骆俊廷 黄倩影 顾勇飞 张春祥 陈燕楠

燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室,秦皇岛,066004

0 引言

颗粒或可压缩粉末软模成形工艺采用颗粒或可压缩粉末替代成形模具的凸模或者凹模,使零件在较为复杂的应力应变状态下得以成形。

1986年,日本学者Wakai等[1]提出了颗粒或可压缩粉末成形工艺,并报道了应用氮化硼(BN)可压缩粉末对3Y-TZP陶瓷管材进行胀形成形的实例。之后,该工艺逐渐应用到板材的拉深成形中,王国峰等[2-3]在压头与薄板间加入BN粉末来替代凸模,对陶瓷板材进行拉深成形,成形出了半球形陶瓷零件,并将该工艺逐渐推广到成形各种材料的管材和板材的成形中[4]。

颗粒或可压缩粉末替代凸模使板料成形(软凸模成形)后,需要板料和颗粒同时脱模,才能进行下一道工序的成形,延长了生产周期,提高了劳动强度,不利于该工艺的自动化工业生产;同时仍需加工凹模,不能大幅度降低模具的制造成本[5]。颗粒或可压缩粉末软凹模板材半模成形工艺可克服软凸模成形技术存在的不足,既无需加工形状复杂的凹模型腔,又无需在每次成形后重新加入颗粒或可压缩粉末,有利于降低生产成本并提高劳动生产率。研究人员已经对颗粒或可压缩粉末软凸模板材半模成形工艺进行了力学分析,并初步建立了成形的基础理论[6]。与软凸模成形相比,软凹模成形颗粒或可压缩粉末对零件的力学作用机理有本质的不同,在受力状态及理论分析上也存在很大差异。笔者对颗粒或可压缩粉末软凹模板材半模成形工艺进行力学分析,探讨颗粒或可压缩粉末软凹模成形过程的力学规律。

1 颗粒或可压缩粉末软凹模成形工艺

颗粒或可压缩粉末软凹模成形工艺的原理如图1所示。成形零件接近成形极限时,用颗粒或可压缩粉末代替凹模,自动形成凹模形状,使成形板材受到反向压应力的作用,其成形原理类似于板材充液成形工艺的成形原理。颗粒或可压缩粉末软凹模成形工艺可以提高板料的成形极限,有利于复杂形状零件的加工成形,降低模具加工的成本,提高劳动生产效率,有利于自动化的实现。

具体成形过程如下:①根据成形板料零件的形状和尺寸,设计加工制造凸模1;②设计箱体4,将固体颗粒或可压缩粉末6放入箱体4中(可压缩粉末可预加10～30MPa的压力);③将板料5放在上压料板2和下压料板3之间,用压边圈压住板料5(防止板料5起皱);④凸模1在压力p的作用下向下运动,颗粒或可压缩粉末6通过运动得到凹模形状,从而使板料成形;⑤凸模1回程,凸模1上的顶出机构顶出零件或直接从箱体4上取下零件,再进行下一个零件的成形。如果箱体4中装的是固体颗粒,则凸模回程后,颗粒自动复位;如果装的是可压缩粉末,由于可压缩粉末被压缩后体积减小,则须再次添加一定量可压缩粉末,才能进行下一个零件的成形,或者设立搅动或震动装置使可压缩粉末分散开。

图1 颗粒或可压缩粉末软凹模成形

2 应力应变分析

2.1 基本假设

颗粒或可压缩粉末软凹模成形工艺的力学分析除了要满足板料加工成形的基本假设条件外,当板料与颗粒或可压缩粉末接触以后,还需对板料受力状态作如下假设:

(1)在成形过程中的某一时刻,筒形件的底部与凸模接触的部位及圆角处各点受均布压力p的作用。

(2)零件成形过程中,在零件与颗粒接触区域内,上表面颗粒对零件侧壁的作用力基本为0,底部颗粒对零件的作用力最大。因此假设零件与颗粒或可压缩粉末接触后,均布压力p与颗粒或可压缩粉末自由表面到零件底面之间的距离x满足以下一次或二次关系式:

式中,p0为压力常数;a、b、k为因数,均由颗粒或可压缩粉末材料的性能决定;x＞0。

(3)根据假设(1)可以得到成形筒形件底部和圆角区域各点受到的颗粒或可压缩粉末的压力相等,均为p,而颗粒或可压缩粉末给零件侧壁的压力py从成形零件的底部到颗粒或可压缩粉末自由表面逐渐减小,因此可假设零件侧壁任一点所受到的颗粒或可压缩粉末的压力满足以下关系式:

式中,y为零件底部与所取单元体之间的距离,y＞0。

颗粒或可压缩粉末对板料作用力基本假设如图2所示。

图2 基本假设示意图

2.2 板料未接触到颗粒或粉末时的应力应变状态

凸模未接触到颗粒或可压缩粉末时,成形件的受力状态与普通刚性拉深件的受力情况完全相同,如图3所示[7]。图3中,σt为厚向应力,σρ为径向应力 ,σθ为切向应力 ,εt为厚向应变 ,ερ为径向应变 ,εθ为切向应变。法兰区受径向拉应力和切向压应力作用,并在径向和切向分别产生拉应变和压应变,板厚稍有增加,法兰外缘部分厚度增加值最大。在凹模圆角处,材料除受径向拉深外,同时产生塑性弯曲,使板厚减小。材料离开凹模圆角后,产生反向弯曲。圆筒侧壁处于轴向拉伸状态,该区域为传力区。筒底部分处于双向受拉状态,在凸模圆角处,板料产生塑性弯曲和径向拉伸。

