洪熠豪，莫炳俊，吳菲，陳家志，梁慶軍
薄壁水槽充液拉深變形規律研究
洪熠豪1，莫炳俊1，吳菲1，陳家志2，梁慶軍2
（1.廣東工業大學 材料與能源學院，廣州 510000；
2.廣東櫻奧廚具有限公司，廣東 佛山 528000）
解決薄壁水槽盒形件剛性拉深一序底部圓角減薄過大、整體厚度減薄嚴重以致后續拉深二序、三序成形后產品厚度不合格的問題，同時解決工藝路線的退火問題。利用有限元分析軟件Dynaform對薄壁水槽充液拉深一序進行數值模擬分析，研究關鍵工藝參數對成形結果的影響規律，并得出最優的工藝參數，最后與剛性拉深的模擬結果對比分析，提出充液拉深方法的可行性。根據工藝優化方案，得出最優工藝參數：預脹壓力2 MPa，最大液室壓力20 MPa；
液室壓力加載路徑：從0 s至0.003 s，液室壓力從0 MPa線性增大至2 MPa，并保持2 MPa至0.007 s；
隨后從0.007 s至0.011 s，液室壓力從2 MPa線性增大至20 MPa，之后保持20 MPa直至拉深結束；
壓邊間隙為1.05t。通過充液成形方法，可以有效解決薄壁水槽盒形件拉深一序底部圓角減薄嚴重的問題，還可以提高成形質量及成形極限，省略中間退火工藝，提高經濟效益。
數值模擬；
充液拉深；
薄壁結構；
工藝優化；
液壓加載路徑
不銹鋼作為一種耐強腐蝕的合金，能很好地抵抗大氣、水及酸堿鹽等化學介質的腐蝕，其主要類型包括F型、A型、M型、A–F型雙相不銹鋼等[1-2]。日常生活用品及工業產品使用最多的是SS304，即06Cr19Ni08鋼，其塑性、韌性和冷加工性能良好，適用于制造深沖成形的零部件[3-5]。帶復雜臺面的薄壁水槽以SS304鋼板為坯料，在壓力機與拉深模具的相互作用下發生非常復雜的塑性變形。其傳統工藝路線為普通拉深一序→退火→普通拉深二序→普通拉深三序。該不銹鋼水槽的拉深一序成品屬于盒形件，其剛性拉深成形變形、應力分布、變形速度都不均勻，成形過程較為復雜，底部圓角容易減薄甚至破裂，法蘭區容易拉深失穩而起皺。
為了提高成形質量和生產效率，基于傳統工藝路線，提出充液拉深一序→普通拉深二序→普通拉深三序這一無需退火工序的充液工藝路線。充液拉深成形是一種先進的鈑金柔性加工方法，利用液態的水、油或黏性物質代替模具作為傳力介質并作用于板料，使板料成形[6-8]。這種工藝技術能夠很好地避免采用普通拉深工藝常出現的工件成形不足的問題。因為充液拉深成形的凹模被液體所取代，所以一些非對稱的、具有高精度要求的復雜形狀工件通過該技術可以得到很好的成形精度及成形質量[9-12]。同時，充液成形減少了模具的數量，從而大幅度縮短了生產周期，使得經濟效益大幅度提高。板料充液成形技術對降低工件減薄率及提高成形極限具有重要意義[13-16]。
為了降低水槽底部圓角的減薄和提高成形極限，文中以帶復雜臺面薄壁水槽拉深一序盒形件為研究對象，研究充液成形時零件的變形行為，優化預脹壓力、最大液室壓力、液壓加載路徑、壓邊間隙等關鍵工藝參數并揭示其對零件底部圓角減薄率、起皺分布區域的影響規律，同時也為其他類似零件充液成形提供理論依據。
1.1 材料模型
水槽形狀為帶復雜臺面薄壁結構，如圖1所示。其外形尺寸為900 mm×370 mm×152 mm，厚度為0.6 mm，且在一定范圍內有細微變化。該結構的尺寸誤差范圍符合自由公差要求，尺寸精度等級取IT14級，如圖2所示。本文對拉深一序盒形件進行數值模擬研究。
圖1 零件三維數模
試驗所用材料為SS304，屈服強度為205 MPa，抗拉強度為520 MPa，彈性模量為207 GPa，硬化指數為0.193，各向異性指數04590皆為1。
1.2 有限元模型
根據工廠的實際生產需求，采用被動式充液成形的方法進行數值模擬。相較于液體代替凸模的主動式充液成形，液體代替凹模的被動式充液成形的應用與發展更加迅速，其零件的深腔部分不易破裂，起皺也較容易控制[17-20]。基于DYNAFORM平臺對304不銹鋼板材充液成形工藝過程進行數值模擬，對該產品的拉深一序的充液成形過程進行模擬仿真[21-25]。文中的拉深一序盒形件模型采用4節點BT殼單元進行網格劃分，選擇精度更高的36*Mat_3–Parameter_Barlat（36#）材料模型，選擇Form One Way S. to S.接觸類型。在模擬過程中，除板料部分外的模具部件均視為剛性體，不發生變形，不參與實際計算，其最大尺寸單元為10 mm。板料的力學性能參數參考DYNAFORM自帶的SS304材料屬性參數，網格大小劃分為8 mm，網格數量為8 392。同時，為了節省計算時間，提前建立對稱的1/2板料模型。有限元模型如圖3所示。
圖2 產品拉深3次的工藝路線（單位：mm）
圖3 有限元模型
