1、学位论文独创性声明学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名c 手写，：聋昆内务签- - 7 f t g l ：2 0 1 3 年5 月夕日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本
2、人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所和中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库和中国优秀博硕士学位论文全文数据库中全文发表，并通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名( 手写) ：磐多乡签字日期：2 0 1 3 年5 月，7 曰摘要摘要开式冲孔是自由锻生产工艺中的一个基本工序，是很多圆截面空心类锻件锻造必不可少的工序之一。本文以圆柱坯料为对象，借助数值模拟和物理模拟的方法，研究了冲圆形孔和冲正方
3、孔两种工件的形变。论文所做的主要工作和成果如下：( 1 ) 对孔径比D o d ( 圆柱坯料直径与冲子直径比值) 范围在1 5 0 5 o o 的冲圆孔进行数值模拟，分析了工件的形变特点。以改善工件形状精度为目的，运用逆向求解方法，设计了“上凸内凹面+ 内凹圆弧回转面”的坯料预成形形状。物理模拟实验验证了预成形的合理性。( 2 ) 运用点追踪方法，研究分析了不同边径比D o a ( 圆柱坯料直径与正方冲子边长比值) 工件的开式冲方孔成形形变规律。D o a 为1 2 0 时，工件高度增加，D o a 6 0 时，工件高度先减小后增加，且先减后增的拐点出现在不同的h H o( 冲深) 值。上端面
4、拉缩，上端面外缘高度和孔口边缘塌陷程度在周向呈周期性变化，冲子直边中点对应处高度和塌陷程度最大，冲子侧壁过渡圆角对应处最小。外侧表面径向轮廓不再是圆，而是周期性变化的曲线，冲子直边中点对应处直径最大，冲子对角线对应处直径最小，从下端至上端，这种周期性波动幅值减小。方孔侧壁与冲子不贴合，由底部先逐渐增大呈张开状，之后又逐渐减小，且直边部不贴合程度较大，而转角部不贴合程度较小。底面与直边中点对应处翘起最大，与对角线对应处翘起最低。( 3 ) 对比分析了方冲子两圆角( 侧壁之间的过渡圆角R 和侧壁与底平面之间的过渡圆角R 2 ) 变化后工件的形变特点。研究表明，R 1 增大，工件变形状态逐渐接近冲圆
5、孔形变；R 2 增大，工件的高度、底端直径、外侧表面最大直径都减小，上端直径增大，孔壁厚度上下端差值减小，工件材料向周围转移增多。本文提出的以改善工件形状精度为目的的坯料预成形方案，具有实际应用意义，可以为生产实践提供参考；本文对在圆柱坯料上开式冲方孔的形变规律进行较系统的理论研究，具有一定的理论意义。关键词：开式冲孔；圆孔；正方孔；预成形；数值模拟A B S T R A C TT h eo p e np u n c h i n gi sab a s i cs t e pi nt h ef r e ef o r g i n gp r o d u c t i o np r o c e s s ，
6、i so n eo fn e c e s s a r ys t e pf o rm a n yc i r c u l a rc r o s s s e c t i o nh o l l o wf o r g i n g s B ym e a n so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dp h y s i c a ls i m u l a t i o n ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h ec y l i n d r i c a lb i l l e t e s d e f o r m a t i o
7、 nt h a tp u n c h i n gw i t hc i r c u l a ro rs q u a r es o l i dp u n c h e si nt h ef r e ef o r g i n gp r o c e s s T h em a j o rw o r ka n dr e s u l t st h i sp a p e rh a v ed o n ea l ea sf o l l o W s ：( 1 ) S i m u l a t e dt h er o u n dh o l ew o r k p i e c e Sd e f o r m a t i o n
8、i nf o r m i n gP r o c e s so ft h ea p e r t u r er a t i oD 0 d ( t h ed i a m e t e rr a t i ob e t w e e nt h ec y l i n d r i c a lb i l l e ta n dp u n c h ) r a n g ef r o m1 5 0t o5 0 0 U s er e v e r s e s o l v i n gm e t h o d ，p r o p o s e dp r e f o r m i n gs o l u t i o n sf o rt h
