唐榮健　陳竟華　米琳

集裝箱頂板整體拉延成形工藝具有大幅提高加工效率、節(jié)省材料、降低成本等優(yōu)點(diǎn)，但同時也具有波身深度偏淺、使材料變薄等缺點(diǎn)，因此，部分客戶不接受整體拉延成形的頂板。本文針對集裝箱頂板整體拉延成形工藝存在的問題，通過有限元數(shù)值模擬軟件進(jìn)行仿真模擬分析，獲得優(yōu)化工藝方案，從而為集裝箱頂板整體拉延成形工藝的完善提供參數(shù)支持和優(yōu)化依據(jù)。

1 集裝箱頂板成形工藝發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的集裝箱頂板加工流程如下：采用拉延模具將單張鋼板的5個壓筋逐個拉延成形，然后按頂板尺寸修剪四邊。隨著集裝箱生產(chǎn)線的升級換代，生產(chǎn)效率大幅提高，頂板5個壓筋逐個拉延成形工藝方案的效率明顯偏低。為此，中集集團(tuán)集裝箱控股有限公司率先建造集裝箱頂板生產(chǎn)流水作業(yè)線，采用流線加工方式，即使用連續(xù)板料將5個壓筋一次整體成形后，再按頂板長度剪斷板料，最后修剪兩側(cè)邊，從而大幅提高生產(chǎn)效率。

由于各種原因，頂板5個壓筋整體拉延成形的尺寸與逐個拉延成形的尺寸相比有所變化，主要原因是前者使壓筋深度變淺。盡管整體成形頂板的強(qiáng)度和剛性均能滿足集裝箱的試驗(yàn)要求，但部分客戶仍不接受壓筋變淺的頂板。為此，箱廠同時存在兩種頂板加工方式，給生產(chǎn)管理和材料替代等帶來一系列問題。

2 板料成形數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用

在板料沖壓成形過程中，板料的成形受工藝參數(shù)、材料參數(shù)、板料尺寸等諸多因素的影響。為獲得精確可靠的結(jié)果，通常采用試錯法，經(jīng)過反復(fù)多次分析（即反復(fù)的“設(shè)計-分析-再設(shè)計”過程），才能得到符合設(shè)計要求的方案。20世紀(jì)60年代，板料成形數(shù)值模擬技術(shù)開始興起。隨著有限元技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，板料成形數(shù)值模擬技術(shù)得到快速發(fā)展，現(xiàn)已成為模具結(jié)構(gòu)設(shè)計研究和沖壓成形工藝研究中最活躍的領(lǐng)域，有效地解決了傳統(tǒng)試錯法耗時長、成本高、對人員經(jīng)驗(yàn)要求高和產(chǎn)品質(zhì)量控制難等問題，為工藝方案設(shè)計、復(fù)雜模具結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝參數(shù)優(yōu)化提供有效的新途徑。[1]

本文利用Dynaform軟件對集裝箱頂板整體拉延成形過程進(jìn)行模擬，分析頂板在整體拉延成形過程中的成形質(zhì)量和厚度變化、應(yīng)力應(yīng)變分布及板材邊緣運(yùn)動變化規(guī)律，優(yōu)化現(xiàn)有頂板整體拉延成形工藝方案，為實(shí)際生產(chǎn)提供借鑒和參考。

3 集裝箱頂板整體拉延成形工藝模擬優(yōu)化

3.1 模擬優(yōu)化方案設(shè)計

3.1.1 確定優(yōu)化目標(biāo)

通過較低的成本投入生產(chǎn)較好質(zhì)量的產(chǎn)品是制造業(yè)追求的主要目標(biāo)，特別是對材料成本占比較大的集裝箱制造企業(yè)來說，更要嚴(yán)格控制材料的使用量，以降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)利潤；因此，本文對集裝箱頂板整體拉延成形的模擬以不增加材料用量為前提，通過優(yōu)化工藝參數(shù)設(shè)置來解決當(dāng)前頂板整體成形工藝存在的問題。

3.1.2 確定模擬優(yōu)化參數(shù)

基于拉延成形技術(shù)的特點(diǎn)，通過對頂板整體拉延成形典型缺陷的分析及各影響因素的比較，確定本次模擬的頂板拉延工藝方案，分析拉延工藝參數(shù)中的凹凸模圓角、拉延筋高度和壓邊力對頂板整體拉延成形性能的影響（見表1）。

3.2 模擬優(yōu)化分析

利用Dynaform軟件模擬頂板整體拉延成形，根據(jù)設(shè)計的工藝方案進(jìn)行相應(yīng)的建模、網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)置、提交運(yùn)算，并通過軟件的后處理功能分析模擬結(jié)果。

3.2.1 凹凸模圓角半徑對頂板整體拉延成形的影響

根據(jù)模擬結(jié)果，增大凹凸模圓角半徑能在一定程度上減少頂板成形后因波身厚度減薄而出現(xiàn)破裂的情況，并能降低應(yīng)力在波身位置上的集中程度。不過，凹凸模圓角半徑增大，容易在頂板成形過程中造成邊部扯料嚴(yán)重，加劇拉延筋處應(yīng)力集中程度，從而使該處出現(xiàn)破裂；此外，凹凸模圓角半徑過大還會造成頂板成形后棱角不明顯。為獲得較好的成形質(zhì)量，凹凸模圓角半徑取較為合適。

