【正文】 非常復(fù)雜 [6]。按力學(xué)變形的特點，拉深工件可分為桶形件（圓桶形件，帶凸緣圓桶件，階梯圓桶件）、曲面回轉(zhuǎn)體零件（球形、拋 物線形、錐形等）、盒形件（方形、矩形、橢圓形等）和不規(guī)則形狀零件等四大類。 半球形件是比較常見的、幾何形狀比較規(guī)則的、應(yīng)用比較廣泛的一類曲面回轉(zhuǎn)體沖壓件，在軸對稱零件中也具有一定的代表性，屬于薄板金屬沖壓中較難成形的一類零件，其在成形過程中的變形特點是值得研究的。因此本文以半球形件沖壓工藝為研究起點，通過施加拉延筋并改變拉延筋的各參數(shù)來減少起皺與拉裂，使成形效果達到進一步優(yōu)化 [7]。 半球形件沖壓成形的變形特點 （ 1）半球形件初次拉深成形時，零件表面的網(wǎng)格發(fā)生了明顯變化，說明凸緣變形區(qū)直邊部 分發(fā)生了橫向壓縮變形，使圓角處的應(yīng)變強化得到緩和，從而減小了圓角部分傳力區(qū)的軸向拉應(yīng)力，相對增加了傳力區(qū)的承載能力 (如圖 ）。 1. 凸模 圖 劃分網(wǎng)格后的有限元模型 （ 2）半球形件拉深時，凸緣變形區(qū)圓角處的拉深阻力大于直邊的拉深阻力，造成圓角處的變形程度比直邊處的變形程度要大。因此，變形區(qū)內(nèi)直邊處大于圓角處金屬質(zhì)點的位移量，從而使這兩處的位移速度不同，而毛坯中這兩部分又是一個聯(lián)系在一起的整體，變形時必然會相互牽制，這種位移速度差就會引起剪切力，而這種剪切力 被稱為位移速度誘本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 5 頁 共 41 頁 發(fā)剪應(yīng)力。誘發(fā)的剪切力在兩處交界面處達到了最大值，并沿著直徑和圓角處的中心線逐漸減小 [8]。 實際上曲面零件的成形，是坯料從凹模端面的拉入和凸模底部坯料的變薄所導(dǎo)致，即曲面零件成形的機理，是坯料的拉深與脹形兩種變形方式的復(fù)合。 半球形件沖壓成形遇到的問題 和普通光板一樣，半球形件的沖壓成形是一個復(fù)雜的、多重非線性的力學(xué)變形過程，且由于半球形件的材料、曲面的存在，使半球形件的沖壓成形過程變得復(fù)雜，因此其成形過程也出現(xiàn)了較多的缺陷，總體來說，半球形件的主要缺陷形式有：起皺、破裂等 [10]。 起皺 薄板在沖壓成形時，為使金屬發(fā)生塑性變形，模具要對板料施加外力，使在板內(nèi)形成復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，由于板料的厚度相對于其他兩個方面的尺寸是非常小的，因此厚度方向是不穩(wěn)定。板厚方向在板料內(nèi)的壓應(yīng)力作用下達到失穩(wěn)極值時，板料發(fā)生起皺現(xiàn)象。起皺是影響板料在沖壓成形中面形狀精度不良的主要因素。 一般來說，沖壓零件上發(fā)生劇烈形變的位置周圍，因為毛坯的變形不能均勻的分布，導(dǎo)致零件表面上易形成部分起伏（或凸凹），當(dāng)起伏高度保持在 范圍內(nèi)時，稱為“面畸變”，當(dāng)起伏高度達到或超過 時則稱為“ 起皺”。起皺是板料拉深成形中的一種不利現(xiàn)象，輕微的起皺會使產(chǎn)品的形狀精度、尺寸精度以及表面質(zhì)量等受到影響，而嚴(yán)重的起皺影響加工過程的順利進行。因此，科學(xué)地掌握起與了解起皺發(fā)生的規(guī)律，對板料成形技術(shù)的進步具有很重要的意義。 在板料沖壓過程中會產(chǎn)生各種各樣的起皺，按造成起皺的外力分可以分為四類（如圖），這和引起起皺的外力分類（包括壓縮力、剪切力、不均勻拉深力以及平面內(nèi)彎曲力等四類）是一一對應(yīng)的。按起皺發(fā)生的位置分也有四類：凹模表面、凹?？诓俊⒗顐?cè)壁和凸模底部。 