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        《模具工业》编辑委员会

        名誉主任委员:褚克辛 曹延安

        主任委员:武兵书

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        主  办:桂林电器科学研究院有限公司

        编辑出版:《模具工业》编辑部

        主  编:王 冲

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        副 主 编:刘 静

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        国外定价:$15.00

         

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        战略合作单位:

         

        能场辅助拉深成形技术研究进展

        时间:2020-12-18   来源:《模具工业》   作者:张久昌,罗晓亮,顾楠,庄新村,赵震   浏览次数:333

        张久昌1,罗晓亮2,顾楠1,庄新村1,赵震1

        (1.上海交通大学塑性成形技术与装备研究院;2.宝山钢铁股份有限公司)

        摘要:为满足工业发展和环境保护的需要,难变形材料和复杂轻型结构的应用越来越多,对于复杂、薄壁深拉深零件,传统拉深工艺受限于成形极限,通过工艺参数调整和模具结构优化仍难以满足要求。能场辅助拉深通过将力场、温度场、电场、磁场和振动场等物理场引入拉深过程,可以改善坯料与模具的接触条件,改变材料的力学响应行为,从而控制材料合理流动,提升材料的拉深性能,从能场辅助的角度,综述了不同能场辅助拉深成形技术的最新进展,分析了其工艺特点和内在机理,并指出其存在的问题和进一步的研究方向。

        关键词:深拉深零件;成形极限;工艺特点;能场辅助拉深

        0 引言

        随着环境污染和能源问题的日益严峻以及节能环保政策的出台,汽车、航空和航天等领域对轻量化零件的需求越来越高,铝合金、镁合金、钛合金等轻质材料及薄壁、深腔、复杂轻型结构的应用越来越多,如发动机油盘、滤清器、电池壳等深拉深零件。拉深是最常用的冲压工艺之一,为了提高材料的极限拉深比(limitdrawingratio,LDR),充分发挥材料的成形能力,得到结构更加复杂的深拉深零件,国内外研究人员开展了大量的能场辅助拉深技术研究,发明了充液拉深、非等温拉深、电塑性及电流辅助拉深、电磁脉冲辅助拉深、振动辅助拉深等技术。此外,围绕能场辅助拉深的工艺优化、模具设计和内在机理等方面,也取得了重要的研究进展。以下在总结前人研究工作的基础上,综述了不同能场辅助拉深的研究进展,并分析了其工艺特点和内在机理。

        1 拉深成形的基本原理和问题

        拉深是利用模具将平板坯料或空心工序件加工成开口空心零件的冲压工艺方法,广泛应用于汽车、航空航天、电子仪表等行业,是冲压的基本工序之一。拉深件的可加工尺寸范围广,从毫米级的小零件到米级的大零件,从厚度不足1mm的薄壁零件到200~300mm的厚壁零件,均可通过拉深生产。拉深件的种类很多,按照几何形状可分为轴对称零件、盒形件和异形件3类,其变形区位置、坯料应力状态、变形性质和分布等均有一定差异。

        筒形件拉深是最简单和最典型的拉深工艺,具有较强的代表性,如图1所示。筒形件的法兰部分是主要变形区,受切向压应力和径向拉应力,压应力易超过材料的临界应力而引发工件厚向失稳起皱;侧壁和筒底是传力区,主要承受拉应力,其中侧壁与筒底圆角过渡处的材料变形程度小,应变硬化效果不明显,易过度减薄导致开裂。起皱可用压边圈或其他措施缓解甚至消除,而开裂取决于传力区材料的拉应力与承载能力,决定了坯料的极限拉深性能。坯料法兰变形区的流动阻力、凹模圆角处的弯曲抗力以及与模具的有害摩擦力共同决定了零件侧壁传递的拉应力。当拉应力超过材料的抗拉强度时,零件会开裂,为了提高材料的拉深性能,可降低材料的变形抗力,减少无作用的摩擦,增加危险截面的抗拉强度等,达到减小侧壁拉应力、降低零件破裂风险、提高板料拉深深度的目的。

