基于Dynaform有限元模拟的3104铝质罐体再拉伸工艺优化

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基于Dynaform有限元模拟的3104铝质罐体再拉伸工艺优化
【摘要】分析了再拉伸凸凹模圆角半径、压边力、模具间隙关键工艺参数对板厚为0.265mm的 3104铝质易拉罐罐体成形质量的影响。由Dynaform有限元分析，经数值模拟得出，对于该 材料罐体再拉伸成形压边力取3,000N、凹凸模单边间隙取0.25〜0.26mm，罐体的成形质量较好，优化出减薄后的3104铝合金成形工艺的试验参数。经试验结果表明，采用有 限元分析模拟3104铝质罐体再拉伸成形是可行的，对进一步减薄板材厚度提供借鉴。
$ G" K3 d+ [- w4 h" y关键词：有限元模拟；压边力；模具间隙；参数优化
4 J/ E: E0 S) E& Q1   引言
; N, s  d1 D( k' l# {; O( ]- m! m    在铝质易拉罐行业，为降低成本，提髙市场竞争力，以减薄铝板材厚度的轻量化研究是重要技术手段。以330ml 罐体规格为例，当铝板材厚度从 0.280mm减薄至0.265mm时，为使罐体成形高度能满足后续工序要求,需把原有的落料规格&139.954mm增至&140.2mm，所涉及的与之相对应的工装较多，改造成本高。根据生产经验及与工装制造商共同研讨，寻求一条在现有工装条件下通过优化部分模具结构来实现，将大大降低改造成本。国内外大量研 究结果表明，利用Dynaform有限元分析软件对金属 板料的成形过程进行有限元模拟，成形精度较高，且 能够对板材成形质量问题有良好的预测作用〜1。本 文采用经验设计与⑽有限元分析软件相结 合，对铝质再拉伸罐体进行有限元分析模拟，提出成 形工艺参数优化的关键要素，为罐体材料轻量化研 发提供借鉴意义。
2   建立有限元网格分析模型
图1为再拉伸模具结构模型，由凸模、凹模、压边圈组成，板厚0.265mm3104铝板材，落料尺寸为小139.954mm，预拉伸后的杯状坯料（89.541mm）。图 2为该模型在Dynaform软件分析环境中，根据板材成形数值模拟的网格划分原则'采用四边形壳单元分別将凸模、凹模、压边圈及坯料模型进行网格划分结果。划分时已尽可能减少三角形单元出现，以防出现网格沙漏及产生应力集中。模型网格划分完毕后, 已对网格单元法线一致性，翘曲角、重叠节点等内容进行检查，未见失败的单元。


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3   设 置 工 艺参  数 及 优 化
3.1   凸、凹 模 圆 角 半 径
   模 具 的 圆 角 部 分 往 往 是 应变  梯度变化最  大 的地 方，所以也是深拉伸过程中最容易发生塑性失效的区 域。因此，凹模的圆角是影响成形质量的重要因素, 过小的圆角导致应力集中而使制件开裂，过大 的圆角   又不 能 保 证  制 件的强  度和 刚度。笔 者采  用经验设 计法:凹 模 圆 角 半 径 (其  中 D2为 经 首 道 拉 伸 后 罐 体 外 径 089.541mm，认 经 再 拉 伸 后 罐 体 外 径 66.53mm,t 为 板 厚）；凸 模 的 圆 角 半 径（r凸）=0.8r， 取值为R1.6mm
3.2   压 边 力 设 置
- r5 q$ N- V6 v: t    在 薄  板  拉伸 过 程 中,为 防  止 制 件 的 边 壁 或 凸  缘 起 皱,需 设 置 压 边 圈 以 使 材 料 被 拉  入凹模前，保持  稳 定  状 态。在 铝 质 罐 体再 拉 伸 前，薄 板 经 落 料  后 已 预 拉 伸 成 杯 状 ，在 行 业 中 该 罐 体 坯 料 板 材 较 薄 及 拉 伸 机 的 特 点 采 用 锥 形 压 边 圈，该 压 边 圈 底部 为 球 形 面 使 之 定 位于 压边 圈的滑 块 上时， 以利于 压紧  坯料 时 自 动定心。压 边圈 的压边力 应适当，若过 大,则需 增 加 拉 伸 力，且 会 引 起制 件 划  痕 甚至  拉 裂;若 过小，则 会引起  制件 的边  壁或 凸 缘 起皱 。一般压 边力的  范围可 采用 公式进行估算，计算 出成形 压边 力 取值为 1，958,7~2,938.1N。  

: t" u8 r3 P% O( m图3中（a)、(b)、（c)、（d）分别为压边力取值 1,9581N、2,400N、2,8001N及3,000N 的对应模拟结果，从中可知当压边力为1，958N时，罐体出现严重起皱，而随着压边力增大，罐 体 的起皱逐 渐 不明显，当压边力 达到3,000N时罐体基本无起皱现象，仅在 罐 口 部 分 出现起 皱 的危险 信 号，罐身及罐底均显示安全状态;压边力继续增加至3,200N，则 罐 体 部 分 区域 变 薄严 重, 且出 现被 拉 裂的 趋势  。模 拟 结 果 与 理论  计 算 基 本 相近， 因此 本 研究  后 续 的 工 艺参 数 压 边力 均 设 置 为 3,000N。

. _# S3 e% v& Z! ]* n% b3 g3.3   模具间隙
9 d) ]& l7 {- V& B, p    冲压成形中，凸、凹模的单边间隙大，则摩擦小，能 减少拉伸力，但间隙太大，精度不易控制;单边间隙小则摩擦大,增加拉伸力。一般凸、凹模的单边间隙为 (1〜1.1)t、但对于精度要求较高的薄壁制件，为了减小拉伸后产生回弹，获得高质量表面，可采用负间隙拉伸，其间隙值可取Z/2=(0.9〜0.95)t（其中t为板厚)。生产中用0.28mm板厚时的模具单边间隙取值为0.27mm，设置单边间隙为0.26mm、0.25mm、0.24mm进行模拟，图4中（a)、(b)、（c)、（d）为与之相对应的罐体成形质量。结果显示，当单边间隙取值为0.25mm、0.26mm时罐体成形质量较好，且壁厚分布较均匀；当单边间隙取值为0.2701111时，罐体成形时罐口有起皱出现且表面光洁度差；当单边间隙取值为0.24mm时，初始时罐体表面光洁度光亮，随之在拉伸深度逐步深人时出现拉裂现象。因此，对于0.265mm的3104铝合金再拉伸成形模具的单边间隙取值在0.25〜0.26mm成形质量较为理想。
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4   试验验证
    基于上述分析，在现有工装条件下，改进部分模 具结构参数，采用数控液压双动拉伸机对0.265mm 的 3104铝合金进行再拉伸成形试验，结果如图5所示， 罐体成形质量良好并无出现成形缺陷,并检测成形罐 体的壁厚分布情况，满足生产工艺要求。5  结束语
5 u2 ?) A* |- h& M( \- Z    本文系统分析了凸、凹模圆角半径、压边力、模具 间隙关键工艺参数对板厚为0.265mm的3104铝质易 拉罐罐体成形质量的影响。通过数值模拟优化出减 薄后的3104铝合金成形工艺的试验参数，经试验验证 结果表明,该方法可进一步为铝质罐体材料轻量化技术研究提供借鉴作用。
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