9、ep u r p o s eo fi m p r o v i n gt h er o u n dh o l ew o r k p i e c e sf o r m i n gd e f e c t s ，d e s i g n e dt h ep r e f o r mb i l l e t Sg e o m e t r ya s “C o n c a v ec o n v e x + c o n c a v ea r cs u r f a c eo fr e v 0 1 u t i o n ”P h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e
10、n t sv e r i f i e dt h er e a s o n a b l e n e s so ft h eD r e f b n nb i l l e t ( 2 ) U s ep o i n t - t r a c i n gm e t h o ds t u d i e dt h es q u a r eh o l ew o r k p i e c e sd e f o m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ss y s t e m a t i c a l l yf o rd i f f e r e n tD 0 a ( r a t i
11、ob e t w e e nc y l i n d r i c a lb i l l e t ，sd i a m e t e ra n ds q u a r ep u n c h ss i d el e n g t h ) ，t h e nv e r i f i e db yp h y s i c a le x p e r i m e n t s T h er e s u l t ss h o wt h a t ：i t sh e i g h tk e e p si n c r e a s e sw h e nD d a = 1 2 0 ，w h e nD o a - - - 2 5 3 O
12、；H o D o ，如图1 1 所示。第1 章绪论图1 1 冲孔坯料及冲子当锻件孔径较大时，即D o d ，5 0 时因环壁较厚扩径困难，环壁的内层金属挤向端面形成凸台。2H第1 章绪论“裂纹”即低塑性材料开式冲孔时在外侧表面和内孔圆角处产生纵向裂纹。外侧表面裂纹是由于环壁的外层金属受到切向拉应力，当超过金属的强度极限时便产生纵向裂纹。内孔圆角处裂纹的产生是由于此处温度降低较多，塑性较低，加上冲子一般会有锥度，当冲子往下运动时，此处便被胀裂1 14 l 。因此常要求冲子锥度小且经过多次加热逐步冲成。“孔冲偏”原因是由于冲子放偏、冲子各处倒圆角不一致、坯料的金属性质不均匀等 1 5 a 6 。文
13、献f 1 7 1 9 1 指出了冲孔工件的金属流动规律。沿工件轴线的剖面上网格变化如图1 4 ，冲孔过程中，冲子压入坯料内，冲子下面的金属由于受到冲子压力的作用而产生镦粗变形【2 0 ，冲子周围的金属则类似一个环，将冲子下面被镦粗的金属围住。图1 4 沿工件轴线剖面上网格变化变形区1 的金属只能向四周及向上流动。如果包围区域1 的环形金属2 的壁厚较薄，则区域2 对区域1 所产生的阻力较小，那么区域1 的金属向四周流动便较多，在这种情况下，坯料的外径在冲孔过程中便不断扩大，坯料的外形变化也较大。随着冲孔过程的进行，冲头进入金属坯料越深，往外流动的金属也越多，所以坯料下面外径较大而上面较小；如果
14、坯料外径与冲头直径的比值较大时，外层环形金属2 对区域1 的金属便产生较大的阻力，变形区1 的金属除了向四周流动以外也向高度方向流动，这样，坯料在冲孔后的外径就扩大不多，高度变化也较小。由于1 和2 两部分金属是一个整体，所以当区域1 的金属产生流动时，必然影响到区域2 金属的流动。文献 2 1 1 研究利用上限法对圆柱坯料开式冲孔变形过程的计算机模拟建立数学模型。对尺寸为4 8 x 3 2 ( m m ) 的圆柱坯料( 材料为工业纯铅) 进行开式- )第】章绪论冲孔工艺实验。图1 5 为D o d 等于5 、4 、3 、2 、1 6 的平底冲子冲孔试样，图中上排试样压下量为0 5 H o ，
15、下排压下量为0 8 H o 。该研究表明了不同孔径比冲孔坯料会出现前文所述“走样”缺陷。文献 2 2 ，2 3 提及了带孔类锻件的锻造工艺。其中文献 2 3 利用q b l 4 0 0 m m 的冲子对圆柱体镦粗坯料冲孔，锻造外径大于0 4 0 0 0 m m 的加氢直筒节，如图1 6 。镌笏II藿毳O j 辩【) p( a )( b )图1 6 加氢直筒= H 锻造冲孔【2 3 】( a ) 镦粗( b ) 冲孔目前开式冲圆孔应用的较多，并且已有不少文献对它进行了相关研究，这些研究大都集中在工件冲孔后所产生的变形方面，而且相关理论也大部分为实践经验所得，而在冲圆孔工件成形缺陷的改善方面还未进
16、行过坯料的预成形探索。1 2 2 开式冲方孔研究现状文献 2 4 对如图1 7 a 的正方孔轮轴，采用由传统的铣削生产改为锻造生产。最初尝试采用下料后用方孔冲子直接在锻坯加热后冲制，其结果是外圆变形为上小下大的鼓形，中f 司方孔则为上大下小的喇叭形，因此改变了锻造工艺，采用模锻，用方冲头冲孔。具体过程如下：( 1 ) 车床上下料至0 5 9 m m x 7 0 m m ，( 2 )钻出2 8 m m 的中心孔，主要作用是去除多余的金属，做冲头导向作用，减小冲4第1 章绪论孔变形，( 3 ) 坯料加热后，入模锻造，冲头一端做成2 8 m m 。图1 7 b 为模具结构图。nr3qj缓JI缓么、?