模擬采用雙動成形的方法，凸模、凹模、壓邊圈在進行模擬時的下行速度分別設置為5 000、0、5 000 mm/s。合模方向為軸向下，液室壓力方向為軸向上。液體代替剛性凹模作為傳力介質，且默認液室壓力均勻作用在板料下表面。模具間隙大小設置為0.7 mm，采用0.63 mm定間隙壓邊，凸模、凹模、壓邊圈摩擦系數分別設置為0.2、0.02、0.05。
2.1 方案設計
在板料充液成形過程中，液體傳力介質的加載路徑對板料成形過程中的變形行為具有重要影響，即液室壓力設置是否合理很大程度上決定了板料的變形情況[26]。液室壓力設置合理，能產生“摩擦保持”和“溢流潤滑”效果，達到減小減薄量、提高成形極限的目的。在液室壓力加載過程中主要控制預脹壓力和最大液室壓力。文中選擇帶有預脹階段的充液成形方案，研究預脹壓力、最大液室壓力及壓邊間隙對帶復雜臺面水槽的拉深一序底部矩形盒成形性能的影響。該充液成形過程包括預脹階段和充液拉深階段，其原理如圖4所示（圖中Q、D、cr分別為壓邊力、成形力、液體壓強）。
圖4 帶有預脹階段的充液成形過程
預脹階段：在凸模還未進入到凹模之前，對液室施加一定大小的液室壓力，使板料反脹進入壓邊圈中間區域。設置合適的預脹壓力，可以預先儲存后期拉深過程所需材料，并減少凹模圓角處拉應力，使板料法蘭處預先建立潤滑效果。
充液拉深階段：后期繼續施加壓力，凸模開始下行與板料發生接觸。設置合適的液室壓力，使板料貼緊凸模表面，產生“摩擦保持”效果；
同時液壓會抬高凹模圓角區域板料，形成“溢流潤滑”。
2.2 預脹壓力對拉深質量的影響
如圖5所示，分別設置5條液室壓力加載路徑進行仿真模擬，研究不同預脹壓力對該零件變形規律的影響。由圖5可知，從0 s至0.003 s，液室壓力從0 MPa分別線性增大至0、1、2、3、4 MPa，并保壓至0.007 s。從0.007 s至0.011 s，液室壓力從不同的預脹壓力皆線性增大至20 MPa，隨后保持20 MPa直至拉深結束，其他模擬參數與前文保持一致。
圖5 不同預脹壓力下的液室壓力加載路徑
利用傳統拉深成形工藝成形的矩形盒件主要減薄區域位于底部圓角區域，而利用充液拉深成形工藝成形的各成形工件主要減薄區域位于矩形盒側壁區域，如圖6所示。產生該現象的原因是隨著預脹壓力的增大，板料與凸模貼合得更緊密，產生的“摩擦保持”效果使矩形盒底部圓角區域板料與凸模之間的摩擦力增大，板料更不容易減薄，從而使減薄區域上移。
對該拉深一序矩形盒件的底部圓角區域的減薄情況進行分析，在各預脹壓力成形工件底部圓角區域的同一節點位置測量厚度減薄率，以此代表底部圓角區域的減薄情況，節點位置如圖7所示。各預脹壓力下的最大減薄率和底部圓角區域減薄率如圖8所示。
由圖8可知，隨著預脹壓力的增大，該零件的最大減薄率逐漸增大且幅度很小，底部圓角的減薄率逐漸降低。相比于最大減薄率，底部圓角區域減薄率受預脹壓力的影響更明顯。這是因為在充液拉深初期，增大液壓能加強底部圓角區域的“摩擦保持”效果，從而緩解這一區域的減薄程度。矩形盒側壁的減薄程度受充液拉深前期的液室壓力影響較小，減薄率變化不明顯。
從圖9所示的成形極限圖可知，隨著預脹壓力的增大，水槽矩形盒底部區域的綠色安全區域不斷增大，但主要位于板料法蘭邊緣的紫色起皺區域變化不明顯。產生該現象的原因與板料厚度減薄率變化的原因相同，即預脹壓力主要在充液拉深前期影響底部圓角區域的減薄量，對工件其余部分的作用不明顯。預脹壓力對零件成形性能的變化影響可忽略不計，故不作為對比研究的重點。
圖6 不同預脹壓力下的厚度減薄率
圖7 底部圓角區域測量節點位置
圖8 最大減薄率和底部圓角減薄率隨預脹壓力的變化
圖9 不同預脹壓力下的成形極限
綜上所述，適當的預脹壓力能夠減小矩形盒底部圓角區域的減薄量，提高成形質量，但預脹壓力過大也會引起矩形盒側壁的過度減薄。當預脹壓力為2 MPa時能有效減小底部圓角區域減薄量，同時也不至于使側壁區域減薄過多，故選取2 MPa為最優預脹壓力。
2.3 最大液室壓力對拉深質量的影響
如圖10所示，分別設置5條液室壓力加載路徑進行仿真模擬，研究最大液室壓力對該零件底部厚度減薄量及成形性能的影響。由圖10可知，從0 s至0.003 s，液室壓力從0 MPa線性增大至2 MPa，并保壓至0.007 s。之后從0.007 s至0.011 s，液室壓力分別線性增大至5、15、20、25、35 MPa，隨后保壓直至拉深結束，其他模擬參數與前文保持一致。
工件在各最大液室壓力下的主要減薄區域仍位于矩形盒側壁區域，原因分析與前文相同。分別測量圖7所示節點位置的厚度減薄率，以此代表底部圓角區域的減薄情況，各最大液室壓力下的最大減薄率和底部圓角區域減薄率如圖11所示。
圖10 不同最大液室壓力下的液室壓力加載路徑