图3 刚性拉深模圆筒件各区的应力应变状态

2.3 板料接触到颗粒或可压缩粉末到完全成形之前的应力应变状态

当板料接触到颗粒或可压缩粉末时,接触区域各部分的应力与应变状态有所改变,同时应力和应变的大小也随之变化,如图4所示。图4中,σ′t为厚向应力变化值 ,ε′t 为厚向应变变化值 ,ε′ρ为径向应变变化值。筒壁与颗粒或可压缩粉末接触区域已经处于三向应力状态,颗粒或可压缩粉末的作用使板料厚度方向的压应力增大,该区域的应变也有所变化,厚度方向的压应变和径向的拉应变均有所增大;与凸模接触的圆角区域的应力状态没有改变,但厚度方向压应力增大,该区域的应变状态也没有改变,和侧壁区一样,厚度方向压应变和径向的拉应变均有所增大;与凸模接触的底部受力状态已经改变,增大了厚度方向的压应力,而应变状态没有改变,厚度方向压应变减小。

图4 颗粒或可压缩粉末凹模拉深圆筒件各区的应力应变状态

由于板料受介质压力的作用,变形区域的受力状态发生变化,在凸模圆角与筒壁相接区域的筒壁上取微元,如图5所示。根据图5建立轴向的平衡方程:

式中,t为板料厚度;r为微元半径。

对式(5)积分得

式中,f3为摩擦因数;N为凸模作用在筒壁上的接触力;h为筒壁上任意一点(包括未与颗粒或可压缩粉末接触区域)到成形零件底部的高度。

图5 微元受力示意图

在径向上列平衡方程,得

2.4 颗粒或可压缩粉末完全充满箱体时的应力应变状态

由 dθ/2 ≈ 0,得 sin(dθ/2)=dθ/2,故

将式(1)、式(3)代入式(9)得

将式(2)、式(3)代入式(9)得

假设切向应变εθ=0,根据广义胡克定律,与颗粒或可压缩粉末接触的侧壁变形区的应变为

式中,E′为塑性模量。

由 ε0=0得

将式(10)代入式(13)得

把式(6)、式(14)代入 εt=[σt-(σρ +σt)/2]/E′,得

把式(11)代入式(13)得

把式(6)、式(16)代入 εt=[σt-(σρ +σt)/2]/E′得

由体积不变条件得εt=-ερ。

零件未与颗粒或可压缩粉末接触部分的受力状态与普通刚性拉深件受力状态相同。拉深成形过程中,凸模圆角与筒壁相接处受径向和切向两向拉应力的作用,因此危险断面一般在凸模圆角与筒壁相接处。由于摩擦的作用,危险断面位置随着凸模与板料间摩擦因数的减小而向凸模圆角与筒底相接处转移。从式(10)和式(14)可以看出,颗粒或可压缩粉末的作用使得凸模圆角与筒壁相接区域的切向压应力增大,使径向拉应力减小,甚至可以为负值。凸模圆角与筒壁相接区域受到径向压应力作用,该区域的受力状态改变。而且,在颗粒或可压缩粉末软凹模成形工艺中,颗粒或可压缩粉末给凸模圆角与筒壁相接区域一个较大的压应力,随着成形的进行,零件的破裂可能越大,颗粒或可压缩粉末作用力也逐渐增大,从而可有效防止破裂缺陷的产生,从而提高成形制品的成形极限。

当颗粒或可压缩粉末完全充满箱体时,筒形零件的受力可分为两部分,一是法兰部分的受力,该部分受力与普通刚性拉深件法兰部分的受力相同;二是零件已成形部分的受力,该部分受力与2.2节所计算受力基本相同,只是此时整个筒壁和筒底均受到颗粒或可压缩粉末的压力py的作用,受力状态与充液成形相似,可近似认为py是一个常数,此时,零件的应力应变状态如图6所示。

3 结论

(1)在对筒形件颗粒或可压缩粉末软凹模拉深成形进行基本假设的基础上,对不同拉深成形阶段筒形件各区域的应力应变状态进行了分析,并将该工艺与普通刚性拉深成形工艺进行了比较。分析结果表明,颗粒或可压缩粉末软凹模成形时,板料所受的应力应变状态更有利于防止成形零件缺陷的产生。

图6 颗粒介质凹模拉深模圆筒件各区的应力应变状态

(2)推导出筒形件颗粒或可压缩粉末软凹模拉深成形时,与颗粒或可压缩粉末接触区域的应力和应变的计算公式,进一步从理论上证明了颗粒或可压缩粉末软凹模成形工艺可改变传力区的受力状态。

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