17、( a )( b )图1 7 零件与模具结构图1 2 4 1( a ) 零件图( b ) 模具结构图1 模套；2 冲子；3 工件；4 垫板另外，文献 2 5 2 7 提及了斧头、手锤、剁子等劳动工具的自由锻工艺过程，简述了冲制方孔的工艺。目前对于开式冲方孔的研究较少，其中文献 2 4 提出了开式冲方孔后工件的大致形变，有关在圆柱坯料上开式冲方孔有待进一步研究。1 2 3凸模形状对坯料成形质量的影响开式冲孔过程中，冲子底部形状的差异将会影响到坯料金属材料的流动转移2 8 。3 1 。文献 3 4 1 提出，高速成形过程中用平底冲头( 如图1 8 a ) 进行冲孔或反挤压时，除了由于惯性产生塑性断
18、裂外，也会产生剪切开裂。冲孔过程中，由于摩擦力的影响，与凸模接触的部分金属( 图1 4 中所示难变形区) 为难变形区，随着冲头高速下行，在难变形区与其它金属交界面产生很剧烈的剪切变形，并导致产生微裂纹。冲孔过程中，如果采用带圆弧形的锥形冲头( 如图1 8 b ) ，冲孔时易于将金属挤到四周，冲孔省力。如果采用平底冲头，则具有一定程度的反挤压成形性质，需要较大的冲孔变形力，但冲穿孔省力且孔壁切面质量好。第1 章绪论( a )( b )图1 8 平底冲子( a ) 与锥形冲子( b ) 【3 4 】开式冲孔过程中，冲子下面的金属由于受到冲子压力的作用而产生镦粗变形，冲子周围的金属则类似一个环，将冲
19、子下面被镦粗的金属围住。如果采用锥形冲子冲孔，坯料金属大量向周围流动转移，坯料外侧表面畸变程度更大，坯料的变形也已经不完全是传统意义上的开式冲孔。所以本文采用平底冲子进行研究，平底冲子的底平面与环壁之间适度倒圆角，以提高冲子的使用寿命【35 | 。1 3 课题研究意义自由锻件常常带有大小不一的盲孔或通孔。对开式冲圆孔坯料变形规律进行研究并对冲孔后坯料的成形质量缺陷提出改进措施有明显的实际意义；对在圆柱坯料上开式冲方孔的形变规律进行较系统的理论研究具有理论意义，可以为生产实践提供参考。对开式冲圆孔坯料的形变进行研究，分析出现成形质量缺陷的原因，对冲圆孔坯料进行预成形制坯。现阶段自由锻实心冲子冲孔
20、研究中，存在端面拉缩、鼓形、翘底等质量缺陷。其一，针对端面拉缩缺陷，相关研究提出，一方面是因为冲头正下方的金属的流动带动冲头周围金属流动，另外冲头与金属之间的摩擦以及冲头的下行速度也会引起不同程度的拉缩，这些影响因素都是客观存在的，只能做出一些改进。其二，针对鼓形，相关研究提出，是因为冲子正下方金属向四周流动，并在冲子行至坯料中间部位时向四周流动得更多。有关圆柱体镦粗去鼓形方面的研究已经较成熟，其中侧凹坯料镦粗可以达到去鼓形的目的，它是利用侧凹坯料在镦粗时产生的附加径向压应力使镦粗体内处于有利的压应力状态，从而去除鼓形。在冲孔前对坯料进行预成形，改善端面拉缩及外侧表面鼓形具有实6第1 章绪论际
21、意义。对冲方孔坯料的形变特点进行系统阐述，冲方孔工件的上端面、高度、外侧表面、孔壁间隙及底面翘起都出现了新的形变特点。对不同圆角参数方冲子凸模的冲孔工件变形的变化规律进行对比分析，说明变形的差异性和各自特点。这一研究具有理论和现实意义。1 4 课题研究内容与方法对圆柱坯料开式冲孔是一种局部受力，整体塑性变形的成形方式。本文采用数值模拟和物理模拟相结合的方法进行研究。主要研究内容和方法为：( 1 ) 开式冲圆孔工件的成形规律、预成形坯料几何形状的逆向求解方案。借助D e f o r i i l 3 D 软件模拟分析冲圆孔工件的形变和成形过程中金属流动，探讨圆柱坯料冲孔工件形变的一般规律。在此基础
22、上，运用逆向求解思路，确定预成形坯料的上端面和外侧表面的试验边界条件，形成试验方案。对多个试验方案的数值模拟结果进行对比分析和优化，为具体孔径比D o d 冲孔坯料的预成形几何提供理论指导。( 2 ) 具体孔径比D o ，d 冲孔坯料的预成形、预成形规律的分析、物理模拟实验。对孔径比D 0 d = 2 5 0 , - - 3 0 0 的冲孔坯料进行预成形模拟设计，改善冲孔工件的成形缺陷，同时对预成形坯料冲孔过程中的应力应变进行分析。进行物理模拟实验，验证预成形的合理性。( 3 ) 运用D e f o r m 3 D 软件点追踪模拟分析开式冲方孔的成形过程，对工件的形变特点进行系统阐述。对冲方孔