        为了获得高成形极限和高成形质量的拉深零件,研究人员结合试验与仿真,不断优化工艺参数、模具结构和润滑条件,以改善坯料的受力状态和变形条件,但对极限拉深比的提升作用十分有限[1,2]。当拉深零件的变形程度超过材料的一次成形极限时,一般采用多次拉深成形[3],将零件的总变形量进行分配,每次拉深仅完成一部分变形,如图2所示。多次拉深是获得复杂深腔零件的有效方法,但其模具结构复杂、成形工序多,有时需要中间退火,生产效率低。

        目前,传统拉深工艺仍主要采用冷成形方法加工室温高塑性材料,得到的拉深零件大多结构简单、形状规则。为满足工业发展和轻量化要求,铝合金、镁合金、钛合金和复合材料等轻质材料及先进高强钢的应用越来越多,逐渐挤占低碳钢等传统拉深原材料的市场份额,但这些材料的变形性能差,易产生起皱、开裂和回弹等缺陷。同时,拉深零件结构也逐渐向薄壁、深腔、变截面和非等厚的轻型难成形方向发展,需要开发更有效的拉深成形工艺。因此,能场辅助拉深应运而生,能改变材料的力学性能和受力状态,改善坯料的变形条件,为难变形材料的应用和难成形结构的加工提供新的方法。

        2 能场辅助拉深成形技术

        能场辅助拉深将力场、温度场、电场、磁场和振动场等多种物理场引入普通拉深过程,利用能场效应改变材料的力学性能、应力状态和变形行为,改善坯料与模具零件之间的润滑条件,减小变形区材料的流动阻力,保持传力区材料的抗拉强度,进而降低拉深阻力和开裂风险,突破传统拉深成形极限的限制。

        2.1 液压辅助拉深成形

        通过一定手段将外力(气压、液压、电场力和洛伦兹力等)引入拉深过程,可以改变坯料的受力状态,缓解变形抗力和有害摩擦力,使其更易发生变形,为此,研究人员发明了液压辅助拉深成形。充液拉深(hydrodynamic deep drawing,HDD)将液体作为传力介质引入普通拉深过程,由液体代替刚性凹模传递载荷,坯料在液压作用下紧贴凸模,两者之间的有益摩擦力增大,侧壁传力区的拉应力得到缓解,使危险截面上移,同时部分液体从工件法兰处溢出,改善了坯料与凹模的润滑条件,降低了拉深阻力[4],如图3(a)所示。与传统拉深工艺相比,板料充液拉深具有成形极限高、表面质量好、尺寸精度高、回弹量小等优点。为进一步提升板料充液拉深的成形极限,研究人员陆续提出了径向加压充液拉深、预胀充液拉深和热态充液拉深等方法[3]

        如图3(b)和3(c)所示,径向加压充液拉深借助旁路通道将液室流体引至工件法兰处,对法兰区板料施加径向作用力,推动其流向凹模,这种径向加压方法能有效降低传力区材料的拉应力,抑制工件过度减薄,提高板料拉深深度。改进的主动径向加压充液拉深用2套独立的液压系统对液室和法兰区域分别加压,能合理分配压力,缓解坯料反胀,进一步提升材料的成形极限[5]。热态充液拉深对工件法兰部分进行加热以降低法兰区材料的流动应力,同时对凸模进行冷却,降低工件已成形部分的温度,减轻软化效应,使用这种方法可有效加工铝合金、镁合金和高强钢等室温难变形材料[6]

        预胀充液拉深在板料冲压成形的初级阶段,主动增加型腔压力,当压力达到设定值时,凸模进给完成拉深[7],如图4所示。预胀变形使板料发生应变强化,材料的强度、刚度和抗失稳能力得到提升,能避免成形初期出现开裂和起皱等缺陷。

