趙　峰，柳亞輸，丁　華

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

汽車后壁板拉深成形工藝分析及數(shù)值模擬

趙峰，柳亞輸，丁華

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

文章主要針對汽車后壁板拉深工藝進(jìn)行分析并使用DYNAFORM軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值模擬的主要內(nèi)容是觀察不同壓邊力、凹模圓角等因素對拉深成形的影響。通過對模擬結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：壓邊力要適中、凹模圓角半徑要稍大一些，這樣可以避免覆蓋件拉深時易出現(xiàn)的起皺、破裂等缺陷，最終生產(chǎn)出滿足要求的零件。采用這種方法可以大大縮短模具設(shè)計周期，并降低生產(chǎn)成本。

后壁板；拉深；工藝分析；數(shù)值模擬；成形

冷沖壓是一種建立在金屬塑性變形的基礎(chǔ)上，利用模具和沖壓設(shè)備對板料金屬進(jìn)行加工，以獲得需要的零件形狀和尺寸的先進(jìn)金屬加工方法［1］。后壁板屬于汽車覆蓋件，大型覆蓋件的特點有材料薄、形狀復(fù)雜、自由曲面多、結(jié)構(gòu)尺寸大以及表面質(zhì)量要求［2］。

在計算機技術(shù)應(yīng)用于沖壓之前，人為因素對沖壓工件質(zhì)量的高低和沖壓生產(chǎn)效率的高低影響很大；導(dǎo)致了產(chǎn)品質(zhì)量的不穩(wěn)定和沖壓生產(chǎn)無法實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范生產(chǎn)。計算機技術(shù)在沖壓生產(chǎn)中的應(yīng)用，充分顯示了結(jié)合經(jīng)驗的數(shù)值模擬方法的巨大優(yōu)越性［3］，特別是在降低生產(chǎn)成本、減少試模和修模時間、減少資源浪費、推進(jìn)模具設(shè)計和制造的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化等方面都有非常顯著的優(yōu)點［4］。

本文介紹的是在后壁板拉深工藝分析的基礎(chǔ)上，在軟件Pro/E中，建立板料和凹模的三維圖，然后將之導(dǎo)入到DYNAFORM軟件中進(jìn)行的數(shù)值模擬。具體模擬時，首先進(jìn)行前處理，即對板料進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定相關(guān)工藝參數(shù)，軟件自動生成凸模、壓邊圈位置、壓邊力和摩擦因數(shù)等經(jīng)驗數(shù)值，對建立好的模型進(jìn)行求解運算；然后進(jìn)行后處理，對前面的運算進(jìn)行分析生成成形極限圖和厚度分布圖。通過模擬不同的壓邊力和凹模圓角半徑，來驗證沖壓工藝及相關(guān)工藝參數(shù)的設(shè)置是否合理，從而達(dá)到優(yōu)化工藝設(shè)計和提高沖壓生產(chǎn)效率的目的。

1　后壁板拉深的工藝分析

圖1　后壁板左視圖和主視圖

汽車后壁板整體尺寸長為1090mm，寬為670mm，厚度1.5mm，材料為08F鋼，尺寸較大；形狀復(fù)雜，左右軸對稱但前后不對稱，四周圓角半徑為30mm，凸包處為20×450mm，進(jìn)行沖壓工藝性分析，該制件屬帶有部分凸包的復(fù)雜大型覆蓋件，一般采用拉深成形（后壁板左視圖和主視圖見圖1）。

采用厚度為1.5±0.05mm的08F鋼板，拉深成形后壁板的整體輪廓尺寸，保證了制件具有足夠的強度和剛度，又便于后續(xù)工序如修邊、沖孔、壓彎成形等的順利進(jìn)行。該零件成形須選擇合理沖壓方向，這樣才能保證沖壓時，拉深高度差下降為最小，凸模與毛坯具有良好的初始接觸，減小兩者間的相對滑動，有利于毛坯變形提高制件表面質(zhì)量。所以該制件除了拉深工藝以外，要有工藝補充部分才能進(jìn)行拉深成形。故本制件采用長方形毛坯一次拉深成形，為了使毛坯變形均勻，需要在壓料面上設(shè)置拉延筋。其主要的加工工序為：

首先進(jìn)行拉深，然后修邊和沖孔、沖缺口、首次彎曲、二次彎曲、三次彎曲成形、沖8個Φ16和2個Φ14的側(cè)孔、鉆兩個孔。采用該順序可使模具結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，同時二次拉深成形與三次拉深成形的兩套模具可裝在同一設(shè)備上，既節(jié)省了設(shè)備，也簡化了加工工序，同時沖孔、鉆孔安排在彎曲成形后進(jìn)行，可以保證制件的各孔尺寸，鉆孔也減少了一套沖孔模。由于工件形狀復(fù)雜，加工工序多，模擬的時間有限，初次使用模擬軟件，所以僅模擬了板料的壓邊力和凹模圓角半徑對拉深成形的影響，也就是只對一次拉深成形過程進(jìn)行模擬，而不考慮修邊、沖孔、沖缺口、壓彎成形等其他工序的影響。制件經(jīng)過一次拉伸后，不經(jīng)過其他工序處理。

