1、西安航空职业学院毕业论文高温合金盒形件整体拉深工艺研究姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘 要 针对高温合金盒形零件，以成形零件质量为研究对象，采用数值模拟和工艺试验相结合的方法，对零件的成形工艺进行了研究。利用有限元模拟分析软件PAMSTAMP2G对高温合金盒形件成形过程进行了有限元模拟仿真，分析了压边力等工艺参数对成形零件起皱和拉破等工艺缺陷的影响，得到了该零件最优的压边力加载方式。为试验研究提供了参考依据。关键词 PAMSTAMP2G，数值模拟，高温合金，拉深1 引言高温合金具有较高的高温强度，优异的持久、蠕变和疲劳性能，同时具备良好的加工和焊接性能，广泛用于航空、航天、石化等领域1。高温合金钣金零件拉深成形工艺是其塑性成形的一种重要方法，但由于高温合金板料的成形难度，起皱和破裂是板料拉深成形过程中的主要成形缺陷。影响板料成形质量的主要因素有压边力的大小、拉伸模具的相关参数、摩擦条件及坯料形状等2。其中压边力是影响成形质量的重要因素，压边力大时，板料材料流动困难，板料容易破裂；压边力小时，成形过程中材料流动无法得到有效控制，零件容易产生起皱缺陷。如何
2、准确预测零件在拉深成形过程中的起皱或破裂的趋势是决定工艺过程以及最终成形质量的先决条件。本文以高温合金盒形件为研究对象，以成形后零件破裂和起皱为衡量标准，运用有限元模拟分析软件PAM-STAMP2G对其成形过程进行了有限元模拟仿真，针对仿真预测的成形缺陷优化了成形工艺，为试验研究提供了参考依据。2 零件成形工艺性分析如图1所示为所要成形的零件，材料为GH4099，厚度1mm，整体为U形截面渐缩型曲面，三面为单向弯曲曲面，尾段圆角为双曲面，R8mm渐变为后端面的R3mm，高度138 mm，弯边宽15mm，最大宽度157 mm，最小宽度77 mm。从零件示意图可看出，该零件形腔较深，工艺较为复杂，如果直接拉深成形，会使零件拉裂。因此考虑对零件进行型面补充，补型后的零件如图2所示。由图可见，零件从中间对称，增加了零件两端工艺补充面。通过多道次成形，最终达到成形出整体拉深毛坯的目的。零件成形后进行切割，成为要求的零件。图1 零件模型图2 零件成形道次设计及工艺补充面2.1 拉深成形的特点一块平面板料在凸模压力作用下通过凹模形成一个开口空心件的压制过程称为拉深。所谓多道次拉深，就是当零件的变形程
3、度超过了材料一次成形所允许的最大变形程度，零件的拉深系数小于一次拉深成形的极限拉深系数时，将零件的总变形量进行分配，每次完成零件的一部分变形，再以筒形件半成品为毛料，进一步减小直径，增加筒壁高度，这样经过多次拉深成形，最后制成所需零件的成形工艺。2.2有限元仿真设置计算机应用和工程中的数值分析日益普及，促进了有限元方法（FEM）的不断发展。这种方法源于结构分析，但其理论普遍性使它可以应用于实际工程中很多类型的问题。与其他塑性加工模拟方法相比，有限元法功能强、精度高、解决问题的范围广，可采用不同形状、不同大小和不同类型的单元离散任意形状的变形体，适用于任意速度边界条件，方便地处理模具形状、工件与模具之间的摩擦、材料的硬化效应、速度敏感性以及温度等多种工艺因素对塑性成形过程的影响，模拟整个金属成形过程的流动规律以获得变形过程任意时刻的力学信息和流动信息，如应力场、速度场以及预测缺陷的形成和扩展。其关键技术有：求解方法、单元构形、材料模型和接触模型。显式算法的优势在于：计算强壮、稳健，运算中无须迭代，只要时间步长够小，就不会出现计算不收敛。因此主要用于处理复杂的接触和变形问题，如高速冲击、爆