圖11 最大減薄率和底部圓角減薄率隨最大液室壓力的變化
由圖11可知，當最大液室壓力從5 MPa增大到15 MPa時，底部圓角區域減薄率明顯降低，板料最大減薄率有一定程度的增大。因為適當增大液壓會使“摩擦保持”效果得到提升，從而使緊貼凸模的板料流動得到控制，故工件底部圓角的減薄率得到降低。但“摩擦保持”效果有一定的限度，當最大液室壓力增大至20 MPa后，工件底部圓角的減薄率趨于平緩。而液室壓力在充液拉深中期快速升高的加載特點使得板料在凸模還未完全進入凹模前就已經在液室壓力的作用下往凸模貼合，從而產生些許的額外變形。增大最大液室壓力又會加劇這一變形作用，故工件的最大減薄率有所增大。
當最大液室壓力由15 MPa繼續增大至20、25、35 MPa時，底部圓角減薄率減小程度越來越小，而最大減薄率甚至在最后出現了很小程度的減小，表明不是液室壓力越大減薄效果越明顯，當液室壓力足夠大時，即使繼續增大液室壓力，對板料厚度減薄率的影響也越來越有限。
工件在各最大液室壓力下的成形極限如圖12所示。由圖12可知，隨著最大液室壓力的增大，位于水槽矩形盒底部區域的綠色安全區域有所減小，而位于矩形盒側壁的綠色安全區域逐步增大。出現該現象的原因與板料厚度變化原因一致，即由于所設置液室壓力加載路徑的特點，最大液室壓力的增大會導致矩形盒側壁變形有所增大，從而使矩形盒側壁藍色的起皺傾向區域得到充分拉深，變為綠色的安全區域。
圖12 不同最大液室壓力下的成形極限
綜合分析可知，當最大液室壓力為20 MPa時，矩形盒底部圓角區域減薄率顯著降低；
同時，矩形盒側壁減薄率增大程度較小，板料的拉深也較為充分，在5個最大液室壓力值中成形質量最好，故選取最大液室壓力20 MPa作為最優參數。
2.4 壓邊間隙對拉深質量的影響
壓邊間隙對拉深質量的影響很大。若壓邊間隙設置過小，板料流動困難程度加劇，將導致板料在凹模圓角部位過度減薄或拉裂。此外，在充液拉深過程中，過小的壓邊間隙不利于液體流入板料法蘭區域與凹模之間的間隙中，影響“溢流潤滑”效果。若壓邊間隙設置過大，模具與板料接觸的表面無法對此區域材料施加足夠的約束力，板料容易失穩起皺。而起皺后的板料流入凸模和凹模之間的間隙時，間隙無法消除板料的起皺，導致板料在其中流動困難。位于凸模頭部的板料不能得到材料補充，工件過度減薄甚至拉裂，同時也會損傷模具表面而降低模具壽命。在確認預脹壓力為2 MPa、最大液室壓力為20 MPa后，分別設置壓邊間隙為0.60 mm（1t）、0.63 mm（1.05t）、0.66 mm（1.1t）、0.69 mm（1.15t）、0.72 mm（1.2t）進行模擬，以找出合適的壓邊間隙值。
工件在各壓邊間隙下的主要減薄區域與改變預脹壓力、最大液室壓力時情況相同，仍位于矩形盒側壁區域。分別測量圖7所示節點位置的厚度減薄率，以此代表底部圓角區域的減薄情況，各壓邊間隙下的最大減薄率和底部圓角區域減薄率如圖13所示。
圖13 最大減薄率和底部圓角減薄率隨壓邊間隙的變化
由圖13可知，壓邊間隙從0.60 mm增大至0.63 mm后，最大減薄率和矩形盒底部圓角區域的減薄率均有一定程度的減小。產生該現象的原因是0.6 mm的壓邊間隙過小，材料流動阻力過大，材料流動困難，從而增大了工件整體的減薄量。當壓邊間隙增大至0.63 mm后，材料流動阻力降低，故工件最大減薄率降低。但當壓邊間隙從0.63 mm繼續增大時，最大減薄率和底部圓角區域減薄率無明顯變化趨勢，表明壓邊間隙過小會增大板料減薄量，但超過一定值后，壓邊間隙的大小對板料的減薄量影響很小。
工件在各壓邊間隙值下的成形極限如圖14所示。由圖14可知，隨著壓邊間隙的增大，工件整體的起皺面積不斷增大，法蘭區域紫色嚴重起皺區域也越來越大。這是因為壓邊間隙增大會減弱壓邊圈與凹模對板料法蘭區域的約束作用，板料更容易失穩起皺。
綜上可知，壓邊間隙取值過小會增大流動阻力，使板料厚度減薄率增大；
但增大壓邊間隙又會使板料起皺面積增大。當壓邊間隙取0.63 mm時，板料厚度減薄率較小，同時整體的起皺面積較小。工件法蘭中紫色的嚴重起皺區域與大于此壓邊間隙的工件相比更是明顯減小。因此，在水槽拉深一序充液拉深過程中設置壓邊間隙為0.63 mm能獲得良好的成形質量，選取其作為最優參數。
2.5 普通拉深成形與充液拉深成形對比
普通拉深一序采用前期預先模擬得出的最優工藝參數，壓邊力從0 s至0.01 s保持為20 kN，從0.01 s至拉深結束線性增長至250 kN；
板料與凸模、凹模、壓邊圈之間的摩擦因數分別為0.2、0.05、0.05；
模具間隙為0.66 mm。其他模擬參數為：采用雙動成形；
凸模、凹模、壓邊圈的模擬速度分別設為5 000、0、5 000 mm/s。