2　后壁板拉深工藝數(shù)值模擬的步驟

運用模擬仿真軟件DYNAFORM對拉深過程進(jìn)行數(shù)值模擬，可以很直觀地在計算機屏幕上了解拉深件的破裂、起皺、料厚等變化情況，分析在仿真的環(huán)境下拉深件的應(yīng)力、厚度的變化及其影響因素。應(yīng)用DYNAFORM軟件對沖壓成形進(jìn)行數(shù)值模擬的基本步驟如圖2［5］。

圖2　數(shù)值模擬步驟

2.1曲面模型的建立

根據(jù)后壁板的形狀和尺寸，設(shè)計出后壁板的毛坯形狀和尺寸；根據(jù)后壁板的形狀，利用Pro/E三維設(shè)計軟件中的曲面設(shè)計功能設(shè)計拉深凹模的三維圖（見圖3）。設(shè)計時，應(yīng)注意與上一個毛坯面之間的坐標(biāo)關(guān)系，并將三維模型保存為asm.igs格式。

圖3　后壁板拉深凹模立體圖

2.2劃分單元網(wǎng)格、建立模型

建立曲面模型后，將Pro/E裝配的曲面轉(zhuǎn)換成接口文件（IGES）導(dǎo)入DYNAFORM。在DYNAFORM中使用Blank Generator（坯料網(wǎng)格生成）和Surface Mesh（曲面網(wǎng)格劃分）兩種方法來生成網(wǎng)格。網(wǎng)格的劃分，應(yīng)能夠正確反映結(jié)構(gòu)的受力和變形情況，網(wǎng)格的密度也應(yīng)適當(dāng)。網(wǎng)格太密則計算求解時間過長，網(wǎng)格太疏則求解精度不夠、誤差較大，因此應(yīng)劃分滿足使用要求的合適大小的網(wǎng)格［6］。在本次模擬中，毛坯的尺寸為1390×960mm，凹模的圓角半徑為20mm，其工具圓角半徑為5mm；在曲面網(wǎng)格化時設(shè)置凹模的網(wǎng)格參數(shù)最大尺寸35.0mm，角度半徑為20.0mm。劃分好的網(wǎng)格如圖4和圖5所示，然后在DYNAFORM中通過偏置等處理生成凸模和壓邊圈。

圖4　劃分好網(wǎng)格的毛坯

圖5　網(wǎng)格劃分后未分離壓邊圈的凹模圖

在前處理中經(jīng)過網(wǎng)格化后，網(wǎng)格化的制件裝配圖如圖6所示。

圖6　網(wǎng)格劃分后的裝配圖

2.3模擬計算

經(jīng)過前面處理后，可通過與求解器LSDYNA的接口直接運行求解，如圖7所示。經(jīng)過若干時間的計算后，求解器可輸出一個結(jié)果文件（默認(rèn)為d3plot文件），該文件分步寫入，可以供后處理時調(diào)用。在隨后的后處理中，后處理器PostGL讀取生成的d3plot文件，并將結(jié)果用圖形和動畫的形式表示出來。通過分析板料厚度變化圖，可以知道制件拉深后產(chǎn)生拉裂和起皺的情況；通過對成形極限圖的分析，就可以對壓邊力和凹模圓角半徑等參數(shù)作出適當(dāng)?shù)男薷?，修改后的結(jié)果，可以通過再次模擬來進(jìn)行工藝驗證。

圖7　運算求解過程

3　數(shù)值模擬結(jié)果分析

本次進(jìn)行模擬的汽車后壁板拉延件是非規(guī)則的拉深件。從圖1可以看出，該工件拉深的深度是不均勻的，既有較深的拉深成形也有深淺不同的凹槽拉深，這樣的制件在拉深過程中，最容易出現(xiàn)缺陷拉裂和起皺。

3.1壓邊力對拉深成形的影響

通過計算得出凸模的運動行程距離是1010mm （DYNAFORM自動計算得出），根據(jù)公式計算壓邊力給定1443.7KN，系統(tǒng)自動給出的壓邊力為18000KN，取凹模運動速度為5100mm/s，壓邊圈與凹模之間的間隙為1.0mm。在以下的數(shù)值模擬中保持其他參數(shù)不變，僅僅改變壓邊力，通過模擬結(jié)果看不同的壓邊力對拉深成形性能的影響。

