基于DEFORM-3D的锥形异形件拉伸质量控制技术

李亚非，秦代成

(中国工程物理研究院 机械制造工艺研究所，四川 绵阳 621900)



基于DEFORM-3D的锥形异形件拉伸质量控制技术

李亚非，秦代成

(中国工程物理研究院 机械制造工艺研究所，四川 绵阳 621900)

某不锈钢薄壁锥形异形件拉伸过程中容易产生失稳、反弹和破裂等缺陷，为控制产品质量，采用DEFORM-3D软件为平台，利用有限元分析方法对06Cr19Ni10不锈钢的拉伸变形进行建模与仿真，并用拉伸试验进行验证。结果表明，仿真结果与试验结果吻合度较高，具有较高的可信度，以及较好的工艺指导作用。

拉伸成形；有限元仿真；DEFORM-3D

某不锈钢薄壁异形件(见图1)长度为800 mm，材料为06Cr19Ni10固溶，该结构不适合切削加工，需要采用拉伸成形方式加工。其中，底面A和支承面B起支承作用，要求平整，无明显凹凸变形，表面光洁、平整，无刮伤、擦痕等缺陷。

图1　工件简图

在拉伸成形中，该零件存在产生扭曲、褶皱、变薄和变形等缺陷的可能，为确保产品质量，对拉伸工艺、毛坯形式和模具结构有较高的要求，需要进行一定的试验研究。为合理设计拉伸工艺方案，减少模具设计和工艺试验工作量，利用有限元软件DEFORM对异形件的拉伸过程进行数值模拟，以优化拉伸工艺方案，并结合拉伸试验，为产品模具设计和拉伸工艺制定提供参考，以提高产品成形质量和生产效率。

1　工件简介

1.1工件特点

零件整体为薄壁锥形，长度为800 mm，为非封闭结构，上端面带2处小平台，产品对A、B面的平面度有较高的要求。工件材料为06Cr19Ni10固溶，具有较好的延展性，适合采用拉伸成形方式。

1.2工艺性分析

锥形件拉伸成形的难易程度与其几何形状(h/d2及d1/d2)、材料的冲压性能等有关。h/d2越大，d1/d2越小，零件的拉伸成形难度越大[1]。图1中，h/d2=96/271=0.35，d1/d2=160/271=0.59，半锥角30°，拉伸比例中等；此外，该零件为非封闭结构，工件成形存在较大的自由变形空间，其成形精度控制比普通圆筒性零件的拉伸难度要大。

拉伸模型如图2所示。工件的拉伸成形过程属于金属板料拉伸-弯曲的复合成形过程。在凸模压力作用下，板料与凸模底面接触贴紧开始变形，当凸模继续向下运动时，板料贴紧凸模面逐渐延CD延伸；当凸模运动至凹模时，板料沿凸模表面弯曲贴合，形成工件。

图2　拉伸模型

毛坯板料在变形过程中发生剧烈的金属塑性流变，工件不同部位产生的应力、应变和金属流动状况较为复杂，容易引起如下缺陷：1)凹凸模之间自由面积大，板料拉伸过程中易发生失稳、起皱现象；2)拉伸后，工件AB、BC段容易回弹，无法保证尺寸精确；3)板料所受的拉应力过大，导致在B、C点应力集中，板料断裂。

为了防止上述缺陷产生，在拉伸工艺中应综合考虑工件成形特点、受力状态、变形情况和模具结构。通过数值分析方式对工件变形过程进行模拟仿真是简化试验过程一种简单、有效的方式。

2　有限元模型建立

DEFORM-3D软件是一套基于有限元分析方法的专业工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关的各种成形工艺和热处理工艺。该软件在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析，适用于热、冷、温成形，并能提供极有价值的工艺分析数据[2-3]。图1所示工件的成形特点非常适合采用DEFORM-3D软件进行数值模拟。

2.1模型设定

从工件加工状态及条件出发，对模型建立做如下设定：1)设定工作条件，选择拉伸模块(Forming)，单位SI；2)凸模、凹模和压边圈设定为刚性体，板料为弹性元件；3)凸模为主运动件(master)；4)凸模、凹模、压边圈与板料分别定义为Master-Slave关系，摩擦因数为0.12；5)设定周边环境温度始终是20 ℃。

2.2材料模型

材料模型的建立，可以获得材料的应力-应变曲线关系(本构关系)，以定义材料在载荷作用下的相应行为。工件材料取自DEFORM-3D软件材料库，AISI-1015。

2.3网格划分

工件毛坯按等体积法计算展开面积，与工件等壁厚，利用UG软件建模后输出.STL文件，再导入DEFORM-3D软件。

DEFORM-3D软件的单元类型是经过特殊处理的四面体，四面体单元比六面体单元容易实现网格划分。DEFORM-3D软件有强大的网格重划分功能，当变形量超过设定值时自动进行网格划分。在网格划分时，工件的体积有部分损失，损失越大，计算误差越大，DEFORM-3D软件在同类软件中体积损失最小[4]，该特性在网格划分时有较好的容错性能，有利于避免设定失误造成的模拟误差。考虑到工件为薄壁零件，本文采用中等密度划分网格(见图3)，网格数为18 436。拉伸模型图如图4所示。