4、炸等。对于隐式计算，在t 时间域里，加速度、速度和位移的关系是一个非线性方程组。若不考虑计算精度和迭代收敛，隐式算法的计算速度明显高于显式算法。其缺陷在于：每一步计算都必须迭代求解复杂的非线性方程组，因此在计算相同单元数目的问题时，隐式算法所需要的计算时间更多、空间更大。隐式算法主要用于求解结构力学上受力、变形和接触不是剧烈变化的问题，如动/静态受力分析、热传导分析等。表2 将显式算法和隐式算法进行了对比，使两者之间的区别一目了然。表1 显式和隐式计算方法的对比显式算法（Explicit）隐式算法（Implicit）计算时间步长非常小（10-6-7s）静态问题，没有时间步长的概念动态问题，时间步长几乎不受限时间步长数非常多（几万几十万）一定数目迭代次数求解过程复杂程度无须迭代，求解矩阵为简单的对角矩阵每次步长计算，需要迭代求解程序的健壮性步长足够小时，程序健壮一般内存小不同线性方程求解器，大小不同 板成形中应用高精度的成形过程求解（精密冲裁、冲压拉深、液压胀形）一般非线性问题求解（重力加载，回弹计算）在板成形有限元模拟中，核心对象就是板料网格变形。所以应尽可能地选择合适的网格类型，并合
5、理地划分网格，减少非正常单元的数目。，常见的壳单元形式如下表：表2 单元类型对比单元类型计算特点1Belytschlko-Tsay（BT）壳单元(本课题选用)板成形分析中最常用的单元，采用缩减线性壳元，一点积分（缩减积分），计算速度快，效率高。不适用于单元翘曲严重的CAE 分析。2Belytschlko-Wong-Chiang（BWC）壳单元BT 壳单元的改进形式，一点积分单元，其计算耗时虽然超过BT 单元约1.22 倍左右，但适应能力强于BT 单元，可适用于翘曲严重的分析3BWC FULLY INTEGRATED（FBWC）壳单元BWC 完全积分单元，4 点完全高斯积分避免了沙漏现象，同时引入的人工剪切应变场和薄膜应变场避免了完全积分适应能力较弱的缺陷，但计算时间约在BT 单元的34 倍左右4Hghes-Tezdyar（HT）壳单元选择性缩减积分既保证了计算精度和强壮性，又避免了沙漏行为。该类型单元直接退化于实体单元，对回弹、复杂件分析都能获得相当贴近实际的结果，但其计算耗费明显偏高，约为BT 单元的4 倍左右，主要用于汽车碰撞分析在接触力方面，最常用的为罚函数法和拉格朗日乘子法。板
6、成形模拟中，罚函数（Penalty）接触算法是最有效、最强壮的接触问题处理方法，但计算精度较低。非线性罚函数（Accrate-Non linear penalty）接触算法本质上还是罚函数算法，但接触刚度/罚因子不再是常数，从而小穿透也能迅速产生足够的接触反作用力。该算法适合于后续存在回弹计算的冲压成形过程模拟。拉格朗日（Lagrange）接触算法中，从节点和主动面间是没有穿透存在的，因此该算法计算精度高，适合求解接触力非常高的情况（如液压成形），但计算消耗比较高，且对网格的要求也高。经典库伦摩擦定律认为，当摩擦力小于f*N 时不发生滑动，当摩擦力等于f*N 时，滑动产生。这里f 为摩擦系数，N 为法向接触力。通常来说：f 为0.05 时，意味着很好润滑状态；f 为0.10.15，常规普通润滑状态（工业冲压成形，本课题选用f=0.12），f 大于0.2 时，润滑状态差。3.有限元模型的建立3.1 有限元模型的建立本文采用的数值模型软件为PAM-STAMP有限元分析软件，其带有丰富的材料库，包括弹塑性材料、加工硬化模型、各向异性模型等一系列的材料模型，所有材料均为实际工业测试的材料数据3
