翻孔的高度 \mathsf { h } 2 \mathsf { = } \left( \mathsf { D } { \mathsf { - } } \mathsf { d } \right) / 2 \mathsf { - } \left( \mathsf { r } { + } \mathsf { t } / 2 \right) + π / 2 \left( \mathfrak { r } + \mathfrak { t } / 2 \right) = \left( 4 3 . 5 - 2 6 \right) / 2 - \left( 7 . 5 + 2 . 5 / 2 \right) + 3 . 1 4 / 2 ( 7 . 5 + 2 . 5 / 2 ) = 1 3 . 7 4 {mm }

拉伸件的高度确定：63.27-1 3 . 7 4 = 4 9 . 5 3 {mm }

由此可以确定修补后零件的形状，如图3所示。

(3）毛坏尺寸计算。

正确地确定盒形件拉伸毛坏的形状和尺寸，不仅能够节省板材和节约工序，而且也有利于毛坯的变形和保证零件的质量。当毛坏的尺寸过大时，能够引起危险断面上拉应力显著地增大，对提高变形程度和减少工序不利；毛坏尺寸过大部分的变形程度减小，必

图2翻孔示意图

然使拉伸变形较多地集中到其余部位上去，于是增加了沿毛坏周边变形分布不均的程度。这样成形的零件壁厚不均，而且也容易引起变形过分集中，局部起皱开裂等缺陷，降低零件的质量。毛坯尺寸过小时，零件成形缺料、修边不充分或者产生起皱折叠等缺陷。盒形件拉伸时确定毛坯形状和尺寸的原则：既要保证毛坏面积等于零件面积，又要保证零件成形时材料流动的对称性，避免盒形件成形时不均匀变形的特点，考虑材料在变形过程中的材料转移的复杂性，还需要对毛坏的形状和尺寸做一定的修正。从图3分析，这个零件实际是梯形，可以近似认为是 6 0 . 0 3 x 7 5 . 8 2 {mm } 的矩形盒，高度 5 8 . 3 8 {mm } \boldsymbol { \mathsf { h } } / \scriptstyle \mathtt { b } = 5 8 . 3 8 / 6 0 . 0 3 = 0 . 9 7 ( > 0 . 7 ~ 0 . 8 ) ，属于高盒形件。根据表面积相等的原则，展开制件的毛坏尺寸如图4所示。

现在还不可能比较精确地用计算的方法事先确定出正确的毛坏形状和尺寸，初步考虑，在图4a中， \mathsf { A } / \mathsf { B } 处材料流动不均匀，拉伸时容易起皱或折叠，需要进行适当的修补，如图4b所示，确保拉伸时材料进料的均匀性。最终精确的尺寸需要在模具调试的过

图3修补后的零件图

图4毛坏的展开尺寸a- 原始展开尺寸b—修正后的展开尺寸

程中再进一步修订。

初步估算拉伸次数和拉伸系数

(1）拉伸次数。

对于高盒形件，一般需要多次拉伸，可以“根据盒形件总拉伸系数定矩形件的拉伸次数”，查表，可以得到拉伸所需的次数，尺寸参数如图5所示。

\begin{array} { r l } { sf { m } } & { { } \mathit { \Pi } _ { \mathtt { s } } = 1 . 2 7 x ( \mathtt { b } 1 + \mathtt { b } ) ( \mathtt { \mathtt { m } } } \end{array} 1 \mathsf { L } + \mathsf { K } ) = 1 . 2 7 x \left( 6 0 . 0 3 + 7 5 . 8 2 \right) / （20 \ : 2 \ : 1 \ : 1 \ : . 5 \ : + \ : 2 \ : 1 \ : 1 \ : . 5 \ : ) = 0 \ : . 4 \ : 1 \ : ; \ : { t } \ : / { \sf D } x 1 0 0 { = } 2 . 5 / 2 1 1 . 5 x 1 0 0 { = } 1 . 1 8 _ { \circ }

查表初步估算，拉伸次数为：3。

(2）核算角部的拉伸系数及第一次拉伸许可高度。对于盒形件，由于圆角部分对直边部分的影响相对较小，圆角处的变形最大，矩形件的拉伸系数为前后半成品角部圆角半径之比，壁部圆角半径现在有 { \mathsf { R } } 2 0 . 5 { \mathsf {mm } } 和 _ { \mathsf { R 2 1 . 5mm } } 二种情况，取较小值\mathsf { R } { = } 2 0 . 5 \mathsf {mm } 计算拉伸系数。故变形程度用较小的圆角处的假想拉伸系数来表示。