3.2.2 拉延筋高度對頂板整體拉延成形的影響

模擬結(jié)果顯示，拉延筋高度過低容易使頂板出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，而增加筋高會抑制邊部板料向中間流動，使得邊部板料對中間板料的補(bǔ)償減少，脹形作用加大，造成波身減薄嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致板料出現(xiàn)開裂或應(yīng)力嚴(yán)重集中的現(xiàn)象。當(dāng)筋高增加到時，拉延筋以外的板料幾乎不走料，故合理的筋高應(yīng)在4～之間，這樣既能減少起皺，又可減少波身減薄量，防止開裂。綜上所述，拉延筋高度取較為合適。

3.2.3 壓邊力對頂板整體拉延成形的影響

根據(jù)模擬結(jié)果，增大壓邊力可以抑制頂板起皺，并且可以提升板厚的均勻性；但增大壓邊力容易造成波身減薄嚴(yán)重，使波身位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，并且不利于長度方向上邊部板料向中間補(bǔ)充。綜合來看，為得到良好的成形質(zhì)量，減少起皺，保證成形后的厚度以免出現(xiàn)破裂，壓邊力取較為合適。

3.3 優(yōu)化工藝方案

通過分析單個工藝參數(shù)對頂板整體拉延成形的影響，獲得集裝箱頂板整體拉延成形優(yōu)化工藝方案（見表2）。依據(jù)此方案進(jìn)行建模，得到頂板的成形極限圖、厚度變化圖、主應(yīng)力分布圖和邊部走料圖。

（1）優(yōu)化后頂板的成形極限 優(yōu)化后頂板的成形極限如圖1所示。頂板的整體成形性能較好，只在寬度方向出現(xiàn)略微的成形性不足，主要因?yàn)樵撎帥]有設(shè)置拉延筋，成形時拉應(yīng)力分布不均勻，板料金屬流動不一致，在實(shí)際生產(chǎn)中可以通過卷料抑制寬度方向的起皺。在長度方向，拉延筋以內(nèi)的板料變形充分且均勻，拉延筋以外的板料在后續(xù)工序被切除，因此，對最終的頂板產(chǎn)品質(zhì)量影響不大。

（2）優(yōu)化后頂板的厚度變化 優(yōu)化后頂板的厚度變化如圖2所示。頂板厚度分布比較均勻，拉延筋以內(nèi)的板料厚度保持在1.94～之間，厚度減薄較明顯的位置仍然是波頭圓角處，最大減薄率為11%，處于板料安全減薄率范圍內(nèi)。

（3）優(yōu)化后頂板的主應(yīng)力分布 優(yōu)化后頂板的主應(yīng)力分布如圖3所示。頂板成形后基本不會出現(xiàn)應(yīng)力集中嚴(yán)重的現(xiàn)象，但在波身局部位置仍然存在輕微的應(yīng)力集中，主要因?yàn)椴ㄉ砦恢孟鄬τ陧敯迤渌恢玫陌辶献冃瘟枯^大，使得拉應(yīng)力比較大且容易集中。

（4）優(yōu)化后頂板的邊部走料 優(yōu)化后頂板的邊部走料如圖4所示。頂板成形后在寬度方向上走料較多，主要因?yàn)閷挾确较蛏现挥袎哼吜叢拷饘倭鲃悠鹱璧K作用，作用效果有限；但在實(shí)際生產(chǎn)中，卷料對寬度方向的走料起到抑制作用，不僅能減少走料量，而且使走料均勻。長度方向上，由于設(shè)置拉延筋，加大了邊部金屬流動的阻力，使得邊部金屬流動速度趨于一致，故長度方向上的邊部走料量較少且均勻。

4 結(jié)束語

本文采用Dynaform數(shù)值模擬仿真軟件對集裝箱頂板拉延成形工藝進(jìn)行模擬，分析主要工藝參數(shù)對頂板整體拉延成形的作用規(guī)律，得到較為合理的工藝參數(shù)組合；從模擬結(jié)果來看，優(yōu)化工藝方案所得到的成形效果較為理想，能改善傳統(tǒng)工藝方案存在的問題。雖然該模型仿真研究對頂板整體成形工藝參數(shù)具有一定優(yōu)化作用，但由于時間的限制，未能充分地細(xì)化模擬仿真的具體條件。在今后的模擬仿真中，需要繼續(xù)優(yōu)化仿真條件，對工藝參數(shù)進(jìn)行細(xì)化模擬分析，以獲得更加準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，更好地掌握各工藝參數(shù)對頂板整體拉延成形的影響規(guī)律，從而有效地解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的質(zhì)量問題，推動頂板整體拉延成形工藝走向成熟。

參考資料：

[1] 張彥敏，張學(xué)賓，龔紅英. 有限元在金屬塑性成形中的應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：60-62.

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2016-03-23）