23、工件的高度、上端面、外侧表面、底面、孔壁形状的形变特点进行分析，并进行冲方孔物理实验，测量分析实验结果。( 4 ) 运用D e f o r m 3 D 软件模拟，对比分析方冲子凸模两圆角( 侧壁之间的过渡圆角和侧壁与底平面之间的过渡圆角) 变化后工件的形变特点，进行物理实验验证，测量分析实验结果。7第2 章开式冲圆孔成形缺陷及改进数值模拟研究第2 章开式冲圆孔成形缺陷及改进数值模拟研究2 1冲子几何参数及工件的成形指标冲子几何参数方面，对于圆形冲子，主要是直径、斜度、底面环壁过渡圆角。实际生产中，为了脱模，凸模一般都有一定的拔模斜度；考虑到凸模的磨损及使用寿命，凸模底端会倒圆角。为简化模拟，本
24、文开式冲圆孔数值模拟不涉及斜度和圆角的相关研究，冲子不设斜度，底面倒小圆角( 图2 1 ) ，采用圆柱坯料几何尺寸为( I ：) 6 0 5 5 ( n u l l ) ，根据相似性原理，冲子直径d 相应变化，不同孔径比对应冲子的底面圆角半径值见表2 1 。d。_ 1 _R图2 1模拟采用圆形冲子几何形状表2 1 模拟采用圆形冲子倒圆角半径值工件的成形指标有工件高度H 、工件上端面平面度、工件外侧表面圆柱度。2 2 开式冲圆孔成形缺陷数值模拟2 2 1C A D C A E 模型的转换在有限元软件D e f o r m 3 D 中没有三维造型功能，所以需要借助C A D 软件进行建模，然后将所
25、建模型零件( 后缀为p r t ) 存储为能让D e f o r m 3 D 前处理器识别的S T L 文件，导入前处理器后将生成对应的C A E 模型【3 6 , 3 7 1 。S T L 文件格式是由3 D S Y S T E M 公司定制的一个接口协议，为快速原型制造技术服务的一种三维图形文件格式。本研究采用P r o E 建模后导出S T L 文件，再由前处理器生成R第2 章开式冲圆孔成形缺陷及改进数值模拟研究相应的C A E 模型。2 2 2 材料模型的选取上模和下模在模拟过程中均不发生变形，看做刚性体( R i g i d ) ，所以无需选取材料只要定义模型。对于圆柱坯料则选取D
26、e f o r m 3 D 材料库中热态4 5 钢即A I S I - 1 0 4 5 1 6 5 0 2 2 0 0 0 F ( 9 0 0 1 2 0 0 。C ) 1 ，材料的流动应力方程和屈服准则如图2 2 。I _ 砖i ci l t 贰i 。l ：h t m ：lD i f f u E i l 缸- i t | 韩血ElE ：e 。, Y F g ， i 咖t “iF l t t 一“ 矛= 厅( F ，享，r )，Il 谚O a t , p| 凇姒t ：- 1 爨卜f q t i t 7 计 Y x m -tYieZd舞卜f 时i t 7 计 。姒“8磐| |跚蛔t ”“eF =
27、 = - 图2 2A I S I 1 0 4 5 的物理性能参数2 2 3 对象间关系的建立对象间关系的建立是在前处理中将有相互接触和受力的不同对象设置接触关系，并且要定义对象间的摩擦类型和摩擦系数，本文中，将摩擦类型设置为剪摩擦，摩擦系数取为D e f o r m 3 D 系统提供的热锻、润滑条件下的摩擦系数O 3 。2 2 4 工艺参数的确定开式冲孔工艺参数主要包括以下内容：1 ) 坯料与模具温度：热态4 5 钢的温度取为11 0 0 。C ，坯料与周围环境的传热系数取为常数0 0 2 3N s m m * C 。由于本研究主要为冲孔成形规律的研究，且锻造过程中接触时间较短，所以在模拟过程
