.2t进行模拟，以找出合适的压边间隙值。
e、同理，分别确认凸模圆角半径、凹模圆角半径较优值。
(7)省略中间退火工序，进行最终普通拉深成形工序(若一次普通拉深不足以成形该零件，可考虑中间增加一次普通拉深工序)。进行正交实验普通拉深模拟仿真，比较其最终结果，综合考虑减薄率及成形性能，得到最优拉深工艺。根据实际生产需求决定是否进行实体拉延筋模拟。
a、采用刚性压边的形式进行一次普通拉深模拟，压边圈与凹模保持1.1t间隙不变，其余参数采用常用默认工艺参数。在后处理中利用“设备吨位预测”功能，预测设备吨位及成形过程中的压边力值。
b、根据拉深过程中实际工况选取压边力、凸凹模间隙、板料与凸模之间的摩擦系数、板料与凹模/压边圈之间的摩擦系数、凸模圆角半径、凹模圆角半径6种单因素，分别对其选择5个水平因素，进行6因素5水平正交实验，求得较优工艺参数组合。
c、根据(7)a预测的压边圈受力曲线，设置如恒定压边力曲线(即(7)b)、变压边力曲线(包括线性递增、非线性递增至(7)b设置的压边力值，根据预测曲线特点设置多段曲线等)，分别进行模拟，获得较优压边力加载曲线。
d、根据(7)c结果，后处理查看材料流动状态，根据材料流动特点及产品起皱情况布置合适拉延筋及拉延筋阻力值，如图7所示；
若一次普通拉深不足以成形该零件，可考虑中间另增一次普通拉深工序，即总体进行“充液拉深预成形→最终普通拉深成形”或“充液拉深预成形→普通拉深二序→普通拉深三序”。
对比图8与图9可知，传统一序刚性拉深最大减薄率位于水槽矩形盒部位底部圆角区域，为28.742％，而一序充液成形拉深在此圆角区域的最大减薄率仅为16.849％，减薄量明显减小。一序充液成形拉深最大减薄率位于水槽矩形盒侧壁区域，为16.852％，整体而言，采用充液拉深成形可使产品厚度变化更为均匀，大幅降低减薄率，使得后续只需一次拉深成形成为可能。对比图10与图11可知，传统工艺路线最终产品的最大减薄区域位于水槽矩形盒底部圆角区域，为40.416％，厚度分布较不均匀，凹模圆角处增厚严重。基于本发明工艺路线，经过上述优化后得到最终产品的最大减薄区域位于矩形盒侧壁处，仅为29.726％，厚度分布较为均匀，凹模圆角处无增厚现象，符合实际生产需求。
本实施例提出的大型槽台一体化复杂金属薄壁件刚柔复合成形关键技术，将传统拉深成形(刚性拉深成形)与充液成形(柔性成形)两种工艺复合，发挥两种成形技术优势。大型槽台一体化复杂金属薄壁件拉深具有大深度、大面积的特点，传统工艺需多道工序，工艺复杂，且需配以退火工序才能通过多道次拉深工序，模具成本高、试模周期长。充液成形的“摩擦保持”和“流体润滑”效果可大幅度减小变形阻力，强化拉深过程，显著提高板料的成形极限，减少拉深次数和模具数量，降低模具成本，模具调试简单，且可免除中间退火，缩减工序。此外，充液成形只需要凸模，液室压力起到软凹模的作用使板材贴模，不需要考虑凸模与凹模相配，使制造工艺简单，花费工时和费用较少。将两种成形方法复合起来，既可解决全工序采用充液成形需采用专用设备且价格昂贵的问题，又可利用部分工序充液成形可提高板料成形极限、减少模具数量、缩减工序的特点。此外，传统金属拉深成形，由于板料成形极限限制，成形工序中需增加退火工序，耗费大量能源、水源，产生大量粉尘、废水、废气等污染，即整个过程伴随着高耗能和高污染。企业势必要改进传统的生产工艺路线，转向绿色制造。再者，在当今利润空间不断被压缩的大环境下，企业需要一种新的生产工艺路线以降低生产成本、提高企业竞争力。故刚柔复合成形的思想在弥补传统拉深成形技术行业短板的同时，也降低充液成形技术的准入门槛。
进一步，基于有限元分析软件——Dynaform的工艺优化路线，能够优化多道次拉深的工艺过程。根据数值模拟仿真的结果，可以预测成形过程中存在的缺陷，调整实际生产过程中的工艺参数。完善的数值模拟工艺优化过程可以降低了实际试模、开模的时间周期，降低生产成本，提高最终产品的合格率与经济效率。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种大型槽台一体化复杂金属薄壁件刚柔复合成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选取金属板料，利用拉伸试验机测得有限元模拟所需的力学性能参数及应力应变曲线，建立起该板料的有限元材料模型；
(2)根据槽台一体化金属薄壁拉深件的二维模具图纸建立其三维模型然后将其导入至有限元分析软件DYNAFORM中；
