3-35 厚壁圆筒件成形工艺及有限元模拟

周朝辉 曹海桥 吉 卫

　　整个成形过程需分两步完成：（1）在预锻模中镦锻和冲盲孔锻出筒体的下半部和法兰边，经加工后得到预制毛坯；（2）由预锻毛坯的法兰部分热拉深成形筒体的筒壁部分。拉深时，凸模向下运动至与筒底接触，筒壁与法兰的过渡圆角开始变形，法兰向上翻起，圆角刚被拉直，即开始出现颈缩，随着颈缩的出现，因其截面积减小引起承载能力下降，凸模继续向下移动，颈缩越来越严重，法兰部分基本不再变形，筒体局部拉长。再继续下去筒体即会被拉断，试验停止。由拉深力公式分析得知，要减小拉深力，可减小预制坯法兰直径和厚度。重新设计预制坯，法兰直径由原来的f 750mm减小到f 700mm，厚度由原来的72mm减小到65mm。根据体积不变原则，必须增加筒体高度，相应的盲孔深度增加了，加大了预成形冲盲孔的难度，需由机加辅助完成。工艺改进的另一个措施是增加水冷却装置，即进行温差拉深，由于坯料整体在燃气炉中加热，因此模具上不考虑局部加热装置，只增加了水冷却装置。同时修改模具结构，以改善毛坯受力状况，进一步减小拉深力，用有限的装模空间，增加凹模高度65mm，加大凹模锥形空间，毛坯的受力点外移，从而使毛坯的肩部悬空，可减小变形时所需的拉深力。

　　试验结果表明，以上改进措施有效地减小了颈缩量，成形件能满足机加的余量要求。引进有限元模拟技术，运用热交换区域设置边界条件，成功地建立了热力耦合刚粘塑性有限元模型并进行了模拟计算。分析了金属应力、应变、温度场及颈缩缺陷与成形工艺、预制坯尺寸、模具尺寸、冷却条件的关系，得到了与前两次试验较为一致的结果。在此基础上提出了消除颈缩缺陷的解决方案，即采用3次热拉深成形，并对其进行了理论计算，随后又进行了有限元模拟，理论计算及模拟结果表明，工件不会产生颈缩缺陷。

　　由此可得到结论：(1) 厚壁圆筒件采用温差拉深，可有效降低拉深系数，提高筒壁承载能力，减少颈缩量；但要完全消除颈缩，一次拉深是不可能的，必须增加拉深次数；(2) 采用有限元模拟厚壁圆筒件热拉深成形，可分析制件应力、应变、温度分布，并进行缺陷预测，能有效地指导实际生产；(3) 运用热交换区域设置边界条件，建立了水冷模型，模拟结果表明，模型的建立是正确的。对类似的有限元建模有较好的指导意义；(4) 3次拉深理论计算及模拟结果显示，工件不会出现颈缩缺陷。