28、中不考虑上下模与坯料的热传导，并且将上下模的温度取为常温。2 ) 成形速度：开式冲孔成形速度为冲子的锤击速度，取为6 0 0 0 m m s 。3 ) 模拟控制设定：冲子下行步距为模拟过程中冲子每走过一个模拟步所经过的距离，对于大多数模拟来说，步距应取坯料网格最小边长的1 1 0 1 3 。在对坯料划分网格时，网格的最小边长在l m m 左右，开式冲孔模拟步距取为O 1 m m ，总模拟步为5 5 0 ，每隔1 0 步保存一次相关模拟数据，如图2 3 所示。9第2 章开式冲圆孔成形缺陷及改进数值模拟研究。5 。“二 4 目。二 8 。7 ”：。：S t 墨r t i n E5 t 野X 岫e
29、r并u 晰o fS ! I 瞄i t 1 ，O nS t t 口；S t 0I 雎z - E E ：t oS 揪t _ ”D i eS e l 口t i 埘1s t e pD e f i n i t i 一r拮t ：t h 。毫 0 ：i p ：”口t s ：；一：爱犀1图2 3 模拟参数控制：尹笼。4 ) 位置关系：本章所研究坯料的变形在圆周方向具有对称性，所以为降低处理器的运算时间，采用坯料的1 8 进行数值模拟。模拟开始前冲子的中心轴与坯料的中心轴重合，置于坯料上方且与坯料上端面接触，坯料下端面与下模自由接触，如图2 4 为1 8 模拟坯料与冲子的相对位置关系。图2 4 模型间位置关系2
30、 2 5 数值模拟结果对孔径比D o d 分别为1 5 0 、2 0 0 、2 5 0 、3 o o 、3 5 3 、4 0 0 、5 o o 的开式冲圆孔进行数值模拟，结果如图2 5 所示。由图可知，冲圆孔坯料出现了高度减小、外径上小下大、上端面拉缩、翘底及内孔壁与冲子剥离现象。D o d 、3 0 0 时“走样”程度大，3 0 0 ( D o d 、 5 0 0 时“走样”程度较小。1 0謦第2 章开式冲圆孔成形缺陷及改进数值模拟研究( a )( b )( c )( d )( e )( f )( g )图2 5 冲圆孔坯料模拟结果( a ) D o d = 1 5 0 ( b ) D o
31、d = 2 0 0 ( c ) D o d = 2 5 0( d ) D o d = 3 0 0 ( e ) D o d = 3 5 3 ( f ) D o d = 4 0 0 ( 曲D o d = 5 0 0图2 6 冲圆孔冲子的行程载荷曲线显示，冲孔前阶段，冲子载荷上升较快；中间阶段基本平稳上升；后阶段载荷明显增大。la a dP r e d i c t i o n图2 6 冲子位移行程载荷曲线( D o d = 2 5 0 )图2 7 为圆柱坯料冲孔的等效应力分布，冲孔过程中坯料与冲子底面圆角接触处应力最大，发生了强烈的塑性变形；其次应力较大处是位于冲子下方坯料刚性区下面的区域，说明坯料
32、刚性区下方发生了较强的塑性变形。第2 章开式冲圆孔成形缺陷及改进数值模拟研究E f f e c t i v e ( M P a )5 7 94 12I图2 7 圆柱坯料冲孔( D 棚= 2 5 0 ) 等效应力分布开式冲圆孔坯料出现上端面拉缩、鼓形等成形缺陷现象，对6 0 x 5 5 ( H l I l l )的圆柱坯料，以孔径比D d d 为2 5 0 、2 7 5 、3 0 0 的冲圆孔坯料为例，列举成形后工件相关几何参数【连皮厚度h = 1 3 3 m m ，如图2 8 和表2 2 。( a )( b )图2 8圆柱坯料( a ) 及冲圆孑L 工件( D 棚= 2 5 0 ) ( b )
33、D 1 工件下端外径；H 1 工件高度；B 工件上端面斜向壁厚；O r , - 工件上端i 面# t - 缘偏转角；1 ，工件上端面外缘与外侧面的夹角；h - 连皮厚度表2 2圆柱坯料冲盲孔工件的主要尺寸( m m )里丛里!旦!旦型：型：2 5 06 9 85 1 61 8 41 4 08 9 92 7 56 8 05 2 41 9 51 1 09 0 03 O O6 6 55 3 12 0 28 39 0 01 2第2 章开式冲圆孔成形缺陷及改进数值模拟研究从图2 8 b 中可知工件出现了成形缺陷。表2 2 中显示，工件下端直径增大，高度减小，上端面斜向壁厚与冲孔前对应壁厚相差不大，上端面
