基于数字化仿真的三通半管拉深成形技术

【分类号】：TG386

【内容摘要】目前我国航空制造业基本实现了数字化设计，数字化设计使装配过程中协调问题在数字样机设计阶段都得到有效解决。相比之下航空钣金将数字化技术在实际生产中的运用十分落后；特别是在钣金拉深件成形方面，历来都是通过反复试模及多次修模得出合理工艺参数，对操作者技术水平要求高，造成大量原材料、模具、人力成本浪费。精密拉深成形是按预定的工艺参数实现不试模、成形过程零切割、零敲击的高效率、高精度贴模先进技术；其核心是钣金数字化，即运用仿真技术分析成形问题，达到对模具结构、毛坯形状、压边方式、工艺补充面等工艺参数的优化，实现成形过程稳定的先进技术。

[关键字]：精密拉深成形、拉深系数、有限元模拟仿真、压边力、压延筋

1 引 言

拉深成形是现代工业特别是汽车、航空工业领域中一种重要的加工方法；相对于曲压、落压、橡皮等成形方法优点如下：效率高、贴模精度高、表面光滑美观；但缺点是受力变形过程复杂、影响因素多、传统拉深方法对成形成败具有不可预见性。圆筒件、球形件等少数可计算拉深系数的零件作为拉深成形的基本理论研究已基本完善，但随着客户对零件精度及美观追求的提高，其它工艺方法成形产品越来越无法满足用户需求。本文以难计算拉深系数的三通管为例，论述采用有限元模拟仿真技术给实际生产带来的便利；以期望引起航空钣金从业人员对数字仿真技术高度重视，加速该技术在生产中推广运用。

2 零件概述

如图1形状零件是某型号板制三通半管，材料为00Cr18Ni10N-δ1.0mm冷轧固溶状态。三通管高表面质量、高效率一次成形一直是生产中的重大难题，长期以来无法解决零件中部的起皱问题。目前该类零件一般采用落压成形方法，通过在凹模内填冲一定量的橡皮减少中部起皱，往往采用边成形、边敲击的渐进成形办法；其缺点主要是产品质量不稳定、效率相对较低、回弹大、加工硬化后贴模困难。

图1

3 拉深成形难点

该零件拉深成形缺点是对模具结构、毛料形状、压边方式等工艺参数要求十分严格，成形主要难点如下：

1.该类零件与简单筒形件、球形件、盒形件形状差别大，不能通过计算拉深系数的办法预测成形成败。

2.采用管口开敞压边方式，无法消出中部褶皱如图2。采用管口封闭压边方式，成形不到1/3高度就出现端头横向开裂导致成形失败如图3。

图2起皱 图3开裂

3.由于结构不对称，板料容易偏向与压边圈接触面积大的方向如图4。

图4仿真偏移

综上所述，该类零件中部起皱及边缘开裂相互矛盾；对毛料初使形状与模具结构配合使用要求十分讲究。

4.模具结构及工艺参数确定

4.1模具结构

4.1.1模具压边方式

通过图2分析零件中部起皱是由于成形时毛料在各管口方向不受向外的阻力的牵制，选择如图5的封闭压边方式比较合理。

4.1.2模具防毛料偏移措施

通过图4分析毛料偏移关键原因在于结构不对称，与压边圈接触面积大的一端毛料与模具摩擦阻力大。解决办法是在压边圈上设置压延筋或增大缺料方向的面积实现增加摩擦阻力，压延筋见图5。

4.1.3模具与毛料精确定位方法

人为放料偏移也容易会导致成形时偏移，模具设计需考虑毛料与模具的定位问题。最有效的办法是凸模及毛料在管口端头处开定位孔，放料时把凸模与毛料定位孔位置对应即可，定位孔见图5。

4.1.4模具拉深高度及凹模倒角

拉深高度是决定所有拉深件成败最为关键的要素，除最大限度降低拉深高度外，还要有利于模具法兰边处材料的流动。按经验倒角R一般选5-10倍料厚，由于压延筋能进一部限制材料流动，倒角R应取上限。为成形减小回弹及后续切割余量方便模具延形高度约10mm左右比较合适；即拉深高度=管径+凹模倒角+模具延形高度≈82.5mm。

综上所述，该拉深模具大致结构如下：1）采用四周封闭压边结构； 2）模具最大成形高度约82.5mm，凹模法兰边倒角约R10；3）模具在各管口位置开出Φ5定位孔；4）在压边圈设置压延筋；其模具具体结构见图5。

图5实际模具结构

4.2毛料形状优化方法

不合理毛料形状会影响材料的流动及转移程度，进而影响拉深件的成形极限。根据对零件成形难点及模具结构的分析，毛料形状应当考虑以下因素：

1.毛料与凸模准确定位，解决办法是毛料在三个管口位置制出可视定位孔。

2.中部起皱、管口横向开裂问题；解决办法是采用管口位置留工艺补充耳片的毛料形状实现胀形除皱。

3.为防止毛料成形发生偏移；成形时要考虑各方向受力平衡问题。

经过上述分析较为理想的毛料形状如图6，成形时需满足上、下、左、右四个方受力平衡，即从力学角度满足下列条件：

4.3仿真验证工艺参数

由于零件结构特殊性成形过程受力变形情况十分复杂，仅靠试压的办法会浪费大量的材料及人力；甚至通过几百次试压也未必能得满意的产品。借助软件数字模拟的办法可快速优化工艺参数，经过多次仿真优化较理想结果见图7、图8。从图8中可以看出F下略大于F上；耳片3边界向内流动83.914mm而3区边界向内流动约45mm。由于耳片3偏小成形后期不受压延筋牵制，导致主要由F4、F5与F下保持平衡，从图7中可以反映出来，由于受力集中导致图中出现红色CRACK区域。

针对仿真出现的问题；对毛料的形状及压边参数进行调整，实际试压时适当减少3区面积防止了CRACK区域出现断裂，通过实际试压该零件成功率为100%，零件无明显变薄；表面光滑美观，实际成形结果见图9。

图7成形极限图

图8边界流动图

图9

5.结论

经过广泛收集相关资料，采用有限元模拟仿真的方法预测成形可能出现的变形、起皱及开裂等问题，掌握了板制三通管拉深成形技术。主要优化毛料形状、模具结构、毛料定位方法等工艺参数，实现了工艺参数与模具结构生产中优化配合，达到按给定的工艺参数一次拉深成功。针对难以计算拉深系数预测成形成败的零件，采用数字模拟仿真的手段能很方便预测成形可能出现的问题；推广数字模拟仿真技术是解决复杂拉深件成形问题最有效的方法。

参考文献

[1]《冷冲压成形工艺与模具设计制造》西北工业大学出版社 李寿萱 主编

[2]《航空制造工程手册・飞机钣金工艺》 航空工业出版社《航空制造工程手册》总编委会 主编

[3]《冷冲模设计》国防工业出版社 《航空工艺装备设计手册》编写组 主编

[4]《板料成形CAE设计及应用》北京航空航天大学出版社 王秀风 郎利辉 主编 [5]《板料冷压成形的工程解析》北京航空航天大学出版社 胡世光 陈鹤峥 主编

题目或范围：基于数字化仿真的三通半管拉深成形技术