厚壁圆筒件温差拉深及有限元模拟模具机

厚壁圆筒件温差拉深及有限元模拟

厚壁圆筒件温差拉深及有限元模拟 2011年12月09日 来源： 摘要：厚壁圆筒件采用热拉深，制件上部产生严重颈缩甚至断裂。经工艺改进，采用温差拉深，有效的降低拉深系数，提高筒壁承载能力，减少了颈缩量，满足了机加余量要求。运用热交换区域设置边界条件，成功的建立了热力耦合刚粘塑性有限元模型并进行了模拟计算。分析了金属应力、应变、成形载荷、温度场及颈缩缺陷与成形工艺、预制坯尺寸、模具尺寸、冷却条件的关系，提出了消除颈缩缺陷的解决方案。

关键词：厚壁圆筒件 温差拉深 有限元模拟

0 前言

本文研究对象是厚壁圆筒件（见图1）热成形，采用镦挤-热拉深工艺进行试验，在拉深过程中，筒壁发生严重颈缩（见图2），并有被拉断趋势。改进了预制坯尺寸及模具结构，增加了水冷却装置，采用温差拉深，成功拉深出厚壁圆筒件，大大减少了颈缩量，满足了机加余量要求。运用热交换区域设置边界条件，模拟水冷却装置，建立起热力耦合刚粘塑性有限元模型并进行了模拟计算，模拟结果与试验基本一致。说明此建模方法是可行的。因此通过有限元模拟，能进一步优化成形工艺，改进预制坯及模具参数，得到更为理想的成形件。

图1 厚壁圆筒件 图2 颈缩示意

1 厚壁圆筒件成形工艺

1.1 热拉深工艺及有限元模拟结果

根据圆筒件的几何形状、尺寸，分析成形方案。若采用坯料直接热挤压成形，计算所需挤压力为7200 吨，对锻造设备能力及模具材料、结构要求很高，不利于小批量的生产。

考虑到采用锥形凹模热拉深成形方法可有效减小成形力，为此设计出如图3 所示的预制毛坯。底部由筒形件尺寸所限，无法拉深成形，因此在预成形中考虑，有利的是在拉深时避开了危险断面，即凸模圆角区。考虑到拉深时筒壁口部会增厚，预制坯设计成变壁厚。

整个成形过程需分两步完成，第一步，在预锻模中镦锻和冲盲孔锻出筒体的下半部和法兰边，经机加工后得到预制毛坯；第二步，可由预锻毛坯的法兰部分热拉深成形筒体的筒壁部分。

当凸模向下运动至与筒底接触时，筒壁与法兰的过渡圆角开始变形，法兰向上翻起，圆角刚被拉直，即开始出现颈缩，随着颈缩的出现，因其截面积减小引起承载能力下降，凸模继续向下移动，颈缩越来越严重，法兰部分基本不再变形，筒体局部拉长。再继续下去筒体即会被拉断，试验停止。

采用塑性成形有限元分析软件DEFORM 进行模拟，得到如图4 所示结果，与试验吻合。模型的建立方法与2.2 节类似，此处不详细叙述。

1.2 温差拉深工艺

分析颈缩产生原因可知，厚壁圆筒由于其形状的特殊性（底部很厚），在预成形中即成形出了起传力作用的筒底及筒壁，拉深成形过程中，拉深力作用于筒形件底部，通过预成形出的一部分筒壁将力传递至法兰部分，坯料从筒壁与法兰的过渡圆角区开始发生塑性变形，此处不仅受筒壁传来的拉应力作用，还承受由于过渡圆角弯曲变形而产生的附加拉应力，因此局部受力最大，变薄最严重，成为危险断面，当其所受拉应力超过材料在变形温度下的抗拉强度时，便开始出现颈缩。圆角区以下的坯料基本不发生变形。

由拉深力公式body.clientHeight)this.width=body.clientHeight" border=0>可以看出，要减小拉深力，可减小预制坯法兰直径D0 和厚度t 重新设计预制坯，法兰直径由原来的750mm 减小到700mm，厚度由原来的72mm减小到65mm。根据体积不变原则，必须增加筒体高度，相应的盲孔深度增加了，加大了预成形冲盲孔的难度，需由机加辅助完成。

工艺改进的另一个措施是增加水冷却装置（图5），即进行温差拉深，温差拉深是拉深过程有效的强化方法，它的实质是借变形区（一般指毛坯凸缘区）局部加热和传力区危险断面（侧壁和底部过渡区）局部冷却的办法，一方面减小变形区材料的变形抗力，另一方面又不致减少、甚至提高传力区的承载能力，亦即造成两方面的温差，而获得大的强度差，以资最大限度的提高一次拉深变形的变形程度，大大降低材料的极限拉深系数。由于坯料整个在燃气炉中加热，因此模具上不考虑局部加热装置，只增加了水冷却装置。

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