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摘要：对薄壁封头的冲压技术进行了详细的综述，介绍了薄壁封头冲压技术原理及其技术要点，总结了薄壁封头冲压过程中易出现的缺陷及其解决办法，通过数值模拟方式分析了薄壁封头冲压过程中起皱和回弹影响因素，最后对大型薄壁封头冲压技术进行了展望。
关键词：薄壁封头；冲压；缺陷；数值模拟
1.薄壁封头冲压技术及其现状
1.1 薄壁封头的冲压成形原理
薄壁封头冲压成形属于复杂曲面零件的深拉伸成形范畴。与筒行件相比，封头冲压成形机理更加复杂，在成形过程中，不仅法兰部分的毛坯是变形区，而且毛坯中部也是变形区，尤其中部处于悬空状态的毛坯，由于不受模具的直接作用，其变形状态和趋势只能通过其他途径来控制，是薄壁封头成形中的难点。能否有效控制悬空部分毛坯正确成形是整个工艺的关键。
薄壁封头的拉深是金属平板被拉深成封头形状的过程，如图1所示
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图1 封头冲压成形工艺原理图
在成形过程中，中部毛坯径向始终处于拉应力的作用下，而维向应力在凸模顶点附件为拉应力状态，其大小随半径的加大而减小，在超过一定半径后变为压应力。
应力分界圆外的毛坯在成形过程中处于一向受拉和另一向受压的应力状态，与筒形件拉深时变形区的应力状态相同，其变形机理属于拉深变形，称之为曲面零件的第一成形原理。在应力分界圆内，板料在成形过程中处于双向拉应力的状态，板料在此应力状态下，产生厚度变薄的胀形，称之为曲面零件的第二成形机理。凸模形状不同，则成形后依靠的拉深机理和胀形机理各自形成部分所占比例不同。
1.2 薄壁封头的冲压技术要点
（1）凹模圆角半径的确定
一般来说，圆角R尽可能取大些，大的R可以降低极限拉深系数，减少冲压时摩擦阻力、提高材料的流动性，从而提高椭球体表面质量，但是R过大时会削弱压边圈的作用，引起起皱和鼓包现象；R过小时使材料流动性降低，使封头表面质量降低甚至产生龟裂形成裂纹源，导致封头被拉裂，还会降低模具的使用寿命，因此圆角R的大小要适当。
（2）模具间隙的确定
一般来说，间隙过小会增大冲压时摩擦阻力、降低材料的流动性，降低工件表面质量、使工件拉伸后变得更薄，甚至产生龟裂形成裂纹源，导致封头表面拉裂，降低模具使用寿命；间隙过大冲压时摩擦阻力会减小、材料的流动性增大，引起皱褶和鼓包现象，因此模具间隙大小要适当。
（3）拉深次数的确定
拉深次数和拉深量是冲压工艺编制中的关键点之一，直接关系到拉深件的质量和拉深工作的经济性。拉深次数决定于每次拉深时允许的极限变形程度，拉伸系数是衡量拉深变形程度的一个重要的工艺参数。
（4）冲压板料尺寸的确定
冲压板料毛坯尺寸过大将导致封头冲压过程中主缸压力增大，封头直线段部位减薄严重，甚至产生龟裂成为裂纹源，诱发裂纹的产生；冲压板料毛坯尺寸过小导致所需压边力过大，当设备压边力不够大时冲压过程中板料流动过快就会引起鼓包、起皱的产生。
1.3 薄壁封头冲压过程中易出现的缺陷及解决方法
薄壁封头冲压成形是一种典型坯料塑性加工工艺，整个坯料在成形过程中发生剧烈的金属塑性流变，各部分应力、应变和金属流动状态极为复杂，难以实现精确定量控制，易形成如周边起皱、起包、椭圆变形及直边处纵向裂纹等缺陷。
（1）周边起皱
封头冲压时坯料外缘的压缩量最大。此压缩量向三个方向流动，增加边缘厚度；拉深时向中心流动，补充径向拉薄；向外自由伸长，即径向扩大。由于径向流动阻力小，所以向外伸长往往较大。如果坯料较薄或模具不当、工艺不当，使封头在拉延过程中其变形区切向压应力大于径向拉应力时，就会丧失稳定而产生周边皱折。
影响起皱产生的主要原因是坯料的相对厚度，相对厚度越大，坯料边缘稳定性越好，切向压应力只能使板边变厚；相对厚度越小，对板边纵向弯曲抗力越小，易丧失稳定而起皱。此外，板坯加热温度不均、模具间隙及下模圆角太大、坯料焊缝太高、压边力太小或不均等都能产生皱折。坯料产生皱折后，很难通过上下模具间的间隙，容易被拉断。即使通过下模，起皱也无法消除，影响封头质量。
通过使用压边圈，可以防止起皱的产生。压边圈的压力应合适，压力过大增大摩擦力，使拉应力增大，封头被拉薄甚至拉断；过小则不能防止起皱的产生。不产生起皱最适宜的压边力应是一个变值，即应随冲头向下行程的增加而逐渐加大，这在实际生产中是难以实现的。
（2）起包
在一般薄壁椭圆封头的拉深过程中，起包现象多发生在封头曲率较大的部位。
