蘭州方桶底蓋成形拉裂缺陷分析

從材質、板厚、下壓邊圈的圓角半徑大小、拉深系數、壓邊力大小以及有無潤滑條件等方面入手，分析了方桶底蓋多點成形拉裂缺陷，并作了相關的實驗驗證。

1 引言

多點成形是利用高度可調的基本體群形成離散曲面，從而代替傳統模具進行三維曲面成形的柔性加工技術。相對于傳統的模具成形方法，它實現了一機多用的構想，既節省了模具設計制造所需的工時和費用，又可降低產品成本，加速產品的更新換代。

方桶底蓋是典型的薄板拉深沖壓件。方桶底蓋多點成形與圓桶底蓋的成形相比，在變形性質上是一致的，變形區的材料都是在拉、壓應力狀態下產生塑性變形。它們之間的差異在于方桶底蓋多點成形時，沿變形區周邊的應變分布是不均勻的，并隨方桶底蓋的幾何參數、板材形狀及拉深成形條件的不同，這種不均勻變形程度也不相同。因此，方桶底蓋的多點成形情況要復雜得多。

2 多點成形基本原理

2.1 多點模具成形基本原理

圖1a所示為具有壓邊裝置的多點模具成形原理示意圖。多點模具成形是多點成形中的成形方式。成形前，調節各基本體的高度并固定形成目標曲面。成形過程中，上、下基本體群分別作為一個整體運動，在相鄰的基本體之間無相對運動。其主要特點是裝置簡單，易于實現自動控制。

2.2 多點壓機成形基本原理

這種成形方式在成形中能分別控制各基本體的位移量、移動時間和速度等，可以給予板材任意的變形路徑。隨著各基本體的運動速度和開始、終了等狀態的變化，板材的受力狀態和變形情況將有很大的不同。圖1b所示為多點壓機成形原理示意圖。

具有壓邊裝置的多點成形示意圖

（a）具有壓邊裝置的多點模具成形；（b）具有壓邊裝置的多點壓機成形

3 方桶底蓋的多點成形特點

方桶底蓋可以看成由直邊部分和轉角部分組成。方桶底蓋多點成形時，轉角部分近似圓桶底蓋拉深，直邊部分近似板材彎曲。因此，方桶底蓋多點成形是轉角部分拉深、直邊部分彎曲兩種變形方式的復合。其變形特點可以歸納為以下幾點：

（1）轉角部分的變形基本與圓桶底蓋拉深相似，只是由于金屬向直邊流動，使得應力σp和σθ在轉角部分的分布不均勻，轉角中部，逐漸向兩邊減小（圖2）。

方桶底蓋多點成形時應力分布

（2）拉深時，直邊部分除彎曲變形外，在與轉角的連接部分，還有橫向壓縮及縱向伸長，因而其應力也包括縱向拉應力和橫向壓應力兩部分。

（3）雖然轉角部分的拉應力σp分布不均勻，但其平均拉應力比相同尺寸的圓桶底蓋的徑向拉應力要小得多。因而方桶底蓋拉深系數相應較小，極限變形程度可相應增大。

（4）方桶底蓋的應力出現在轉角部分，因而破裂、起皺等成形缺陷也多在轉角部分產生。

（5）方桶底蓋多點成形時，轉角側壁底部與上基本體相切處受到兩個方向的拉應力和厚度方向的壓應力，所以在轉角側壁底部與上基本體相切處易發生拉裂（拉深破裂），而外邊根部圓角附近側壁拉伸應變與厚向變薄量也均為，所以容易引起外邊根部圓角附近側壁產生拉裂，即所謂的壁裂。

4 影響拉裂和壁裂的主要因素及抑制方法

由上可知，拉裂和壁裂是方桶底蓋多點成形的主要缺陷。當側壁處所承受的拉應力超過了材料的強度極，工件就會被拉裂，裂口一般出現在轉角側壁底部與上基本體相切處。

影響側壁強度的因素有：毛坯材料的力學性能、毛坯厚度、拉深系數、下壓邊圈的圓角半徑大小、壓邊力大小及摩擦系數等。因此，為了防止工件嚴重變薄、拉裂，在制定拉深工藝，進行生產時，應采取有效措施，來預防拉裂。

4.1 合理選用材料

通常板材拉深選材應考慮下列幾點：

（1）屈強比σs/σb要小。材料易流動，拉深成形性能好；材料不易破裂。

（2）厚向異性指數r和應變硬化指數n要大。r值愈大，厚向應變愈小，危險斷面不易變薄、拉裂，極限拉深系數也就愈小；n值愈大，所能承受的極限拉深變形量愈大，危險斷面的嚴重變薄和拉裂現象可相應推遲，極限拉深系數也愈小。

（3）厚度t0應盡可能的大。這有利于提高工件抗失穩能力。

4.2 正確確定下壓邊圈的圓角半徑R下

R下太小，材料在拉深成形過程中的彎曲阻力增加，從而使側壁傳力區的拉應力增加，危險斷面易拉裂；R下太大，又會減小蓋邊部分的有效壓邊面積，使蓋邊部分材料易起皺。因此，應綜合考慮選擇有助于降低極限拉深系數的R下，通常取：

R下=（6~10）t

上式薄料取上限，厚料取下限。

4.3 合理選取拉深系數

拉深系數取得小，可以加大變形程度，但會增加拉深力，使工件側壁嚴重變薄，甚至導致拉裂。因此，在選取拉深系數時，應考慮，不要片面追求過小的拉深系數。

4.4 施加合適的壓邊力

薄板拉深成形過程中，壓邊圈的主要作用有兩點, 一是通過對板材施加法向壓力來控制材料的流動，使材料充分塑性變形以提高工件剛度；二是防止和減小蓋邊部分的起皺。在壓邊圈上施加的壓邊力要適當，過大的壓邊力會使工件轉角側壁底部與上基本體相切處的危險斷面過分變薄以至拉裂，壓邊力過小則起不到防止起皺的作用。

對于先落料后拉深的方桶底蓋加工工藝，可按工件復雜程度計算單位壓邊力：難加工件p=3.7MPa；普通加工件p=3MPq；易加工件p=2.5MPa。

4.5 進行正確潤滑

方桶底蓋多點成形時采用必要的潤滑，有利于拉深工藝的順利進行，且使工件側壁變薄得到改善。具體操作時注意潤滑劑只能涂在與上、下壓邊圈和下基本體群接觸的板材表面，而在與上基本體群接觸的板材表面上千萬不要潤滑。因板材與上基本體群表面的摩擦可以防止工件滑動，能夠減少危險斷面的拉應力。

5 實驗驗證

針對上述分析，我們作了必要的實驗驗證。

5.1 不同材質的工件成形結果對比

選用三種性能不同的板材，進行試驗，由實驗件

不同材質、厚度的工件成形結果對比

5.2 不同板厚的工件成形結果對比

為便于比較不同板厚的工件成形結果，板材均選用spcc鋼板，試件尺寸分別為140×140×0.3mm和140×140×0.5mm，根據圖3a、圖3c可知，隨著板材的厚度增加，板材的極限拉深系數越小，成形件越不易拉裂。