34、拉缩导致伐偏转角的出现，Y 角基本为直角。以上成形缺陷使得冲孔后工件在冲出圆孔的同时，外形也变的不规则，现实生产中要尽量减小工件外形的不规则性，降低后续工序的加工难度。因此探索冲孔前坯料的预成形成为必要。2 3 上端面拉缩及镦粗去鼓形相关研究上端面拉缩方面，文献【2 3 】指出在锻造加氢直筒节时应考虑对坯料在冲孔前采用球面镦粗板镦粗，使坯料端面成鼓形，增加冲孔时坯料端面拉延量，减少上端面在冲孔后的下凹程度。镦粗去鼓形方面，有研究【3 8 4 l 】表明，合适的预成形可以减轻镦粗鼓形。镦粗是使坯料高度减小而横截面积增大 4 2 , 4 3 1 的成形工步，圆柱形坯料在镦粗过程中，随着高度的逐渐减
35、小，其径向尺寸不断增大。由于坯料端面与模具之间的接触面存在摩擦L 4 4 J ，镦粗后坯料的外侧表面形成鼓形，同时造成坯料内部变形不均匀。现阶段国内外对镦粗变形方法的研究主要有：普通坯料平砧镦粗；侧凹坯料平砧镦粗；套环内平砧镦粗；金属软垫镦粗；叠料镦粗等。侧凹坯料平砧镦粗：采用侧面压凹的坯料镦粗，在侧凹面上产生径向压力分量，可以减小鼓形，使坯料变形均匀，避免侧表面纵向开裂，由于镦粗时坯料直径增大，高度变小，温度降低，变形抗力增大，坯料明显镦粗，侧面内凹消失，呈现圆柱形。再继续镦粗，可获得程度不太大的鼓形【4 孓4 。7 1 ，如图2 9 所示。获得侧凹坯料的方法为对角镦粗以及端面碾压。2 0(
36、 a )( b )图2 9 侧凹坯料镦粗H 7 1( a ) 侧凹坯料( b ) 平砧镦粗后获得较规则外形1 3第2 章开式冲圆孔成形缺陷及改进数值模拟研究套环内平砧镦粗：这种镦粗方法主要用于低塑性【4 8 , 4 9 的高合金钢。在坯料的外圈加一个碳钢的套圈，套圈的径向压力能够减小由于不均匀变形引起的表面拉应力，镦粗后将套圈去掉。金属软垫镦粗：将坯料放置在两软金属垫之间镦粗，由于软金属垫易于变形流动，对坯料产生向外的主动摩擦，使得端部金属在变形过程中不容易形成难变形区，坯料变形均匀。叠料镦粗：叠料镦粗主要用于扁平法兰类锻件，将两圆柱坯料叠起，第一次镦粗后出现鼓形，将两坯料都翻转1 8 0 。
37、对叠，再继续镦粗，可以获得较大的变形量。圆柱坯料镦粗去鼓形方面，侧凹坯料镦粗能够较好地去鼓形，且坯料镦粗过程中应力分布更为合理。开式冲孔是局部受力整体塑性变形的成形方式，若能对坯料进行合理的预成形设计也将减小冲孔工件的“走样 程度。2 4 冲圆孔坯料预成形规律初探本节以孔径比D o d 为2 5 0 、2 7 5 、3 0 0 的冲圆孔坯料为例，分析形成各主要缺陷的原因，运用逆向求解方法，借助有限元模拟，探索冲圆孔坯料预成形规律，以获得外形较规则的冲孔工件，如改善上端面拉缩程度、外侧表面鼓形程度以及使工件高度与对应圆柱坯料冲孔工件高度基本一致。2 4 1 缺陷成因分析如图2 1 0 中所示，取
38、通过中心轴线的坯料截面观察金属在数值模拟开式冲孔过程中的流动情况。-1。瀚二-( a )( b )( c )图2 1 0 圆柱坯料冲孔( D 棚= 2 5 0 ) 过程金属流动速度矢( a ) 冲孑L 前阶段( b ) 冲孔中间阶段( C ) 冲孔后阶段1 4-“iNN 第2 章开式冲圆孔成形缺陷及改进数值模拟研究由图2 1 0 a 可知，出现上端面拉缩的最大原因是冲子下方金属流动带动了端面金属的流动，从而端面的金属也有向下的流动速度矢。从图2 1 0 b 中可以看出，当冲孔到达9 0 步的时候，金属的流动速度矢向坯料的中下方集中，从而使得冲孔中出现鼓肚。从图2 1 0 c 可以看出，当冲孔至
39、所留连皮附近时，冲子下方的金属无法再向下分流，而完全流向环形四周，使得底部原有环形部分金属向上流动，从而底部出现凸起。2 4 2 逆向求解方案根据开式冲孔中材料的流动转移规律，对于上端面的拉缩，预成形时应在坯料上端面增加材料：对于鼓形，预成形时应在坯料周向适当减料。为了降低预成形坯料的制造工艺难度，且因底面在冲孔过程中为承压面，本章研究不考虑将翘底及内孔壁弯曲( 剥离) 纳入预成形的设计而只对其在预成形冲孔后的结果进行评价。运用逼近原理，预成形坯料上端面和外侧表面的预设方案各采用两个边界条件，如图2 1 1 所示，四个边界条件进行组合将产生四种试验方案。图2 1 2 为四种试验方案的对于D o