根据 \scriptstyle { t } / { \mathsf { D } } x 1 0 0 = 2 . 5 / 2 1 1 . 5 = 1 . 1 8 和 \Gamma / { b } { = } 2 1 . 7 5 / 6 0 . 0 3 { = } 0 . 3 6 的比值，查表“盒形件角部的第一次拉伸系数m1”得知： { m } 1 >=slant 0 . 4 1 ，m 2 >=slant 0 . 7 0 ；查“盒形件第一次拉伸许可的最大比值h/r”得知： \scriptstyle { \mathsf { h } } / { \mathsf { r } } = 3 . 1 那么h1max = 6 7 . 4 \mathsf {mm } 。

各工序拉伸的工艺参数的计算

与选择

高盒形件需要多次拉伸，一般在前几次拉伸时，采用过渡形状（方形盒多用圆形过渡，矩形盒则用椭圆形或圆形过渡，而在最后一次才拉成方盒或矩形盒），因此需要确定各道工序的过渡形状。确定高盒形件半成品形状和尺寸的方法较多，常用的方法有罗氏法、经验法等。罗氏法是首先确定倒数第二次（n-1次）拉伸的半成品形状，再往前逐次反推，首先拉成较大的圆角，而后逐次减小圆角半径，直至达到工件要求。下面从倒数第二次（即n-1次起反推各工序的过渡形状及其尺寸，不同材料的盒形件，其成形过程中材料的稳定性也不一样，具体的过渡形状及尺寸计算会有所差异。

根据“高矩形盒的多工序拉伸的计算程序与计算公式”计算（相关参数如图5所示）。

(1）相对厚度。t/\scriptstyle \ b x 1 0 0 = 2 . 5 / 6 0 . 0 3 x 1 0 0 = 4 . 1 6 ，（ > 2 ）； b = 6 0 . 0 3 < 5 0 5 ，（2 ( 5 0 t = 5 0 x 2 . 5 = 1 2 5 ) 。

图5各工序计算的相关参数图示

采用第一种方法计算。

(2）假想毛坯直径（见图4）。{ \mathsf { D } } { = } 2 1 1 . 5 \mathsf {mm } 0

(3）工序间距离。 \mathsf { S } _ { \mathsf { n } } \mathsf { = a } _ { \mathsf { n } } <=slant \mathsf { 1 0 t } ，这里暂取值 8 . 0 {mm } 。

S _ { \mathfrak { n } } 在实际作图的过程中，考虑角部间隙，进行了适当调整，s _ { n } { = } 7 . 4 \mathsf {mm } 。

(4）工序比例系数。 x _ { 1 } = ( k - b ) （2号( 1 \mathsf { L } - \mathsf { b } _ { 1 } ) = ( 2 1 1 . 5 - 6 0 . 0 3 ) (/211.5-7 5 . 8 2 ) \ = 1 . 1 { _ { \circ } } （204号

（5） (n-1）道工序半径。Rs (n-1)= 0 . 5 6 + 5 \mathsf { n } = 6 0 . 0 3 / 2 + 8 . 0 = 3 8 . 0 \mathsf {mm }

考虑零件是梯形，所以Rs(n-1）小端= 3 7 . 5 \mathsf {mm } ：， R _ { s } (n-1)大 _ { \ast } = 3 8 . 5 \mathsf {mm } 。

(6）角部间隙。 \mathsf { x } { = } \mathsf { s } _ { \mathsf { n } } + 0 . 4 1 r . 0 . 2 0 7 { b } { = } 8 . 0 + 0 . 4 1 x 2 1 . 7 5 0 . 2 0 7 x 6 0 . 0 3 { = } 4 . 5 {mm }

(7）(n-2）道序的半径。 \mathsf { R } _ { \mathsf { s } ( \mathsf { n } - 2 ) } （204号 = \mathsf { R } _ { s ( \mathsf { n } - 1 ) } / \mathsf { m } _ { \mathsf { n } - 1 } = 3 7 . 5 / 0 . 8 3 = 4 5 . 2 \mathsf {mm } ： : { \mathfrak { m } } _ { 2 } 取0.83)