充液拉深一序采用本章中分析得到的最優工藝參數，即采用定0.63 mm間隙進行壓邊，在液壓加載時設置2 MPa的預脹壓力和20 MPa的最大液室壓力。其他模擬參數為：采用雙動成形；
凸模、凹模、壓邊圈的模擬速度分別設為5 000、0、5 000 mm/s；
摩擦因數則采用0.2、0.02、0.05。
普通拉深一序和充液拉深一序厚度變化和成形極限的對比如圖15所示。普通拉深一序最大減薄率位于水槽矩形盒部位底部圓角區域，為17.66%；
而充液拉深一序在此圓角區域的最大減薄率僅為3.76%，減薄量明顯減小。充液拉深一序最大減薄率位于水槽矩形盒側壁區域，為13.23%；
而普通拉深一序在側壁區域的最大減薄率比充液拉深一序更小，為10.32%，如圖16所示，但此區域在后續的普通拉深二序和普通拉深三序中減薄量較小，對最終的成形質量影響較小。可知，通過充液成形的優化工藝方案可以有效地降低零件底部的減薄率，提高成形極限，為后續的拉深二序、三序提供合格的拉深一序工件。
圖14 不同壓邊間隙下的成形極限
圖15 拉深一序厚度減薄率和成形極限對比
圖16 水槽矩形盒部位側壁最大減薄率對比
1）在工廠實際生產中，多工序的傳統剛性拉深成形需要中間退火工序來消除零件內應力，降低減薄率。而采用充液拉深成形時，薄壁水槽拉深一序盒形件的底部圓角減薄率可降低至3.76%，成形極限得到提高，無需采用退火工序。拉深一序的起皺區域位于零件凸緣的邊緣，不影響主體的成形，后續的剛性拉深也可消除起皺，故幾乎不用對比該零件的充液拉深一序與剛性拉深一序的起皺情況。對該拉深一序盒形件來說，充液成形的成形質量優于傳統成形。
2）預脹壓力和最大液室壓力過大或過小均對成形質量有不利影響。液室壓力最優加載路徑：從0 s至0.003 s，液室壓力從0 MPa線性增大至2 MPa，并保持2 MPa至0.007 s；
隨后從0.007 s至0.011 s，液室壓力從2 MPa線性增大至20 MPa，保持20 MPa直至拉深結束。
3）減小壓邊間隙會減小板料起皺面積，但也會增大流動阻力，使板料厚度減薄率增大。當壓邊間隙為0.63 mm時，板料能得到良好的成形質量。
4）對采用優化后的工藝參數的傳統剛性拉深一序和充液拉深一序的模擬結果進行了對比分析，可知，采用充液拉深的方法可以有效降低盒形件底部圓角的減薄率及整體減薄率，提高薄壁水槽拉深一序盒形件的成形質量，并且能取消退火工序，提高生產效率。本文提出了充液拉深一序→普通拉深二序→普通拉深三序這一工藝路線的可行設想。
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Deformation Regularity of Sink Shaped Thin-walled Part in Hydroforming
HONG Yi-hao1, MO Bing-jun1, WU Fei1, CHEN Jia-zhi2, LIANG Qing-jun2
(1. School of Material and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510000, China; 2. Guangdong Yingao Kitchen Utensils Co., Ltd., Guangdong Foshan 528000, China)
The work aims to solve the problem that the bottom fillet and the overall thickness of thin-walled sink-shaped box part in the first rigid drawing are too thin, which leads to the unqualified thickness of the products after the subsequent second and third drawing, as well as the annealing problem of the process route. The finite element analysis software Dynaform was used to carry out numerical simulation analysis on the first sequence of hydroforming for the thin-walled sink. The influence law of key process parameters on forming results was studied and the