        充液拉深为难变形金属材料的冲压成形提供了有效可行的方法,能获得成形极限高、表面质量好、结构复杂的拉深零件,但充液拉深对模具的密封性和冲压机的压力要求较高,且拉深过程中的充放液动作降低了生产效率。为获得更加复杂的冲压零件,充液拉深向着多个方位主动加压、正反向加压、耦合其他能场的方向发展,模具结构和控制系统也更加复杂。

        2.2 温度场辅助拉深成形

        铝合金等轻质材料和先进高强钢的室温塑性差、变形抗力大,采用传统冲压方法成形容易产生开裂缺陷。加热能强化金属原子的热运动,激活更多的滑移系,促使硬化析出物溶解及显微组织的回复和再结晶,降低材料的屈服强度和应变硬化能力,使变形更容易进行[8],因此可将加热引入传统拉深工艺以改善材料的成形性能。热辅助拉深工艺分为温热拉深和热拉深,温热拉深的工作温度低于材料的再结晶温度,材料的微观组织保持不变而流动阻力显著降低,具有广阔的应用前景。基于304不锈钢的筒形件加热拉深试验[9],当坯料加热至120℃时,LDR可达2.7,相对室温提高35%。在150~200℃进行铝合金温热拉深试验,发现拉深力随着温度的升高而降低,壁厚分布几乎不随温度变化,铝合金的成形性能变好[10]

        为进一步提高零件的拉深深度,研究人员发明了非等温拉深工艺,通过控制温度分布调节材料的力学性能。图5(a)所示为非等温拉深[11],在加热凹模和压边圈的同时,通过水循环冷却的方式降低凸模温度,进而实现坯料温度场的非均匀分布。变形区材料温度高,软化效应明显,变形抗力降低;传力区材料温度低,抗拉强度高,承载能力强[12]。因此,非等温拉深能减小拉深阻力和零件侧壁开裂的风险,提高极限拉深比。该工艺适用于铝合金、镁合金、钛合金及先进高强钢等室温低塑性金属。

        铝合金等面心立方金属具有良好的低温塑性。在温度降至−150℃时,铝合金的强度和延展性显著提高[13]。基于拉伸试验和Nakazima试验发现,从室温降至−196℃,铝合金的强度和延伸率不断提高,表现出高应变硬化和高成形极限[14]。与此同时,在低温变形过程中,可以避免引入热量而产生不希望的微观结构变化[15]。基于该思路,图6给出了适用于铝合金薄板的深冷拉深工艺[16],主要包括3个阶段:模具零件和坯料联合冷却、深冷拉深阶段和工艺完成阶段。坯料在临界温度以下成形,充分利用合金的低温塑性和形变诱导位错强化效应,零件侧壁的材料强度和承载能力得到提高,进而获得更大的LDR和更好的表面质量。

        通过加热或降温能改善材料的成形性能,获得符合要求的复杂结构冲压零件,但温度变化可能导致温度应力甚至引发材料组织结构转变,严重时会导致成形零件失效。此外,温度窗口、拉深速度、加热/冷却速度等工艺因素对零件成形质量具有重要影响,应谨慎选择。材料在加热或冷却条件下的力学/有限元模型和相关理论也需要进一步完善。

        2.3 电磁辅助拉深成形

        电磁脉冲成形是一种借助强交变磁场产生的洛伦兹力加工零件的高速高能成形方法。材料在高变形速度和高应变速率成形条件下,受到较大的惯性力,能改变材料的应力状态,进而抑制颈缩,提高成形极限[17,18],因此将电磁脉冲成形与传统拉深工艺相结合有望改善材料的拉深性能,获得大高径比的深腔零件。电磁脉冲辅助拉深工艺具有多种形式,根据胀形线圈的位置,可分为正向胀形和反向胀形电磁助推渐进拉深成形。图7所示为正向胀形电磁脉冲辅助拉深的模具结构、线圈分布和工艺过程[19]。凸模圆角处的拉深线圈产生轴向推力,将坯料向下压入凹模;压边圈和凹模中的助推线圈对法兰区坯料施加径向作用力,将其推向凹模;正向胀形线圈布置在压边圈圆角处,对坯料施加厚向压力,可防止起皱;经过重复的放电和拉深,即可得到较大LDR的拉深零件。