(8）工序间距离。 5 \ _ { ( n - 1 ) } = \ ( \mathsf { R } _ { s } (n-2 \mathsf { \Omega } ) - \mathsf { R } _ { \mathsf { S } } \mathsf { \Omega } ( \mathsf { n } - \mathsf { 1 } ) ） / x _ { 1 } = (45.2-37.5)/ 1 . 1 { = } 7 \mathsf {mm } 。

(9）核算各工序的拉伸系数。\begin{array} { r } { \mathsf { m } _ { 1 } { = } \mathsf { d } _ { 1 / } \mathsf { D } { = } 4 5 . 2 x 2 / 2 1 1 . 5 { = } 0 . 4 3 _ { { c } } } \end{array} （要求 \mathsf { m } _ { 1 } >=slant 0 . 4 1 , 1

(10）矩形件拉伸的间隙。

图6拉伸关键工序图

a 一次拉伸b- -二次拉伸c—三次拉伸d——整形e—各工序相关参数图

矩形件拉伸的间隙分直边间隙和圆角间隙两部分。直边部分间隙一般为 Z / 2 = (1\~1.1）t，末次拉伸一般为Z / 2 = t ，圆角部分间隙一般比直边部分稍大（大0.1t）。一般是首次拉伸使用较大间隙，末次拉伸使用较小间隙，中间工序随工序次数增加而间隙逐渐减小，中间工序一般均以凹模为基准件，间隙由减小凸模获得。工件要求内尺寸时，间隙取在凹模，工件要求外尺寸时，间隙取在凸模。

（11）拉伸凸、凹模的圆角半径的选择。

凹模口部圆角半径r凹的大小，对拉伸工作有很大的影响。如r凹太小，毛坯拉入凹模的阻力大，拉伸力增大，致使拉伸件产生划痕或裂纹；但r凹过大，会使压边圈下面被压的毛坏面积减小，使悬空段增大，易起皱。当圆角半径小于2t时，需要整形工序。凸模的圆角半径对拉伸也有影响，圆角半径太小，角部弯曲变形大，危险断面易拉断；圆角半径太大，毛坏底部承压面积减小，底部会变薄和内皱。拉伸的凹模圆角半径可以根据经验公式进行初步计算，先取较小值，然后在模具调试中再适当修正圆角半径。

r凹=0.8×（（D-d）t）1/2\begin{array} { l } { r _ { \ Y \ Y } = ( 0 . 6 - 0 . 9 ) r _ { \ Y \ Y ( n - 1 ) } } \\ { r _ { \ Y = \ Y } = ( 0 . 6 - 1 ) r _ { \ Y \ Y } } \end{array} 经过计算： r _ { \perp 1 } = 8 . 8 \mathsf {mm } ，取值9 \mathsf {mm } ， r _ { 明 } { = } 7 . 5mm 9r _ { \perp 2 } = 8 \mathsf {mm } , r _ { \perp 2 } = 7 . 5 \mathsf {mm } r _ { \perp 3 } = 5 \mathsf {mm } , r _ { \perp 3 } = 7 . 5 \mathsf {mm } r _ { \perp 4 } = 4 . 1 1 {mm } , r _ { \perp 4 } = 7 . 5 {mm } 具体情况需要根据模具调试的结果进行修正，先小后大原则；拉伸完成后，利用整形工序将圆角半径整到制件要求。

(12）毛坏的拉入量控制。

第一次拉伸时，拉入凹模的材料比所需的面积加大 3 % ~ 5 % ，在后序拉伸时，逐步返回到凸缘上来，避免在第二次以后的拉伸中凸缘受拉变形，而使零件开裂或变薄。

确定工艺流程和拉伸工序图

(1）根据计算的结果，拟定的
最终工艺流程是： ① 落料（毛坯中间
的工艺小孔是模具调试时的定位基准
孔）； ② 拉伸（拉伸次数3次）； ③
整形打印； ④ 修边冲底孔； ⑤ 翻孔；
⑥ 冲孔如图6所示。(2）拉伸关键工序图。