圖 板料起皺類型 在半球形件沖壓成形過程中，薄板的起皺過程與普通光板類似，但在凹模法蘭區(qū)（如圖 ）最容易發(fā)生起皺，這不僅受拉深系數(shù)和凹模工作部分的幾何形狀有影響，最重主本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 6 頁 共 41 頁 要的是受相對厚度（ 0/tD，其中 t 是拉深前板料的厚度， 0D 是拉深前毛坯直徑）的影響，中國科學(xué)院金屬研究所的張士宏等人通過研究得知：板料毛坯的相對厚度越大，拉深變形區(qū)抗失穩(wěn)能力越差，也越容易 產(chǎn)生起皺，而且起皺最先會發(fā)生在法蘭區(qū)。 李春峰經(jīng)過試驗研究及理論分析，提出了半球形零件沖壓變形失穩(wěn)點的概念，通過對研究半球形零件沖壓變形失穩(wěn)點，得出半球形件起皺大多發(fā)生在相對半徑為 ～ 附近的位置，而在相對半徑 的位置容易發(fā)生裂紋，在試件的平面應(yīng)變狀態(tài)點附近會產(chǎn)生破裂點。 我們可以通過增加材料流動的阻力來消除半球形件沖壓過程中發(fā)生的起皺現(xiàn)象，可以在起皺區(qū)引入材料的流動阻力，消除一些壓應(yīng)力的影響。還可以采取使用分塊或階梯壓邊圈，加大壓邊力，也可以在法蘭區(qū)設(shè)置拉延筋，使法蘭區(qū)部分材料的流動阻力加 大，從而達到消除起皺。但是，如果壓邊力或拉延筋的約束力太大，材料就會出現(xiàn)拉裂。相反，如果壓邊力或拉延筋的約束力不夠大，材料流動的阻力太小，就不能夠有效的消除起皺現(xiàn)象。一般而言，理想的壓邊力規(guī)律應(yīng)該是：在最初的時候壓邊力應(yīng)稍大一些，使板料發(fā)生拉深，當(dāng)沖頭運動行程已經(jīng)比較大時，壓邊力開始應(yīng)適當(dāng)變小點，避免產(chǎn)生拉裂。但在現(xiàn)實的操作中控制壓邊力大小的準(zhǔn)確度還是有些難度的。 破裂 在半球形件沖壓成形中拉深失穩(wěn)的另一表現(xiàn)就是破裂。在拉應(yīng)力作用下毛坯發(fā)生塑性變形時，材料的應(yīng)變強化效應(yīng)在增加，承載面積卻是在縮 小。當(dāng)材料硬化的應(yīng)力增量足以彌補承載面積的減小量并且還能保持穩(wěn)定變形所需要的應(yīng)力增加值時，拉深變形可以穩(wěn)定進行；當(dāng)兩者相等時，拉深變形處于臨界狀態(tài)，即失穩(wěn)點；當(dāng)材料硬化的應(yīng)力增量小于承載面積的減小需要的應(yīng)力增加值時，毛坯會失穩(wěn)發(fā)生破裂（如圖 ）。破裂和起皺的實質(zhì)是相同的，都是不能穩(wěn)定進行變形導(dǎo)致的。不同的是，拉深失穩(wěn)只有在材料進行塑性變形時會發(fā)生，半球形件的底部容易發(fā)生破裂，因為產(chǎn)生應(yīng)力比較集中。 圖 半球形件沖壓成形起皺 圖 半 球形件沖壓成形破裂 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 7 頁 共 41 頁 影響半球形件沖壓成形的因素 造成以上缺陷的影響因素非常多，如毛坯幾何參數(shù)、模具幾何參數(shù)、板材性能參數(shù)（如板料的強度比）、工藝條件（如壓邊力、沖壓速度、模具和板料的潤滑條件等）等等。 毛坯幾何參數(shù) 對于半球形件來說，其毛坯幾何參數(shù)主要包括：相對厚度、板料的初始外形和尺寸。 （ 1）相對厚度（ 0/tD） 在半球形件沖壓成形過程中，薄板與普通光板的起皺過程有很多相同，但在凹模法蘭區(qū)非常容易起皺（如圖 ），這不 僅受拉深系數(shù)和凹模工作部分的幾何形狀影響，最主要是與相對厚度有關(guān)。