        反向胀形电磁脉冲辅助拉深与上述过程类似,只是反胀线圈布置在凹模圆角处,产生的磁场力将坯料顶离凹模,推向凸模,坯料与凹模的摩擦状态得到改善,拉深阻力得到缓解[20]。除了上述2种整体拉深成形方案,研究人员还探索了电磁脉冲辅助局部成形技术,如图8所示。在电磁脉冲辅助拉深的基础上,对预成形的大圆角半成品进行多向磁场力再成形,得到了壁厚均匀的小圆角拉深零件,解决了小圆角筒形件拉深时侧壁易开裂的问题[21]

        电磁脉冲辅助拉深利用模内线圈产生的多向磁场力,改变冲压过程中金属坯料的应力分布,控制材料合理流动,提高了拉深性能,但模内线圈的设计增加了模具的制造难度,缩短了模具的使用寿命。放电线圈受电磁反作用力和电流热效应的影响,容易损坏。此外,电磁脉冲辅助拉深的能量利用率低,仅适用于高导电材料。以上问题限制了电磁辅助拉深成形技术的进一步发展,如何提高能量利用率、构建电磁成形理论和有限元模型、开发无线圈电磁成形方法是当下的研究热点。

        2.4 振动辅助拉深成形

        振动辅助拉深成形是将一定方向的频率与振幅可控的振动施加于拉深模,改善坯料变形条件和零件成形质量的拉深方法,按照振动频率可分为低频振动和超声振动辅助拉深[22]。目前,关于振动辅助成形的作用机制主要有2种解释:体积效应和表面效应。体积效应是指材料内部在振动作用下发生应力叠加或与晶体位错有关的热致软化,引起材料变形抗力降低、延伸率提高。表面效应则是指材料表面因振动而促使润滑更加充分或摩擦力反向,使有害摩擦力减小。

        F BLAHA等[23]在单晶锌拉伸试验中最早发现了超声振动引起的“软化效应”,由此揭开了振动辅助成形的机理、理论和工艺研究。在金属成形过程中叠加超声振动,晶格缺陷(位错或晶界等)优先吸收声能,引起局部加热,获得更低的激活能和更好的位错迁移率,引发材料流动阻力降低[24]。研究超声振动诱导的声应力及其对材料软化行为的影响,发现结合声塑性、位错动力学、声应力传递和热激活机理所建立的本构关系,能准确描述超声振动辅助成形过程中金属的变形行为[25]。此外,工件与模具零件之间滑动摩擦力的减小,可以用滑动摩擦矢量效应加以解释[26]

        在体积效应和表面效应的共同作用下,振动辅助拉深成形的变形抗力和摩擦阻力得以减小,工件的拉深深度和表面质量得到提高。图9(a)所示为施加振动的5种方式,主要分为轴向振动和径向振动,轴向振动能更有效地提升材料的成形极限,但径向振动装置安装更方便,结构也更紧凑[27]。通过对凸模施加15kHz的轴向振动,镁合金板材的成形载荷显著降低,且随着振幅的增大,成形极限先上升后下降[28]。基于304不锈钢的超声振动辅助微拉深成形,发现LDR随箔材厚度和振幅的增大而增大,且与豆油润滑相比,超声振动对拉深力的降低更明显,如图9(b)所示[29]。关于超声振动辅助金属成形的研究,几乎都得出了相同的结论:超声振动能够降低材料的流动阻力和成形载荷,减少工件与模具零件之间的有害摩擦,能获得更好和更高精度的表面质量。