图7CAE分析图片及最终实物

5CAE分析及模具验证通过理论计算的拉伸工序尺寸参数，再利用计算机CAE模拟分析，结果比较满意，再通过模具制造到实际验证，达到了预期的效果，如图7所示。

结束语

拉伸模型面设计的优劣直接影响到制件是否能够顺利成形，成形质量的优劣及制件调试周期的长短等。

高矩形深拉伸件的工艺计算相对更麻烦，所以必须综合考虑各种因素，确定合理的工序尺寸。有条件时，可以通过计算机模拟进一步确认，然后再设计模具。

这个零件的拉伸模具结构比较简单，第一次拉伸需要压料圈，后续拉伸不再压料，拉伸工序需要注意工序件的定位、模具排气，零件顶出，凹模的TD处理。模具调试过程中，主要关注模具圆角、间隙以及毛坯尺寸的修订。经过一定批量的生产验证，模具工作过程稳定，制件尺寸准确，壁厚较均匀，外观质量好，该模具目前已经投入批量生产。

现在，随着计算机技术的发展，Catia、UG、Autoform等软件已经在模具设计中得到广泛的应用。这些软件的应用，使得设计人员可以结合自己的经验直接在计算机上设计出产品的型面，并使用Autoform对设计出的型面进行拉伸过程的模拟，结合模拟的情形，反过来优化产品型面，得到最优的产品造型。本文通过对拉伸工艺的计算分析进行详细描述，对拉伸模具设计具有一定的指导作用。

铝合金二次拉深成形性能研究

文吴斌、胡长春、单云

资源的消耗、环境的污染问题越来越严重。为了减少汽油消耗和尾气的排放，国际社会提出了汽车轻量化的要求，同时必须保证汽车安全碰撞性要求。据分析，实现汽车轻量化有三种重要途径： ① 优化汽车框架及结构，如汽车底盘、发动机等零部件.在结构设计上主要采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等方法，以降低整体车身重量； ② 在制造中大量使用轻质材料，这些材料包括铝镁轻合金、有色金属材料、塑料聚合物材料、陶瓷材料或者高强度钢、超高强度钢等； ③ 应用先进的制造工艺，采用先进工艺所研制的结构用材。如变截面材料、金属基复合板、激光拼焊板等。与其他钢质材料相比，作为轻质材料铝合金具有强度高、密度小、成形性好、耐腐蚀等优点.越来越被多的应用到汽车上。

随来铝合金的应用越来越广泛，对铝合金基础性能和微观组织演变进行了全面研究，对铝合金的成形性能提出了更高的要求。本文对AA5182-0铝合金材料进行了三组不同的比较实验，分析了三组实验沿着、y、xy三个方向上材料的厚度分布和回弹的变化，同时建立了有限元模型，确立了实验时的摩擦因数，对三组不同情况的实验进行了有限元仿真。

图1等效应力应变曲线图

实验

材料参数

实验材料是AA5182-O铝合金，制件为长方形，尺寸3 0 0 {mm } x 2 5 0 {mm } 。板料的厚度为1.1nlln，压制方向沿着长度方向。材料的力学性能参数如表1所示。由表可知，材料的厚向异性系数在不同实验方向不相同，且在45o方向最大。图1是材料的等效应力应变曲线图。由图可知，该材料硬化方式呈现指数形式.且塑性变形区域较短。

实验方法

实验设置了三组：第一组是将板料在凸凹模圆角半径为 1 2 \mathsf {mm } 下拉到预设的 5 1 . 6 \mathsf {mm } ，然后换用凸凹模圆角为 8 \mathsf {mm } 的模具进行二次拉深，拉深到 5 3 . 7 \mathsf {mm } 的最终深度；第二组是将板料用圆角半径为 1 2 \mathsf {mm } 的模具将板料直接拉深至缩颈破裂；第三组实验是用凸凹模圆角为 8 \mathsf {mm } 的模具直接将板料拉深至缩颈破裂。通过三组实验的×、y、z三个方向厚度和回弹的比较，研究AA5182-O铝合金材料二次拉深的成形性能。

实验成形过程中，AA5182-O铝合金材料用液压油进行润滑。采用最大凸模力衰减法进行信号判断，如图2所示。当凸模力达到峰值后衰减峰值屯□力的 1 2 % 时凸模即停止运动。其中1代表制件在成形过程中破裂，成形力直线垂直减小；2表示未发生缩颈破裂。实验室板料的压边力为245kN，凸模的成形速度为 5 {mm / s } _ { \circ }