optimal process parameters were obtained. Finally, the feasibility of the hydroforming method is proposed by comparing with the simulation results of rigid drawing. According to the process optimization scheme, the optimal process parameters were obtained as follows: the preswelling pressure was 2 MPa, the maximum liquid chamber pressure was 20 MPa; pressure loading route of liquid chamber: from 0 s to 0.003 s, the liquid chamber pressure linearly increased from 0 MPa to 2 MPa, and kept at 2 MPa until 0.007 s; then from 0.007 s to 0.011 s, the liquid chamber pressure linearly increased from 2 MPa to 20 MPa, and then kept at 20 MPa until the end of drawing; the blank holder gap was 1.05t. Apparently, the serious problem of the bottom fillet thinning in the first drawing process of box parts of the thin-walled sink can be effectively solved by the hydroforming method. In addition, hydroforming can improve the forming quality and forming limit, omit the intermediate annealing process, and improve the economic benefit.
numerical simulation; hydroforming drawing; thin-walled structure; process optimization; hydraulic loading route
10.3969/j.issn.1674-6457.2023.02.023
TG306
A
1674-6457(2023)02-0199-10
2022–10–11
2022-10-11
佛山市產學研項目（1920001001369）
Industry-university-research project of Foshan City (1920001001369)
洪熠豪（1999—），男，碩士生，主要研究方向為復雜薄壁結構的充液成形。
HONG Yi-hao (1999-), Male, Postgraduate, Research focus: hydroforming of complex thin-walled structures.
吳菲（1982—），女，博士，講師，主要研究方向為新型輕質材料與結構設計/制備/性能/應用。
WU Fei (1982-), Female, Doctor, Lecturer, Research focus: new lightweight materials and structure design/preparation/performance/application research.
洪熠豪, 莫炳俊, 吳菲, 等. 薄壁水槽充液拉深變形規律研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(2): 199-208.
HONG Yi-hao, MO Bing-jun, WU Fei, et al. Deformation Regularity of Sink Shaped Thin-walled Part in Hydroforming[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(2): 199-208.
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