带有大法兰边的非圆高翻边件成形方法初探
时间：2010-12-20
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翻边成形是塑性成形中的一种基本方式。翻边件广泛应用于汽车、飞机及其他工业生产领域。但对于带有大法兰边的非圆高翻边件(图1)而言，由于法兰大、翻边高度高，结构相对复杂，金属流动影响因素多，其成形有相当难度，极易引起严重变薄甚至开裂。在图1所示件的生产过程中，通过反复实践，克服了严重变薄、翻边开裂，垂直度不好等问题，生产出合格的零件。
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图1 带有大法兰边的非圆高翻边零件
Fig.1 Non_Circular part with big flange
1 工艺方案的确定及成形方法
1.1 工艺方案的确定
该件成形的关键在于翻边。由于翻边高度高，超过了直接翻边成形所能达到的最大翻边高度，因此，无法采用直接翻边法成形，而只能先拉延后翻边(对于大法兰边所说的拉延，并非一般意义上的拉延。从某种意义上讲是一种局部成形，这里只是借用“拉延”一词)。
为了便于生产，拉延时两件共用一块毛料。拉延后从中间剖开，然后进行翻边。为了避免竖直边R转角与法兰边(面)接触成形的小球面处的厚度严重变薄，在不影响零件最后成形尺寸及装配使用关系的前提下，增大拉延模上成形零件小球面处的球面半径，并在毛坯的拉延底面上挖出“人”字形工艺槽。由于该槽的挖制，减小了拉延时底面上受力截面，增大了单位截面的拉应力，利于底面材料向侧壁流动，从而缓解了翻边直壁边缘的严重变薄。
工艺流程为：
毛料→拉延→剖开→翻边→校形。
1.2 拉延高度的确定
为了满足零件的使用要求，必须保证其成形后的最小厚度：
δmin=δ-kδ-∣Δt∣
其中：δ——材料公称厚度，δ=2.5mm；
k——翻边变薄率，取0.25；
∣Δt∣——材料厚度下偏差的绝对值。
因此，成形后的最小厚度δmin=2.5-0.25×2．5－0．15＝1．725(mm)，而翻边前后材料的厚度之间存在如下关系：
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式中：t′——翻边后边缘部位的厚度；
t——板料厚度，t=δ；
d0——预制孔径；
m——翻边系数；
D——翻边后直径。
由于拉延后底部材料变薄很小，可以认为厚度不变，考虑材料厚度的下偏差，则有
d0/D=0.63466≈0.635
所以翻边的极限高度
hmax=1/2D(1-m)+0.57r=16.4(mm)
式中：r——零件圆角。
故有拉延高度h=H-hmax+r+t=18.0mm。
式中：H——零件高度。
实际生产中，经试验实际取定的拉延高度为17.3mm，接近于理论计算值。
1.3 模具结构及拉延后的坯料
拉延翻边在同一套模具上进行，其模具结构见图2。拉延前毛料见图3(a)，拉延后如图3(b)所示。拉延后外形尺寸(总长、总宽)基本没有变化，“人”字形槽被拉动。拉延后从中间分开，去掉余量进行翻边，翻边后，1～4R转角处垂直度较差，可采用校形模校形。
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图2 模具结构图
Fig.2 Die
1.模柄；2.打料杆；3.上模板；4.垫板；
5.导套；6.凹模；7.卸件板；8.压边圈；
9.导柱；10.凸模；11.顶杆；12.下模板；13.定位销。
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（a）
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（b）
图3 拉延前后坯料图
Fig.3 Plate before and after drawing blank
2 应力、应变分析
由于左、右两边拉延形状相似，各点对应的应力、应变特点也相似，故可以取其一边进行分析，把它看作是一个1/2圆的拉延和两个1/4矩形的拉延的组合。
2.1 对大法兰边1/2圆形底的拉延分析
对于大法兰边部分，在拉延过程中，可以分为两区：(1)拉应力σ1影响区，即在该区存在σ1；(2)非σ1影响区，见图4。
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图4 对大法兰边1/2圆形底的拉延分析
Fig.4 The drawing stress of 1/2 circular base of the big flange
在σ1影响区取一个到中心点O的距离为Rx、宽度为dRx的小单元体进行分析，忽略高次项dσ1.dRx，平衡方程为
σ1.Rx.dφ.t+σ1.dRx.dφ.t+dσ1.Rx.dφ.t-σ1.Rx.dφ.t-2σ3.dRx.sin(dφ/2)=0
在dφ为任意小值时，sin(dφ/2)=dφ/2，于是有
R.dσ1+(σ1-σ3)dRx=0
材料发生塑性变形时，根据屈氏准则，有
∣σ1－σ3∣＝β.σs
式中：σs——屈服极限；
σ1，σ3——变形区的拉延与压缩主应力；
β——应力状态系数，(μ：Lode参数)；[img]http://c-cnc/news/file/2008-6/200861416359.gif[/img]
=1.1。[img]http://c-cnc/news/file/2008-6/2008614163520.gif[/img]
有。[img]http://c-cnc/news/file/2008-6/2008614163529.gif[/img]