對于同一材料，相對厚度的增加會使得切向壓邊力大大增加，從而增加板材的穩(wěn)定性，也就是說在承受較大的切向壓應(yīng)力時還能不發(fā)生屈曲保持平面的平衡，因而可以用 0/tD來衡量板材的穩(wěn)定性，這就是為什么在薄板成形中采用疊層拉深可以提高穩(wěn)定性的原因。對于沖壓成形中的內(nèi)皺問題，可以通過提高板料的相對厚度來防止內(nèi)皺的產(chǎn)生 [11]。 （ 2）毛坯的形狀和尺寸 毛坯的初始形狀與尺寸是影響成形效果的重要因素之一。毛坯形 狀與尺寸設(shè)計的合理，有利于改善沖壓過程中材料的流動性，從而降低產(chǎn)生拉裂、起皺的可能性，提高零件的成形性。合理的毛坯形狀與尺寸，不僅可以彌補材料自身成形性的不足，也可以對模具設(shè)計制造上的欠缺進行一定補償，減少修模次數(shù)，降低廢品率。 沖壓工藝參數(shù) 影響板料成形的工藝條件有：壓邊力、摩擦系數(shù)、沖壓速度等。 （ 1）壓邊力 壓邊力是沖壓成形過程中影響沖壓件成形質(zhì)量的重要工藝參數(shù)，它可以改變材料中的拉應(yīng)力大小，從而影響材料的流動。所以采用合理的壓邊力可以預(yù)防半球形件成形中過早產(chǎn)生起皺和破裂，還可以使 生產(chǎn)的效率提高 [12]。 傳統(tǒng)的壓邊力控制方法有兩種，一種是基于單動壓力機的，主要通過彈性裝置、氣墊和液壓墊來控制壓邊力。另一種是基于雙動壓機，由獨立的滑塊驅(qū)動壓邊圈，控制壓邊力大小，一般壓邊力不隨拉深行程變化。 （ 2）沖壓速度 沖壓速度也是沖壓成形過程中影響沖壓件成形質(zhì)量的重要工藝參數(shù)，它是通過向材料本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 8 頁 共 41 頁 施加的正向壓應(yīng)力來控制材料流動的。合適的沖壓速度不但能防止半球形件成形中起皺和破裂的過早出現(xiàn)，還能提高生產(chǎn)效率。沖壓速度大小因其成形方式、成形條件不同而不同，因此要根據(jù)具體問題具體分析 。較大的沖壓速度會 導(dǎo)致形件的破裂，較小則達不到?jīng)_壓要求。 在實際生產(chǎn)中，為了提高生產(chǎn)效率，沖壓速度一般取較大值。 （ 3）摩擦系數(shù) 在拉深成形過程摩擦系數(shù)的大小對成形的影響是雙重的。不僅使板料在拉深過程中的摩擦損耗減小，還可以使半球形件形件壁傳力區(qū)的負(fù)擔(dān)減小，所以應(yīng)該盡量減小摩擦系數(shù)，使凹模與壓邊圈和板料接觸的工作表面比較光滑，使半球形件金屬流動條件得到改善，有益于材料的拉深成形。另一方面，凸模與半球形件之間的摩擦可以增大拉深能力。一般來說，摩擦系數(shù)越大，破裂臨界壓邊力就小。因而增大時，拉深中的起皺臨界壓邊力減小，使起皺的 可能減小。 模具幾何參數(shù) 模具幾何參數(shù)包括：凹模圓角半徑 dr 、凹模截面尺寸 B和拉延筋。 （ 1）模具圓角半徑 一般來說，模具圓角半徑取值太小，會導(dǎo)致零件的成形質(zhì)量不理想，選用較大的模具圓角半徑會使成形的安全區(qū)域變大。圓角半徑的尺寸對板料通過圓角時的張力有一定影響，圓角半徑越小板料的張力就越大，板料的變形也就越大。當(dāng)圓角半徑增大時，板料彎曲半徑增大，回彈角也增大。因此，圓角半徑太大會使板料發(fā)生回彈導(dǎo)致零件的加工精度不準(zhǔn)確；圓角半徑太小，會使板 料變形過程中材料流動性減小，出現(xiàn)零件過早的破裂。同時選擇合理的轉(zhuǎn)角半徑，也有利于提高成形質(zhì)量，如果轉(zhuǎn)角半徑過小，材料容易發(fā)生破裂。 凹模圓角半徑相對于凸模圓角半徑來說對板料的影響更大，凹模圓角半徑對板料流入凹模的速度有很深影響，凹模圓角半徑越大，會使降低板料流入模腔的難度，易于板料成形；反之，凹模圓角半徑越小，板料成形的阻力大，板料就容易破裂 [13]。 （ 2）凹模界面尺寸 凹模截面尺寸的大小在很大程度上影響工件的拉深成形，當(dāng)凹模截面尺寸不夠大時，材料很難流入模腔，就會產(chǎn)生起皺現(xiàn)象。 （ 3）拉延筋 拉延筋在沖壓成形中能使進料阻力增加，拉延筋阻力是由坯料通過拉延時的彎曲反彎曲變形力、摩擦力以及因變形硬化引起的再變形抗力增量二部分組成的。板料流經(jīng)拉延筋本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 9 頁 共 41 頁 時，發(fā)生了彎曲、回復(fù)、彎曲的反復(fù)變形，這些變形所需要的變形力加上板料經(jīng)過拉延筋時產(chǎn)生的摩擦力都施加在板料上，使板料流動的進料阻力變大 [1416]。 材料性能參數(shù) 影響板料成形的材料性能參數(shù)主要有：強度系數(shù) K、厚向異性指數(shù) r及材料強化指數(shù) n。 （ 1）強度系數(shù) 材料的強度性能用強度系數(shù) K表示，不同材料決定了強度系數(shù) K的不同。當(dāng) K值增加時 ，起皺臨界壓邊力也會增加，隨著強度系數(shù)的增加破裂失效時的極限載荷也會增加，所以破裂臨界壓邊力也會增加。 （ 2）厚向異性指數(shù) 板料在生產(chǎn)加工中要經(jīng)過軋制與退火等工藝，這就使得板料各個方向的塑性存在差異，也叫做板料的塑性各向異性。板料在板平面方向和厚度方向上由于各向異性而引起應(yīng)變能力不一致通常用厚向異性指數(shù)表示 [17]。厚向異性指數(shù)能體現(xiàn)出板料在板平面內(nèi)承受拉力或壓力時 抵 抗變薄或變厚的能力。 00 45 9024r r rr ??? （ ） 式 00r 、 45r 、 90r 分別 0176。、 45176。、 90176。方向上的異性指數(shù)。 r 值也叫做塑性應(yīng)變比，板料的各向異性在生產(chǎn)中就用其表示，它的大小等于寬度方向上的應(yīng)變 b? 與厚度方向上的應(yīng)變 t? 之比。 r 值越大，表示板料在寬度方向上越容易產(chǎn)生變形，越容易避免發(fā)生起皺；在拉應(yīng)力作用下， r 值越大，板料的拉深處不易變薄，就不容易發(fā)生拉裂。 （ 3）應(yīng)變強化指數(shù) 應(yīng)變強化指數(shù) n值也叫做加工硬化指數(shù)或者說是硬化系數(shù)，它表示板料在冷變形過程中材料的變形抗力 (強度 )隨變形程度增大而增加的性質(zhì) [18]。材料的 n值越大，同樣的變形條件下的應(yīng)力增加得越多。所以在拉深過程中加工的材料硬化越強越不容易產(chǎn)生細(xì)頸，因此可以相對的延緩危險斷面的變薄和拉斷現(xiàn)象。由 此可見，破裂臨界壓邊力隨 n值的增大而增大，而隨著 n值的增大，起皺臨界壓邊力減小。所以安全區(qū)域隨著應(yīng)變強化指數(shù) n值的增大而增大。 本文研究的主要因素 由上可知，影響半球形件沖壓成形中拉延筋設(shè)計的因素是眾多而繁雜的，要對這些因素一一進行分析是十分困難的，也沒有必要，因為對于一些特定的沖壓設(shè)備，或特定的零本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 10 頁 共 41 頁 件，一些因素是比較固定或者對半球形的成形影響比較小，比如本文研究得是材料相同的半球形件，其強度比是固定的。因而本文只選擇其中對半球形件沖壓成形中拉延筋設(shè)計影響比較大的因素進行分析。 通過設(shè)置和改變拉 延筋的位置、拉延筋的類型、拉延筋的高度、壓邊力和拉深速度等對半球形件沖壓成形中拉延筋設(shè)計有重要影響的因素，來對做試驗。因此，本課題選取影響半球