(3)根据零件特点设计合适的成形路线；
(4)根据实际生产需要选取充液拉深的若干种单因素；
(5)通过DYNAFORM对所选金属板料进行充液预成形模拟；
(6)通过DYNAFORM对步骤(5)的半成品进行刚性拉深成形模拟，得到成形模拟结果；
(7)通过比较不同的模拟结果，选取最好的模拟结果，得到最优的拉深工艺。
2.根据权利要求1所述的大型槽台一体化复杂金属薄壁件刚柔复合成形方法，其特征在于，在步骤(2)中，在正式拉深模拟优化前，基于Dynaform坯料工程模块，对板料形状进行优化及排样：
输入步骤(1)建立的板料真实材料模型，定义板料的厚度和密度；
对零件三维模型网格离散化，采用4节点Belytschlo-Tsay单元进行网格划分；
定义冲压方向；
采用MSTEP求解器进行零件轮廓线求解，对零件轮廓线进行放大、圆弧过渡区剪角处理，得到较优零件板料轮廓线；
对零件轮廓线进行排样，设置实际生产的搭边值和零件间距，提高板料利用率，输出报告。
3.根据权利要求1所述的大型槽台一体化复杂金属薄壁件刚柔复合成形方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述成形路线包括先充液拉深成形，后刚性拉深成形；
所述充液拉深成形和刚性拉深成形的次数均至少为一次。
4.根据权利要求3所述的大型槽台一体化复杂金属薄壁件刚柔复合成形方法，其特征在于，所述充液拉深成形工序包括预胀阶段和充液拉深阶段；
所述预胀阶段为：在拉深模具的凸模未进入到凹模之前，对液室施加设定的压力，使板料往凸模的方向反涨至压边圈的中间；
所述充液拉深阶段为：拉深模具的凸模下行与板料发生接触；与此同时，对液室施加设定的压力，使板料贴紧凸模表面，实现摩擦保持；同时通过液压驱动抬起凹模圆角处的板料，实现溢流润滑。
5.根据权利要求1所述的大型槽台一体化复杂金属薄壁件刚柔复合成形方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述成形路线包括先充液胀形成形，后刚性拉深成形；
所述充液胀形成形和刚性拉深成形的次数均至少为一次。
6.根据权利要求1所述的大型槽台一体化复杂金属薄壁件刚柔复合成形方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述单因素包括充液拉深预成形选取预胀压力、最大液室压力、压边间隙、凸模圆角半径和凹模圆角半径。
7.根据权利要求1所述的大型槽台一体化复杂金属薄壁件刚柔复合成形方法，其特征在于，在步骤(5)中，对所选的若干单因素进行变量控制，每种单因素选取若干数值，其余因素不变，分别进行拉深模拟仿真；
以最大减薄率云图、成形极限图作为判断依据，对成形结果进行分析，逐步优选各单因素较优工艺参数，得到较好的充液拉深预成形结果。
8.根据权利要求1所述的大型槽台一体化复杂金属薄壁件刚柔复合成形方法，其特征在于，在步骤(7)中，通过正交实验进行普通拉深模拟仿真，并将普通拉深模拟的结果与步骤(6)得到的成形模拟结果进行比较，综合考虑减薄率及成形性能，得到最优拉深工艺。
9.根据权利要求8所述的大型槽台一体化复杂金属薄壁件刚柔复合成形方法，其特征在于，进行实体拉延筋模拟：
采用刚性压边的形式进行一次普通拉深模拟，压边圈与凹模之间的间隙不变，其余参数采用常用默认工艺参数；预测设备吨位及成形过程中的压边力值；
根据拉深过程中实际工况选取压边力、凸凹模间隙、板料与凸模之间的摩擦系数、板料与凹模/压边圈之间的摩擦系数、凸模圆角半径、凹模圆角半径共6种单因素，分别对其选择5个水平因素，进行6因素5水平正交实验，求得较优工艺参数组合；
根据预测的压边圈受力曲线，设置恒定压边力曲线和变压边力曲线，分别进行模拟，获得较优压边力加载曲线；
根据上述结果，处理查看材料流动状态，根据材料流动特点及产品起皱情况布置合适拉延筋及拉延筋阻力值。
Priority Applications (1)
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| CN202310892585.1A CN116765223A (zh) | 2023-07-19 | 2023-07-19 | 一种大型槽台一体化复杂金属薄壁件刚柔复合成形方法 |
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