40、 d = 2 5 0 的预成形坯料的几何尺寸初步方案。网闶边雾条件边界条俘l：7 弋：7 i 里匡虱匝困L _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - - _ - _ - - - - _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ 一k _ - - - - - - - - - - - - - - - - _ - _ - - - _ _ _ 一_ _ - _ _ _ - - _ _ - _ - _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 一_ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ - 。一r 翻莨I图2 1 1预成形试验方案(
41、 a ) 与I + I 对应模型( b ) 与I I + I 对应模型( c ) 与I + 对应模型( d ) 与I I + 对应模型1 5第2 章开式冲圆孔成形缺陷及改进数值模拟研究( a )( b )( C )( d )图2 12预成形( D o d = 2 5 0 ) 坯料几何形状初步方案( a ) 与I + I I I 对应几何尺寸( C ) 与I + 对应几何尺寸( b ) 与I I + I I I 对应几何尺寸( d ) 与I I + 对应几何尺寸对圆柱坯料冲孔后，由图2 8 b 可知，上端面产生拉缩的同时呈向外凸的圆弧状，所以预成形方案的上端面采用两个边界条件，上凸内凹面和上凸锥
42、面，如图2 1 1 模型实体所示。同样由图2 8 b ，外侧表面产生了鼓形，所以预成形方案的外侧表面采用内凹圆弧回转面和锥面两个边界条件，如图2 1 1 模型实体所不。以D o d = 2 5 0 的圆柱坯料冲盲孔工件为例，对它的几何和材料转移规律进行初步分析后，图2 1 2 为与四个试验方案对应的几何尺寸，之后对模拟结果( 图2 1 3 ) 进行对比分析，得出这四个预成形方案的优缺点，从而推导一般规律。图2 1 3四个预成形( D o d = 2 5 0 ) 方案的冲孑l , ( h H o = 0 2 1 ) 模拟结果( a ) 图2 1 2 a 模拟结果( b ) 图2 1 2 b 模拟
43、结果( C ) 图2 1 2 c 模拟结果( d ) 图2 1 2 d 模拟结果1 6( d )第2 章开式冲圆孔成形缺陷及改进数值模拟研究分析以上四个试验方案的冲孔模拟试验结果，不同的预成形方案对上端面拉缩、鼓形程度等主要评价指标形成了不同的结果，如表2 3 。表2 3各预成形方案冲孔后工件形状指标上端面外侧表面轮廓孔壁弯曲底端翘起方案形状形状变化变化I + I I I内凹弧状内凹基本不变基本不变I I + 外凸弧状内凹基本不变基本不变I + 内凹弧状外凸基本不变基本不变I I + 外凸弧状外凸基本不变基本不变由表2 3 ，四种方案冲孔后，上端面都依然存在拉缩，不同的是方案I + I I I
44、与I + 的上端面轮廓线为内凹弧状，而方案I I + 与I I + 为外凸弧状。对于依然存在的拉缩，说明上端面上凸高度应该大于4 4 9 m m ，对于上端面轮廓线的内凹和外凸弧状，说明上端面轮廓线为某半径的圆弧，且半径值大于3 8 3 4 m m 。外侧表面轮廓形状方面，方案I + I I I 与I I + I I I 为内凹形状，方案I + 与I I + 为外凸形状，说明外侧表面轮廓为某一半径的圆弧，且半径值大于1 1 5 r a m 。2 4 3 预成形形状在基本确定了上端面和外侧表面的大致形状后，预成形的最终方案的确定还需要综合考虑以下因素：由图2 8 b 可知，要获得上端面拉缩程度改