7、，本文所涉及的材料为GH4099。PAM-STAMP软件有建模造型功能，但其造型功能比较简单，根据零件特点采用UG三维软件生成所需曲面的IGS文件，然后然后导入PAM-STAMP数值模拟软件。所建立的有限元分析模型如图3所示，整个模型包括三道成型模，分别包括凸模、凹模、板料和压边筋。然后对模型进行网格划分，划分网格时一般要求网格质量能达到某些指标要求。在重点研究的结构关键部位，应保证划分高质量网格，即使是个别质量很差的网格也会引起很大的局部误差。本文采用软件对建立有限元模型进行曲面网格自动划分。拉深方式为双动模式。板料初始网格为25mm，网格重划分等级为4级，即一个单元可被细分为64个单元。综合考虑计算效率和计算时间，冲头速度选择为5m/s，摩擦系数选择0.12。凸模首道零件展开料压边圈凹模图3 盒形件拉深有限元模型4 仿真结果分析及优化将材料参数输入有限元仿真软件PamStamp，开展了成形过程仿真分析，进一步论证了成形的可行性。图4为整体成形拉深盒形的裂纹预测，从图示蓝色区域为裂纹区域，此整体方案一次成形不可能完成，因此才开展了多道此成形模型的设计，进行方案的优化和成形方法的改进。
8、图4 蒙皮整体成形裂纹预测的仿真计算FLD图图5为三道次成形过程的成形极限图，可以看出，图5 (a) 图5( b)第二道、零件底部区域和压边法兰远离破裂线处于安全区域，由底部过渡到压边法兰材料主次应变越来越接近破裂线。而在图5(c)第三道成形过程，零件出现破裂，破裂位置位于零件尖端头部圆角处。可以看出后续道次零件可能会出现拉裂，但控制得当可以不影响产品质量，将缺陷控制在余量区域。合理控制零件的皱纹大小、避免裂纹产生或引导其产生位置，控制零件在拉深的过程中折皱和破裂是盒形件成形的关键。 （a）1道 （b）2道 （b）3道图5 成形极限分析 6 试验分析试验用板料选择GH4099，材料状态为退火态，料厚1mm。为保证展开料外形尺寸精度，展开料利用多工位转塔冲床数控下料。试验在250吨闭式双点曲轴液压机上进行。该设备可提供板料拉深成形所需的压边力。为减小零件与模具表面的摩擦力，在板料两面以及模具相应型面均匀涂抹润滑剂。工艺试验在其参数相同的情况下同样采取三种不同的压边力（40吨、80吨、120吨）。图6为压边力40吨成形出的零件，可以看出零件周边产生了严重的褶皱，零件侧壁部位受到的应力较大，
9、产生大面积开裂缺陷。图7为在80吨和120吨压边力下零件实物，可以看出零件产生了开裂，皱纹问题不再影响零件的成形。，在较大的压边力作用下，零件起皱纹趋势较为困难，受到的校平应力较大，同时流动相对顺畅，开裂趋势得到一定环节。图8为优化压边力、和成形工序的条件下成形出的零件实物，可以看出零件成形完好，零件工作区域没有褶皱和开裂。图6 拉深零件皱纹、裂纹实物 图7 拉深零件轻微皱纹、裂纹实物图8 完整拉深零件实物7 结论1）采用有限元软件PAMSTAMP2G对高温合金盒形零件整体分步拉深进行模拟，能够较精确的预测起皱、拉裂等成形缺陷。2）通过模拟发现压边力较小时板料容易产生起皱现象，而压边力过大时零件容易开裂，通过模拟及试验调整压边力为80吨时较为合适，能成形出合格零件。3）通过试验可以看出模拟结果可信，并且根据优化的工艺参数成形得到合格零件。参考文献1 田野等. 冲压拉深成形加工中的变压边力数值模拟.长春工业大学学报. 2012,3（33） 288-291.2 梅广益，何春明.基于数值模拟的割草机地盘拉深成形工艺分析. 模具工艺 2006,8（32） 97115.3 李泷杲，王书恒.金属板料成形有限元模拟基础. 2008. 97115.致 谢在本论文的写作过程中，我的导师*老师倾注了大量的心血，一遍又一遍地
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