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封頭廣泛應(yīng)用于航空、航天、化工等領(lǐng)域,且形式多樣,橢球封頭是其中應(yīng)用最廣泛的形式之一。目前封頭主要以冷、熱拉深和冷、熱旋壓方式成形。旋壓屬于局部塑性變形,由于生產(chǎn)效率較低,主要適宜成形制造大型封頭和小批量封頭。而冷拉深成形封頭由于加工效率高,成本低等優(yōu)點(diǎn),主要適合于中小型封頭的大批量生產(chǎn)。在封頭的冷拉深成形過程中,板料在壓力作用下受到模具約束,最終變形至所需形狀,此過程包括,以大位移、大變形為特征的幾何非線性、以塑性變形為特征的材料非線性和以摩擦為特征的邊界非線性,是一個(gè)十分復(fù)雜的物理過程,若工藝參數(shù)不合適常常出現(xiàn)缺陷。因此,研究橢球封頭冷拉深過程中可能出現(xiàn)的缺陷,及其成形機(jī)理以及工藝參數(shù)對(duì)該成形過程的影響規(guī)律,對(duì)于選擇合理的工藝參數(shù),提高封頭質(zhì)量和加工效率,降低成本,縮短周期,具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
目前,關(guān)于冷拉深研究的文獻(xiàn)較多,如文獻(xiàn)結(jié)合有限元,分析了液化天然氣瓶的拉深過程,認(rèn)為起皺和過度減薄是板料拉深最主要的兩種缺陷,以壁厚分布均勻性為質(zhì)量指標(biāo),結(jié)合田口方法分析獲得了3個(gè)參數(shù)的影響程度,按影響程度依次為凹模圓角半徑、摩擦因子和壓邊力。文獻(xiàn)研究了變壓邊力曲線對(duì)拉深過程的影響,認(rèn)為拉深過程采用變壓邊力可以提高筒形件的極限拉深高度。文獻(xiàn)分析了筒形件的冷、溫拉深過程,發(fā)現(xiàn)破裂常發(fā)生在凸模圓角附近。上述研究多集中在杯形件、筒形件拉深方面。針對(duì)封頭拉深成形,文獻(xiàn)開展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)了封頭半球頂部和凹模圓角的外側(cè)壁部位易過度減薄,但其針對(duì)的是半球封頭拉深成形過程。文獻(xiàn)在考慮網(wǎng)格細(xì)化的基礎(chǔ)上,建立了橢球封頭拉深有限元模型,并通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,確定了最優(yōu)網(wǎng)格密度、層數(shù)以及摩擦系數(shù)。但該模型為簡化的軸對(duì)稱模型,難以模擬預(yù)測封頭拉深過程中易于出現(xiàn)的失穩(wěn)起皺等缺陷,而且該模型是通過調(diào)整壓邊圈與板料之間的間隙的方法來調(diào)整壓邊力,這 與實(shí)際中直接調(diào)整壓邊力的方式不符。
因此,為能預(yù)測封頭拉深過程中的失穩(wěn)起皺、壁厚過度減薄等缺陷,本文基于ABAQUS/Explicit平臺(tái)建立了橢球封頭拉深的三維有限元模型,并驗(yàn)證了其可靠性。采用給壓邊圈施加均布?jí)毫Φ姆椒M壓邊力,達(dá)到既可保持恒定的壓邊力,也可通過幅值曲線控制其變化,這種壓邊力施加方法與封頭拉深實(shí)際情況相符,而且便于更直觀、確切的分析壓邊力對(duì)成形過程的影響。采用該模型分析了橢球封頭冷拉深過程中的切向、周向應(yīng)力的變化規(guī)律,分析了起皺、過度減薄缺陷產(chǎn)生的機(jī)理、位置。進(jìn)而研究了壓邊力、摩擦系數(shù)和凹模圓角半徑對(duì)切向應(yīng)力、周向應(yīng)力、壁厚的影響規(guī)律,以及切向應(yīng)力、周向應(yīng)力、壁厚的變化對(duì)缺陷的影響。