（1）壓邊力為18000KN，對毛坯進(jìn)行數(shù)值模擬，得到模擬結(jié)果如圖8所示。

圖8　壓邊力18000KN的模擬圖

（2）壓邊力為1500KN時，對毛坯進(jìn)行數(shù)值模擬，得到模擬結(jié)果如圖9所示。

圖9　壓邊力1500KN的模擬圖

（3）壓邊力為4000KN時，對毛坯進(jìn)行數(shù)值模擬，得到模擬結(jié)果如圖10所示。

圖10　壓邊力4000KN的模擬圖

在（1）中，制件的周邊出現(xiàn)了起皺現(xiàn)象，中間凹槽部位嚴(yán)重皺縮，由此可知該制件是不合要求的，同理可知（2）也不滿足，只有（3） 滿足。對比（2）、（3）可以看出主要是因為壓邊力過大導(dǎo)致的。因為零件開裂的根本原因，在于拉深變形抗力大于制件開裂處的材料實際有效抗拉強度。開裂在（1）中是最嚴(yán)重的，（3）無開裂滿足要求。（2）直角邊緣處起皺十分明顯，并且起皺在制件中間拉深深度較大的矩形凹槽邊緣到制件邊緣處最為劇烈，所以（2）不合要求。

通過對比模擬結(jié)果可以知道，壓邊力過大時會造成開裂使制件報廢；反之，過小的壓邊力又會造成制件局部開裂和皺縮。只有采用合適的壓邊力，才能消除開裂、皺紋、凹槽等缺陷。

3.2凹模圓角對拉深成形的影響

凹模圓角半徑是影響拉深成形的重要因素，當(dāng)凹模圓角半徑過小時，容易導(dǎo)致凹模圓角部分先于底部發(fā)生破裂。如果凹模圓角半徑過大，則處在壓邊圈作用下的坯料面積減少，不利于防皺。在以下的數(shù)值模擬中保持其他參數(shù)不變，僅改變凹模圓角半徑，通過模擬看其對后壁板拉深成形的影響。

圖11所示的是在凹模圓角半徑為30mm，其它成形參數(shù)不變的情況下得到的模擬結(jié)果。

圖11　 圓角半徑30mm的模擬圖

圖12所示的是在凹模圓角半徑為20mm，其它成形參數(shù)不變的情況下，得到的模擬結(jié)果。

圖12　圓角半徑20mm的模擬圖

從圖11中看到，制件四個圓角未出現(xiàn)拉裂和褶皺現(xiàn)象，在中間部位有輕微的起皺趨勢，基本上滿足要求。從圖12中可以看到，在制件兩個直壁相交的圓角過渡部分，有非常輕微的拉裂現(xiàn)象，在制件的圓角凸出部位產(chǎn)生了拉裂現(xiàn)象，制件上有輕微的起皺傾向。

對比兩個模擬結(jié)果可以看到，較大的凹模圓角半徑可以避免皺紋產(chǎn)生，較小的值則會造成起皺。主要是因為，較小值會使制件直壁側(cè)面的傳力區(qū)拉應(yīng)力增大，變形阻力增大，導(dǎo)致了最后的成形力增大，產(chǎn)生了皺紋。所以凹模圓角半徑一般要稍微大一些，以避免出現(xiàn)皺紋。

4　結(jié)論

本文運用DYNAFORM軟件分析了影響汽車后壁板拉深成形的關(guān)鍵參數(shù)壓邊力和凹模圓角半徑，發(fā)現(xiàn)壓邊力的大小要適當(dāng)，過大容易造成后壁板破裂，過小則容易引起褶皺和減薄；凹模圓角半徑不能過小否則容易引起起皺，要適當(dāng)大一些。數(shù)值模擬的方法可以有效地加快模具設(shè)計的進(jìn)程，為模具工業(yè)的信息化提供借鑒。

［1］肖景容，姜奎華.沖壓工藝學(xué)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1999.

［2］趙俠，傅建，余玲，等.有限元模擬技術(shù)在板料沖壓

成形中的應(yīng)用［J］.四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2004，（S1）：241-249.

［3］王巍，錢可強.機械工程圖學(xué)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

［4］王秀風(fēng)，郎利輝.板料成形CAE設(shè)計及應(yīng)用—基于DYNAFORM［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［5］ANSYA公司.應(yīng)用LS-DYNA進(jìn)行薄板成形仿真——高級［K］.

［6］陳文亮.板料成形CAE分析教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

（責(zé)任編輯劉紅）

The Technical Analysis of Formability Drawing and Numerical Simulation to Automobile Back-wall Board

ZHAO Feng，LIU Ya-shu，DING Hua

（Taizhou Polytechnic College，Taizhou Jiangsu 225300，China）

This paper main analyses and simulate the process of drawing by the software Dynaform.The numerical simulation analyses of the impact of Deep Drawing with difference blank hold force and die radius.we analyze the result of numerical simulation，then find blank hold force should be suitable and die radius should be slightly larger.In this way the crack and wrinkle of drawing can be avoided.With this method can speed up the process of mold design and reduce the production cost.

back-wall board；drawing；technical analysis；numerical simulation；formability

TG386.4

A

1671-0142（2015）02-0045-04

趙峰（1979-），男，江蘇泰州人，副教授，碩士，研究方向為機械工程計算機應(yīng)用.

江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201412106001Y，項目主持人：丁華）.