采用圈形整体式压延模，先对封头折边附近的大曲率部位进行预压，使坯料成为平底锅形，再用凸模压制成型这样，在曲率较大的部位，由于预压成了一定的几何形状，在其预压区域存在冷作硬化现象，增强了坯料变形过程中的刚性，则避免了起包现象的发生。
（3）椭圆变形及直边纵向裂纹
椭圆变形产生的原因是脱模方法不当，或封头吊运温度太高。直边处纵向裂纹是危害性较大的一种缺陷。产生的原因是坯料边缘不光滑或有缺口、脱模温度太低等。这两种缺陷的防止方法是仔细检查和清理坯料边缘，合理制定加热规范和控制脱模温度。
此外，直边拉痕或压坑也是常出现的缺陷。原因是下模及压边圈工作表面粗糙，润滑不好，坯料气割熔渣未清除。防止方法是提高下模压边圈工作表面的光滑度，合理使用润滑剂，清除坯料上熔渣及氧化皮等。
2.薄壁封头冲压技术在数值模拟中的应用
通过长期的生产实践摸索，现已建立了较为成熟的常规薄壁封头冲压成形工艺，但也是仅停留在粗略的定性分析和工人丰富经验基础上建立的控制成形质量的工艺措施，更多的时候采用增加坯料厚度的方法来满足封头承压要求，但是这样导致封头厚度变大，制造成本显著增加。近年来随着计算机技术和数值计算理论的快速发展，利用有限元等数值计算软件来优化封头成形工艺的研究受到广泛关注，如使用数值计算和实验两种方法研究了内部施加载荷的蝶形封头在弹塑性阶段的应力应变分布情况，如数值计算研究了分别施加内、外载荷的椭圆封头在弹性和塑性阶段应力应变分布，也确定了这些封头内、外临界压力值。这些研究和理论分析为封头成形制造过程由定性分析向定量控制转变提供了技术支持。
3.1 薄壁封头起皱缺陷的有限元模拟
在薄壁封头拉深成形中，起皱是一个比较常见的问题。起皱将导致工件重新设计，并重新进行拉深成形，势必会造成严重的资源浪费，成本增加。如何避免起皱，已经被得到了重视。对于拉深中出现的起皱现象，已经有大量的实验和理论计算研究这一现象的发生机理，如采用能量方法分析了圆盘在冲压过程中的起皱现象，如研究承受平面径向拉应力的环形平板的弹性起皱问题。
大量的文献证明有限元方法能够成为一个模拟薄壁封头拉深成形的强有力的分析工具。如果有限元分析建立在可靠的数据、正确的模型和适当的分析方法基础之上，那么有限元分析将能足够可靠的预测薄壁拉深成形结构，并能直接指导模具的设计。
一般有两种有限元方法模拟失稳起皱的发生，即线性（特征值）分析和非线性分析。对于线性分析，其中的刚度矩阵是独立的负载和位移，特
征值分析是最适合的方法。大部分商业代码提供特征值翘起分析模块。在程序中材料属性和几何形状都是非线性存在的，刚度矩阵是载荷、位移和应变的函数，从而要求一个非线性解。在非线性有限元分析中，有许多准则被用来确定起皱发生时的增量，在有些情况下，载荷的单一增加引起起皱结构如此的严重以至于分析不能够收敛。
2.2 薄壁封头回弹的有限元模拟
球形薄壁封头是由圆形板料冲压而成的，圆板是最简单的耦几何与物理非线性为一体的力学分析模型。多年以来，对圆板各种力学性质的研究一直受到广泛的重视，因为圆板在工程结构中的应用非常广泛，尤其是各种回转体构件多由圆板加工而成。
通过对圆形板料双向弯曲受力和变形进行分析，及实际工件成形实验分析，将为具体评估材料的可弯曲性、计算成形所需的力、设计模具、预报弯曲或冲压后的回弹以提高产品的尺寸精度、确定成形后工件内的残余应力，防止在成形过程中产生缺陷提供理论分析依据，大幅度提高产品质量和生产效率，并满足容器制造业提高标准后的技术需求。
3.薄壁封头冲压技术的展望
薄壁封头一般用于压力容器等安全部件，因此对其寿命有严格要求。但目前针对封头寿命的评估均是从结构设计方面考虑，对于冲压等制造过程的影响还未作考虑，因此如何准确预测薄壁冲压封头内的残余应力，并通过工艺参数优化设计、新的冲压工艺或增加表面处理实现残余应力控制，进而实现高寿命薄壁冲压封头制造。具体需在如下几个方面开展相关研究工作：（1）封头材料复杂本构模型建立及其应用：主要是考虑材料的各向异性和动态硬化，实现冲压后零件内的回弹和残余应力分布的准确计算；（2）残余应力分布对封头疲劳性能的影响规律；（3）冲压封头残余应力的主动控制方法
参考文献：
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论文作者:赵永州,陈江华,郭文俊
论文发表刊物:《基层建设》2015年6期
论文发表时间:2016/9/1
标签：封头论文; 薄壁论文; 应力论文; 坯料论文; 起皱论文; 过程中论文; 板料论文; 《基层建设》2015年6期论文;