基于DEFORM-2D的304奥氏体不锈钢拉深过程应力应变的数值模拟

　　奥氏体不锈钢[1]是不锈钢中最重要的钢类之一,其生产和使用量约占不锈钢总产量及用量的70%。这种不锈钢具有优秀的耐蚀性,综合力学性能良 好,可焊性、深冲性等工艺性能[2-3]优良,而304奥氏体不锈钢塑性、韧性和冷加工性能均良好,在氧化酸和大气、水、蒸汽等介质中耐蚀性亦佳,适于制 造深冲成形的零部件以及输酸管道和容器等。但304奥氏体不锈钢是一种较难冲压成形的材料,具有以下特点[3,5-6]:拉深成形比较困难,容易起皱,起 皱后金属流动更加困难,易发生拉深破裂现象;发生塑性变形时硬化剧烈,不易得到符合要求的形状;拉深过程[7]中容易出现高温黏结现象。可见, 304奥氏体不锈钢拉深成形过程的影响因素非常复杂,包括304奥氏体不锈钢本身的性能、模具结构与参数、拉深成形工艺(拉深速度、摩擦与润滑等)。作者 从拉深成形工艺角度出发,通过DEFORM-2D有限元软件模拟[8-11]拉深成形过程的应力应变,得到了优化的工艺,并在实际拉深实验中得到了验证。 这种方法可以大大节省时间,节约成本,提高经济效益,得到最优的加工工艺。

　　1　模拟初始条件的确定

　　变形材料为304奥氏体不锈钢,坯料为88mm的薄圆形片,料厚t=0·8mm。模拟分析模型如图1

　　所示。304奥氏体不锈钢的力学性能参数如下:抗拉强度σb=716·8MPa,屈服强度σs=253·4MPa,弹性模量E=230 000MPa,塑性本构方程[12]如下:σ=1 638·43ε0·632 8+0·036 1lnε

　　由于奥氏体不锈钢各向异性不是很明显,模拟时不考虑材料的各向异性。模拟时的边界条件及模具尺寸如下:采用刚性压边装置,压边力取 N=10kN,初始拉深力为50kN,拉深凸模半径为R=19mm,凸模圆角半径取R=5mm,单边间隙取12t(0·96mm),凹模圆角半径分别取 Rd=1mm、3mm、5mm,摩擦因数μ分别取0·08、0·15、0·30。由于圆筒件拉深是轴对称的,故模拟时取1/4部分进行数值模拟实验。

　　本次模拟实验中,网格可以划分为可变形的毛坯和不变形的刚性工模具(凸模、凹模、压边圈)。因毛坯料薄,网格采用四边形网格,凸、凹的圆角处划分网格密些,具体设计如图2所示。

　　2　模拟结果及应力应变的分析

　　拉深成形过程中,成形极限是衡量拉深成形的一个重要标准。作者进行拉深成形数值模拟实验时,拉深成形极限高度hmax定义如下:当拉深件上任何 一处的塑性变形产生缩颈变形时,拉深过程则不能再继续下去,否则颈缩处因应变集中而使拉深件壁厚迅速减小,工件极易产生开裂。因此,定义在产生缩颈前的最 大拉深高度即为拉深成形的极限高度hmax,如图1所示。凹模圆角半径、拉深过程中的摩擦因数以及拉深速度等因素都会对拉深成形极限高度产生显著影响,因 此下面重点分析这3个因素对拉深成形极限高度的影响规律。