式中：c——不定积分中的待定常数。
对于大法兰边拉延，由于拉延后坯料尺寸和拉延前相比几乎不变，所以Rt=R0。
r1m——零件的内径平均值，r1m=r1+t/2；
R0——圆形拉延毛坯半径；
Rt——移动的毛坯外径；
Rx——任取的环状小条内径；
t——毛坯厚度(为便于分析，假定在整个拉延过程中厚度不变，即t=δ)。
当Rx≥R0=Rt时，σ1＝0；
当Rx＜R0=Rt时，σ1＝1.1σsln(Rt/Rx)，见图5(a)。
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(a)拉应力图
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(b)压应力图
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(c)应变图
图5 大法兰边拉延时凸缘上的应力、应变曲线
Fig.5 Curve of the stress and
strain while drawing the big flange
对于大法兰边件的拉延，凸缘外缘部分基本不受拉延作用的影响，因此其最大切向压应力σ3并非出现在Rx=R0=Rt位置，相反在该位置σ3＝0，见图5(b)。这是由材料自身的相互牵连作用造成的。随着Rx的减小，σ1在增大，σ3由0变为最大σ3max又减小为0，所以σ3的公式变为σ3＝1．1σs｛1-ln［(Rt-a)/Rx］｝(r1m≤Rx≤Rt-a时)。
式中：a——σ3最大值位置到应力影响区外缘的距离。
由于σ1max＝1．1σs，在理想状态下，不考虑摩擦、凹模圆角度及冷作硬化时，
R0／r1m＝Rt/r1m＝2．72，有R0=Rt=2.72r1m
即当Rx≥R0=Rt=2.72r1m时，不受拉延作用影响。
由应力、应变规律及塑变体积不变条件有
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当ε2＝ε3＝0时，即Rx=0.6Rt时，见图5(c)，不增厚也不变薄，所以有从Rx=Rt=R0到Rx=r1m，材料的厚度变化是先变薄，再变厚，然后又减薄。大法兰边拉延时从r1m位置到凸缘外缘的应力、应变曲线如图5所示。
由于在生产中会受到各种因素的影响，故实际上的Rt（实)与理论Rt之间存在如下关系：
Rt(实)=KRt
式中：K——各种因素影响系数。
r1m/Rt K与材料自身的状态、拉延时的压边力、模具的光滑程度、凹模圆角等因素有关。材料的流动性越好(材料处于退火状态)，压边力越小，摩擦力越小，K值越大，说明法兰面上受拉延作用的影响区域越大，对防止材料的过度变薄、保证零件成形越有利。
2.2 对2个1/4矩形拉延的分析
R转角与法兰面接触形成球面部位的成形类似于压包成形。其受力的厚度方向的压应力和其余两个方向的拉应力。厚度方向的应变为压缩应变，因此该球面位置变薄严重，往往因该位置的严重变薄而导致报废，见图6。
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图6 球面处的应力、应变
Fig.6 Stress and strain at the sphere
由于其厚度方向的应变为
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σ3为负值，∣σ3∣越大，ε3越大；σ1，σ2均为正值，σ1＋σ2越大，ε3越大。ε3为压缩应变，其越大说明变薄越严重。
为减小该球面位置的严重变薄，必须减小垂直于厚度方向的压应力σ3和其他两个方向的拉应力σ1，σ2。
由于σ3的大小与球面的半径有关，球面半径越小，σ3越大，反之就越小。为了减小σ3在不影响零件装配使用的前提下，从零件的成形工艺性角度考虑，采用大半径球面代替原小半径球面，见图7。
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(a)
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(b)
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(c)
图7 用大半径球面代替小半径球面
Fig.7 Replacement of the little radius sphere by the large radius sphere
图7(a)为1/4矩形拉延的直壁R转角与法兰面接触形成的小球面SR5；图7(b)为经过小球面球心、球顶的剖面，连接两切点A，B，F为AB中点，G为EF中点，两个4 mm的圆分别切AK，BH两直线于A，B，经过G点半径为12 mm的球面与两个[img]http://c-cnc/news/file/2008-6/2008614163833.gif[/img]4 mm的圆切于D，C两点，以SR12大球面代替原SR5小球面，见图7(c)。[img]http://c-cnc/news/file/2008-6/2008614163833.gif[/img]
为了减小拉应力σ1，σ2，除增大R转角处的模具间隙外，还在底面上开出“人”字形槽，以利于材料流动。
翻边后翻边区垂直度不好，要进一步校正垂直度。
经实践证明，挖工艺槽及采用大球面拉延对防止球面处厚度过薄有很好的效果。
3 结束语
对于带大法兰边的非圆高翻边件的成形，拉延高度要根据零件成形后的最小厚度要求以及材料状态、摩擦系数等因素确定。
为了有效地防止材料变薄，采用开工艺槽及采用大球面半径是切实有效的工艺措施。