如何减小拉深系数以及改善壁厚的方法

如何减小拉深系数以及改善壁厚的方法

摘要：通过拉深成形的研究和试验, 发现拉裂总是在某些危险部位最先产生，从而导致整个拉深成形失败, 而且这些危险部位的产生与拉深过程中金属的流动趋势有很大的关系。提出了一种通过在拉深过程中某一时刻给工件的侧壁变薄部位主动施加一定的外力，改变侧壁的金属流动趋势, 防止变薄区材料尤其是危险断面的进一步变薄 , 使壁厚变厚处更多地参与变形, 拉深件壁厚分布趋向均匀, 从而推迟了开裂的产生, 拉深件的成形效率也将大大提高。采用数值模拟分析了传统气胀成形中筒底减薄率过大的原因，实验研究了不同加载路径对TA15 筒形件减薄率的影响。

关键词：拉深系数热拉深-气胀成形壁厚均匀性

（一）减小拉深系数

生产中一般用极限拉深系数描述金属板料的拉深成形性能, 极限拉深系数越小, 板料的拉深性能就越好, 制件的拉深次数就越少, 拉深效率就越高。长期以来, 如何降低金属板料的极限拉深系数, 一直是金属塑性成形界研究的热点。目前, 提高金属板料拉深效率的主要途径着重集中在通过优化成形工艺参数 (凸凹模圆角、压边力、摩擦系数等) 来降低极限拉深系数, 取得了一定的效果。本文提出了一种提高筒形件拉深效率的新途径, 通过主动施加外力, 改变金属板料在拉深过程中的流动趋势,降低极限拉深系数, 提高拉深效率, 并针对研究的筒形件设计出了拉深成形模具。

通过研究和试验, 发现拉裂总是在某些危险部位最先产生, 拉深件壁厚分布不均匀, 变形不均匀, 其拉深破裂总是在壁厚变薄最大处发生,从而导致整个拉深失败。据此提出如果在拉深过程中某一时刻给工件的侧壁变薄部位主动施加一定的外力, 让工件抱紧凸模, 增加凸模与工件间的摩擦力, 改变侧壁的金属流动趋势, 防止变薄区材料尤其是危险断面的进一步变薄, 使壁厚变厚处更多地参与变形, 拉深件壁厚分布趋向均匀, 从而推迟了开裂的产生, 提高了材料的拉深变形程度, 减少了拉深次数, 拉深件的成形效率也将大大提高。降低极限拉深系数, 提高拉深效率一直是国内外塑性加工界研究的热点。本文通过主动施加外力, 改变金属板料流动趋势来提高拉深效率, 并设计制造出了利用该方法提高筒形件拉深效率的模具, 经实践证明该方法是有效可行的,对该新途径的进一步应用目前正在研究之中。

（二）改善壁厚分布的方法

本文通过对TA15钛合金板材气胀成形过程进行数值模拟以及试验，探讨了热拉深-气胀复合成形工艺的可行性，初步开展了加载路径对成形件壁厚均匀性的影响研究。

本文以图1 所示凹底筒形件为研究对象，实验材料为直径150mm，厚度1．2 mm 的TA15的钛合金板材。

本文所探讨的筒形件热拉深一气胀成形，其基本原理如图所示。该工艺过程分为二个阶段: 高温拉深阶段和气压胀形阶段。首先，将板材置于凹模上，与凹模共同加热到一定温度,在较小的压边力作用下，采用凸模进行一定程度的拉深预成形，使部分法兰区的板料进入凹模；然后加大压边力，在法兰区形成密封，注入高压气体介质使板材发生胀形,获得成形件。拉深过程的补料量将影响成形件的减薄率，补料越多，筒形件底部的减薄率越小，成形件整体的壁厚均匀性越好。本文采用哈尔滨工业大学自行研制的拉深一气胀成形装置进行热拉深一气胀实验研究,该装置采用感应加热装置实现模具快速加热,具有温度、气压、压边力控制功能。以图所示凹底筒形零件为研究对象，开展钦合金热拉深一气胀成形实验研究，探讨气压加载路径、温度等工艺参数对成形件壁厚减薄率的影响。

将气胀过程气体加载压力随时间的变化曲线定义为气胀加载路径，将拉深过程凸模的运动随时间的变化曲线定义为拉深加载路径，则不同的加载路径成为影响零件成形结果、尤其是壁厚分布的核心因素。实验中为了对比加载路径对成形的影响，采用 3 种加载路径: 拉深-气胀复合路径、快速气胀路径和慢速气胀路径。

拉深-气胀复合加载路径如图所示，分为2个阶段: 在拉深阶段快速拉深10 mm，拉深所采取的加载路径见图（a），冲头初始温度控制在600 ℃左右、凹模温度始终控制在 800 ℃左右，压边力16 kN；在气胀阶段，快速加热凹模到900 ℃并保持温度不变，将压边力增大到 500 kN，确保法兰处稳定密封，然后，通入氩气胀形，胀形过程气体加载路径如图 ( b) 所示，图中 b c d 所标记的是复合成形的中间过程，分别为气体压力加载到1.5、2.0、 3.0、4.0MPa，对应所用的成形时间为3 5 2 5 min，总成形时间为15 min。

快速气胀路径即没有拉深阶段，直接快速进行气压胀形，相当于预拉深的深度为 0 mm，即直接将凹模加热至900 ℃，将压边力控制在500 kN，然后，采用图 ( b) 所示的气压加载路径进行气胀成形，气胀速度较快，加载总时间。

慢速气胀加载路径如图所示，也是不进行拉深，直接进行气胀成形，但与快速气胀加载路径相比，气压加载总时间为55 min，约为快速气胀加载路径的4 倍。

下图为热拉深-气胀成形过程不同阶段的中间状态和最终成形件。拉深阶段完成时，拉深深度达10 mm，法兰外径由初始坯料的 150 mm 变为144 mm，可见材料被有效地拉入凹模型腔。将图中 ( a) 和( d) 成形件沿对称线切割开，以顶端中点为中心沿直径方向每隔 3 mm 一个测点，测量成形件壁厚，计算减薄率，绘制的减薄率分布如下图中曲线1 和2 所示。

下图分别是快速气胀和慢速气胀成形件，其减薄率分布曲线为曲线 3 和 4。曲线3 是在快速气体加载路径下的气胀成形试件壁厚减薄率分布，可以看到，其严重减薄同样发生在凹底内圆角 b 处及底部圆角 d 处，分别减薄54.2%、46.9%，其他部位减薄率在,20% ～ 35%。曲线4 是在慢速气体加载路径下的气胀。成形试件壁厚减薄率分布，可以很清楚地看到，其壁厚减薄非常严重，最大减薄率为63.2%，减薄率分布极不均匀。快速气胀减薄率低于慢速气胀，可能是变形过程中发生了应变速率硬化，进而提高了壁厚均匀性，尚待进一步深入研究。

通过减薄率对比可见，不同加载路径对凹底筒形件壁厚分布有重要影响。热拉深-气胀复合成形通过拉深将法兰区材料引入凹模型腔，可有效改善壁厚分布均匀性，使零件最大减薄率由63.2%降低到36.7%，因此，可以作为此类零件成形的一个新方法。