图2最大凸凹模衰减法

图3制件回弹研究方向<br>图5冲压时材料的流入量的测量

实验结束后，对和盒形件X、yxy三个方向（图3）上的厚度分布和回弹的大小进行了研究。

有限元模型的建立

为了更好地研究AA5182-0铝合金成形性能，确定成形过程中的摩擦因数和回弹量，本文应用商业软件DYNAFORM建立了AA5182-O铝合金冲压成形过程中的有限元模型，如图4所示。模型全部采用壳单元，实验时模具设置为刚体，板料为可变形体。表2是该模型中模具和板料的单元格类型和单元格数量，其中板料的单元格类型全文方形，且板料的网格较密。分析时采用Double-action模块，设置有2个分析步，分别是压边和成形分析步。

结果和分析

摩擦因数的确立

为了确定冲压过程中的摩擦因数，在进行第一组实验（凸凹模圆角为 1 2 \mathsf {mm } ）时，对第一次冲压拉深到5 1 . 6 \mathsf {mm } 在第二次拉深前，保持板料在模具上对其进行了三个方向材料流动量的测量，如图5所示，表3是实验测得三个方向材料流动的最大位移。图6是不同摩擦因数的×、y、xy三个方向上流动最大，×方向其次，在一定范围内，随着摩擦因数的增大，三个方向的材料流动最大位移呈现出先减小后增大的趋势，且x、xy方向变化波动较大，而y方向材料流动波动较小。可知，当摩擦因数为0.06时，仿真中的材料流动和实验材料数据基本一致，即可认为实际冲压过程摩擦因数为 0 . 0 6 _ { \circ }

材料厚度的分析

图7是二次拉深和单次拉深的成形制件。实验测得用凸凹模圆角分别为12、8mm将材料拉裂时的极限深度为52.3、 2 1 . 2 \mathsf {mm } ，而经过二次拉深深度为 5 3 . 7 \mathsf {mm } 时材料没有发生破裂，即采用二次拉深能够提高材料的成形性能。图8是材料成形后厚度的分布规律图，这和实验结果（图7（b））相吻合。图8是成形制件在x、Z、xy三个方向的厚度分布曲线图。由图可知，经二次拉深后材料的厚度较为均匀，且大于单次拉深后危险截面处的厚度值，利用凸凹模圆角分别为12、8mm成形的制件厚度分布基本相同，1 2 \mathsf {mm } 圆角凸凹模成形制件危险截面厚度略大于8mm圆角半径成形制件。成形制件厚度最薄位置出现在xy方向，即凸模圆角。研究发现除凸缘区域板料厚度增厚外，其他部位的材料都减薄，小于初始厚度值。二次拉深有限元厚度仿真结果和实验结果变化趋势相同，且略小于实验值。

图4盒形件冲压有限元模型<br>图6不同摩擦因数对板件成形性能的影响

图10不同方向的回弹分布曲线

成形回弹的分析

为了研究AA5182-O铝合金二次冲压成形过程中的回弹，本文应用DYNAFORM对三组成形过程进行了有限元仿真，图9（a）是回弹前后的比较图。本文以z方向增量表示成形过程中回弹的大小，大于零，说明向z的正方向回弹，反之，向z的负方向回弹，如图9（b）所示。图10是沿着x、y、xy三个方向、三种不同情况下回弹量分布曲线图。由图可知，经二次拉深后的回弹量小于单次拉深时的回弹量，即采用二次拉深可以减小制件的回弹，提高成形精度。凸凹模圆角为 1 2 \mathsf {mm } 时，回弹量小于凸凹模圆角为 8 \mathsf {mm } 的成形制件的回弹量，可见凸凹模圆角越小，成形后制件越容易回弹。由图可知，在xy方向上凸缘区域回弹量最大，且向z的正方向回弹；除沿xy方向凸模圆角处外，在×和y方向上凸模圆角处的回弹呈现负值，即此处板料向z轴的负方向回弹这将导致此处的拐角小于 9 0 ^ { \circ } 。

结论

AA5182-0铝合金冲压成形时在xy方向上的凸模圆角处为危险截面。通过二次拉深可以提高AA5182-0铝合金成形性能，延缓破裂的发生。

AA5182-O铝合金成形时xy方向上凸缘区回弹最大。二次拉深成形可以减小成形件的回弹，提高成形精度。

通过有限元方法可以很好地模拟实际冲压过程，确定成形过程中摩擦因数。摩擦因数对不同方向上材料的流动影响较大。

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