图3　板料网格划分　　　　图4　拉伸模型图

3　模拟仿真

图5为初始条件拉伸模拟图，凸模向下运动，带动板料在凹模中滑动，板料延凸模型面逐渐成形，在复杂受力状况影响下，凸模底部与板料逐渐出现分离现象，工件出现严重的外凸现象，其平面度要求无法保证；同时因成形面偏大，变形不均匀，锥面出现轻微起皱、扭曲现象；凸模升起后，工件锥面扭曲加剧，上端两直边反弹现象加剧，对工件质量影响很大。

图5　拉伸模拟图

工件应力分布图如图6所示。在拉伸过程中，图2所示的B、C点存在明显的应力集中，工件存在拉伸变薄趋势，脱模后会引起反弹变形等缺陷。

图6　应力分布图

从模拟结果上看，工件拉伸成形质量受凹凸模形面结构、过渡圆角与压边圈间隙等因素影响，存在变薄、扭曲、褶皱、反弹和底部凸起等质量缺陷。为改善拉伸成形质量，对仿真条件作了相应优化改进，再次进行模拟计算，具体内容如下：1)凹凸模形面结构调整，凸模底面增加内凹曲面，凹模底面相应增加外凸曲面，作为拉伸成形的预变形处理，通过反变形设计以抵消工件底面的拉伸变形；2)图2中B、C处过渡圆弧尺寸适当调大，以减少应力集中；3)调整压边圈与凹模间隙，以加大压紧力。

新方案如图7所示，当数值模拟条件调整后，重新进行模拟计算。

图7　拉伸方案调整

优化方案模拟结果如图8所示，凸模向下运动，板料沿凸模成形，由于凸模内凹结构设计，工件受力状态改变，拉伸过程中未出现外凸现象，底面保持平整；拉伸过程稳定，未出现明显扭曲、褶皱现象，未出现壁厚明显变薄，底面按预制变形曲面成形。

图8　拉伸模拟图(优化后)

当调整模具结构后，工件应力分布(见图9)情况得到改善，整体应力状况趋于一致，其中图2中C点处的应力明显减少，但B点处仍然存在较大应力集中，会导致直边发生反弹。

图9　工件应力分布图

拉伸过程中加载力分布曲线如图10所示。其中凸模受力基本平稳，在最终成形时达到高峰；而压边圈受力持续增加，成形后期连续出现峰值，在设计模具压边圈时应充分考虑预紧力和紧固件的设计。

工件底面按预变形方式成形，脱模后可有效抵消其底部反弹变形。

图10　拉伸过程受力分析

根据新的拉伸模拟优化结果，可以确认工件拉伸成形质量影响因素如下：1)凹凸模过渡圆角对应力状态影响明显，应尽量优化大圆角；2)模具底面采用平面结构会导致工件底面外凸，应考虑设计预变形结构；3)工件成形质量与压边圈间隙和压紧力密切相关，应设计合理模具间隙和充分的压紧力结构。

4　拉伸成形

4.1模具设计

根据模拟结果中相关影响因素，设计了拉伸模具，凹凸模采用了预变形结构，调整了压边圈与毛坯板料间隙，优化了2处过渡圆弧圆角，并根据压边圈受力状况设计了螺纹紧固件的数量与分布，以确保可靠的压紧力。拉伸模具如图11所示。

图11　拉伸模具

4.2产品拉伸

毛坯板料：800 mm×314 mm×4 mm；材料：06Cr19Ni10固溶；拉伸设备：液压机6 300 kN。拉伸工件如图12所示。

图12　拉伸工件

工件拉伸过程顺利，按预期工艺方案成形：1)工件外表成形美观，无扭曲、起皱、断裂和严重减薄现象；2)表面无严重划痕、压伤等缺陷；3)A面平面度≤0.5 mm，B面平面度≤1 mm，满足产品设计要求。

5　结语

根据数值模拟情况和拉伸试验，可以得出如下结论：1)数值模拟有助于发现拉伸变形中存在的问题及原因；2)通过拉伸预变形设计，可以有效消除在薄壁板料平面拉伸中产生的外凸现象；3)合适的工艺手段可以控制薄壁件拉伸成形中的质量缺陷。

[1] 聂兰启，聂伯扬. 薄壁深锥零件的拉伸成形工艺[J]. 模具制造，2008(8):29-32.

[2] 周朝辉，曹海桥，吉卫，等. DEFORM有限元分析系统软件极其应用[J].计算机应用，2003(4)：51-52.

[3] 于国红，楚功，陈惠贤，等.基于Deform-3D的转子轮槽加工切削力仿真研究[J]. 新技术新工艺，2014(7)：83-86.

[4] 李传民，王向丽，闫化军，等. DEFORM5.03金属成形有限元分析实例指导教程[M]. 北京：机械工业出版社，2007.

责任编辑郑练

Research on Abnormity Deep-taper Workpiece Shaped Quality Control based on DEFORM-3D

LI Yafei, QIN Daicheng

(Institute of Mechanical Manufacturing Technology, China Academic Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Some bugs as stabilization losing, rebounding and flawing will take place when thin-wall stainless steel abnormity workpiece is forming. In order to control quality, the software DEFORM-3D is used as a platform, the deep-taper shaped of 06Cr19Ni10 stainless steel is modeled and simulated by FEA, and the simulation data is made contrast with examination. The results show that the simulation data got by DEFORM-3D has a relatively high inosculation with the test results, which means simulation data has a relatively high level of reliability and can provide better technology guidance effect.

shaped, finite analysis, DEFORM-3D

TG 306

B

李亚非(1975-)，男，高级工程师，硕士，主要从事机械制造工艺技术等方面的研究。

2015-12-18