45、善，外侧表面鼓形基本消除以及高度与对应圆柱坯料冲孔工件高度一致的工件，考虑从以下几个方面修改坯料形状。( 1 ) 坯料高度由于上端面及外侧表面内凹回转设计的存在需增加。( 2 ) 工件上端面直径减小是因为拉缩使得上端面呈喇叭口形状，斜向壁厚B 并没有明显缩短 B ( D o d ) 2 ，所以，只要改善了上端面拉缩程度即可保持上端面直径基本不变，所以预成形坯料上端直径与圆柱坯料保持不变。( 3 ) 为了弥补上端面拉缩，若将上端面做成球面穹顶状【2 3 1 ，不便于冲子定位，所以上端面中央与冲子接触范围内应该为平面；同时，拉缩端面呈喇叭口状，所以上端面中央与边缘之间应以某半径的内凹曲面过渡。(
46、4 ) 工件上端面外缘产生了偏转角仪，所以，预成形坯料相应位置应有一个反向偏转角仅o 。1 7第2 章开式冲圆孔成形缺陷及改进数值模拟研究( 5 ) 工件上端面外缘与外侧表面的夹角丫基本保持为直角，所以，预成形坯料对应位置的夹角Y o 仍基本保持为直角。( 6 ) 坯料下端直径应减小；为消减外侧表面轮廓的“弧线+ 相切直线”形状，坯料外侧表面轮廓需要有一对应的弧线和与该弧线相切的直线。经过多次模拟试验，最终确定了对应于孔径比D o d 为2 5 0 、2 7 5 、3 0 0 ，圆柱坯料几何尺寸为6 0 5 5 ( m m ) 的预成形坯料几何形状( 图2 1 4 a ) 和尺寸( 表2 4
47、) 及对应冲孔工件形状( 图2 1 4 b ，h = 1 3 3 m m ) 和尺寸( 表2 5 ) 。D nR l一垂( a )( b )图2 1 4 预成形坯料几何形状( a ) 及对应冲孔工件形状( D 棚= 2 5 0 ) ( b )D o 坯料上端直径；d 冲子直径；C 坯料上端面凸起高度；R 1 坯料上端面内凹圆弧半径；咖坯料上端面外缘偏转角：丫o 坯料上端面外缘与外侧面的夹角；R 2 坯料外侧表面圆弧半径；H o l - 坯料外围高度；D o l - 坯料下端直径；1 3 - 坯料下端倒锥角；D 1 用预成形坯料得到的工件下端外径；H 】用预成形坯料得到的工件高度；B 。用预成形
48、坯料得到的工件上端面壁厚；h 连皮厚度表2 4 预成形坯料尺寸( m m )18第2 章开式冲圆孔成形缺陷及改进数值模拟研究注：其中图2 8 中0 L 都变为0 0 。由图2 1 4 b 模拟效果可知，预成形后冲孔工件的上端面拉缩明显改善，鼓形基本消除。由表2 4 可知，对于孔径比D o d 为2 5 0 、2 7 5 、3 0 0 的预成形规律如下：1 ) 预成形坯料的外围高度为H o l ，而原来圆柱坯料的高度即为外围高度且为5 5 m m ，对比分析可知，当孔径比为2 5 0 、2 7 5 、3 o o ，H 0 1 依次等于6 0 0 m m 、5 7 9 m m 、5 7 1 m m
49、 ，相对增加了9 1 3 8 ，说明随着孔径比的增大，外围高度的增加幅度降低。2 ) 预成形坯料上端直径保持不变。圆柱坯料冲孔工件的上端直径减小是因为上端面产生拉缩后，上端面呈现喇叭口形状，从而导致上端面偏转后直径减小。预成形坯料冲孔后有效改善了上端面的拉缩，所以预成形坯料上端直径与圆柱坯料相等。3 ) 上端面上凸，与冲子接触处为平面。上端面上凸高度与对应冲子直径的比随着孔径比的增大依次为2 7 1 、2 5 2 、2 4 O 。上端面的中央与边缘之间为内凹弧形曲面，圆弧半径R 1 随着孔径比的增大而增大。4 ) 上端面外缘反向偏转角0 l o 随着孔径比的增大而减小。Q o 即上端面的内凹圆
50、弧的切线与水平方向的夹角。5 ) 下端直径减小，减小幅度随着孔径比的增大而降低。减小的数值占原来圆柱坯料的直径的百分比依次为1 4 2 、1 1 2 、9 3 。6 ) 外侧表面轮廓的几何形状为“圆弧+ 相切直线”。圆弧半径为R 2 ，随着孔径比的增大而增大，相切直线与水平方向的夹角为B ，随着孔径比的增大而增大，并且不大于9 0 0 。如果考虑实际应用中预成形坯料成形后脱模则可以将相切直线简化为图2 1 4 a 中双点画线的形式。以上孔径比的预成形坯料与其它存在成形质量缺陷的孔径比范围D o d 5 0 0的冲孔预成形坯料有类似的几何形状规律。1 9第2 章开式冲圆孔成形缺陷及改进数值模拟研
