单模变薄拉深成形的有限元模拟
1引言
变薄拉深因其可加工尺寸精度高、表面光洁度好的零件而被广泛应用于轻工业和电子工业中，不锈钢也越来越多地用来加工各种深拉深产品，而成形深拉深产品的有效方法就是将拉深工艺和变薄拉深工艺结合起来［1。影响变薄拉深成形的主要因素是变薄系数、凹模锥角、材料性能和磨擦系数等，通过记录变形力曲线，可分析得到各种因素是如何影响变形过程的，分析结果可以用来指导生产实践。但由于准备试样、加工实验模具、做工艺实验等工作的繁复，手册提供的数据又不适合新材料，在进行实际的工艺设计和模具设计时还是遇到不少困难。
有限元方法在成功地解决了大量弹性问题后，又被塑性领域的专家和学者所认可，它在模拟变形过程、预测坯料在模具中的流动、分析模具的受力状态、预测成型缺陷以及优化工艺参数等方面起着不可替代的作用，国内有不少学者进行了锻造方面的研究［2，3］。塑性有限元方法一般以刚塑性有限元理论为基础，再辅之较强的前后处理功能，其模拟结果具有直观和可靠等特点，是工程师进行工艺研究、工艺设计和模具设计的得力帮手。但是对变薄拉深进行有限元模拟研究的文章很少，对变薄拉深的模拟研究主要是凹模锥角对成形的影响。本文主要研究不同变形程度对变形力的影响，所得结果与实验结果相比较，变形力随变形程度的变化规律一致，结果较接近，对实际生产具有指导作用。
2模拟和实验结果的分析
本文采用MAFAP系统进行变薄拉深的有限元模拟。单模变薄拉深的模具结构和毛坯的受力状态如图1所示，凹模锥角为15°，在变形过程中筒形毛坯内径基本不变，壁厚变薄。变形程度的大小用变薄系数t1/t0表示，变薄系数越小变形程度越大，成形力就越大，当成形力超过所成形零件的强度时工件破坏。即，变薄系数的选取直接关系到工艺的成功与否，而决定材料的极限变薄系数是作出正确选择的前提。
图1毛坯的受力状态
本实验所用材料为SUS304，变薄拉深用筒形毛坯由普通拉深后切边、退火得到，尺寸为(mm)：d=9.2、t0=0.82、h=25。
有限元模拟毛坯网格随时间的变化见图2，有限元模拟过程中重划网格前后的网格变化见图3。
图2毛坯网格随时间的变化
图3拉深力——行程曲线
单模变薄拉深力——行程曲线如图3所示，模拟与实验得到的单模变薄系数和最大成形力的关系如图4示，图5为变形终止时刻工件上的等效应变分布。
图4单模变薄系数和成形力的关系
图5工件的等效应变分布图
由图5可见，变薄拉深时，变薄系数越小，变形程度越大，成形力越大，模拟结果与实验结果有相同的趋向，且都预示单模变薄拉深的极限变薄系数为0.52。二者在变形力上的差别是由于计算中采用的工件几何尺寸与实验毛坯不同造成的。
3结论
本文对于变薄拉深变形力与变形程度关系进行的有限元模拟与实验研究得出基本一致的结果，说明有限元方法是进行变薄拉深研究的有力工具，关于单模变薄拉深极限变薄系数为0.52对工程应用有着重要的价值，本文研究对开展双模变薄拉深和多模变薄拉深研究有参考价值。
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