        随着伺服压力设备的发展,低频振动辅助拉深的应用也越来越多。通过设置伺服压力机滑块的运动曲线,实现拉深和变薄拉深凸模的轴向低频振动[30],可将极限拉深比提高15%,侧壁减薄量提高10%。围绕伺服螺旋压力机的缓冲柱塞脉动辅助拉深[31],在凸模下行过程中对缓冲垫和柱塞施加10~50Hz的低频振动,使压边圈、凸模和凹模与坯料的间隙呈周期性变化,坯料与模具的摩擦状态得到改善,侧壁实现更均匀的收缩,成形能力显著提升,如图10所示。在伺服控制条件下,为滑块位移曲线设置不同的振荡模式和振荡位置,可以发现:振荡模式下的筒形件高度比匀速成形提高了7.5%;振荡位置设置在成形前期有利于材料的均匀变形,能进一步提高成形极限[32]

        目前,振动辅助成形的机理研究大多基于物理试验,且多从定性方面加以考量,研究手段受到限制,因此数值建模和仿真受到了广泛关注。但是,围绕振动塑性成形的理论研究仍有待进一步丰富和完善。此外,振动辅助拉深成形的工艺和装备研究,也是当前振动塑性加工的方向之一。

        2.5 电场辅助拉深成形

        电场辅助拉深将电流引入普通拉深过程,利用金属的电塑性扩展材料的成形极限,提高拉深零件的LDR和成形质量。电塑性是指金属材料通电时,力学性能发生改变,流动应力降低,塑性和成形性提高的现象,电流还对材料内部的晶粒细化、损伤修复及表面质量的改善具有积极作用[33]。电塑性现象是多种物理效应相互作用的结果,目前有焦耳热效应[34]、集肤效应、磁压效应和电子风效应等多种解释机制。研究发现,脉冲电流能加强空位活动,促进位错攀移[35,36]。此外,电流处理对材料的回复与再结晶、相变和缺陷修复等具有显著影响,能细化晶粒、闭合微裂纹和微空洞,改变材料的力学性能。电塑性的内在机理涉及多场耦合和微观结构演化,各种解释机制仅能部分说明试验现象,需要采用新的量化试验和表征方法揭示电塑性的本质。

        将电塑性效应引入传统拉深工艺的应用相对较少。图11(a)所示为电流辅助拉深,通过对板料施加脉冲电流降低其变形抗力,甚至实现低温动态再结晶[37],图11(b)所示为局部电流辅助拉深装置[38],脉冲电流仅被施加在法兰区板料上,在降低变形区材料流动阻力的同时,保持传力区材料的抗拉能力,进一步提升板料的拉深性能。电流辅助拉深能提高板料的成形极限,改善成形质量,缩短工艺时间和制造成本,但电流辅助拉深的工艺研究尚不成熟,内在机理尚待进一步明确。

        3 结束语

        随着汽车、航空和航天等领域的快速发展,难变形材料和难成形结构的应用越来越多,传统拉深工艺已难以满足生产要求,通过综述不同能场辅助拉深的工艺特点、内在机理和存在问题,主要结论如下。

        (1)能场辅助拉深将力场、温度场、电磁场和振动场等多种物理场引入传统拉深工艺,利用能场效应改变材料的微观组织和力学性能,改善板料与模具的摩擦状态和润滑条件,进而提高材料的塑性和成形性,降低拉深阻力和失效风险。能场辅助拉深扩展了拉深成形的适用范围,为难变形材料的应用和难成形结构的加工提供新方法,是未来的发展热点之一。

        (2)能场辅助拉深的工艺条件较为苛刻,对密封、隔热和绝缘的要求较高,且模具结构复杂,压力机等设备昂贵,部分研究仍停留于试验室阶段。加强成形装备研发和工艺过程优化、降低成本是能场辅助拉深成形技术走向市场化的必然要求。

        (3)能场对材料的作用机理十分复杂,涉及微观组织结构演变和多场耦合,现有研究多从基础材料科学试验出发,定性解释试验现象,具有一定的局限性。因此,定量试验的设计与实施、有效表征手段的开发与应用、准确可靠的理论模型和数值仿真的建立与完善等,仍有待深入研究。

        参考文献(略)

         
         
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