王躍靜

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

0 引言

隨著汽車技術(shù)的迅速發(fā)展，電子控制單元被廣泛的應(yīng)用于汽車總成模塊。 在汽車許多電子控制單元上都需要罩蓋(ECU cover)。 通常罩蓋是鈑金拉深而成的。有一些助力轉(zhuǎn)向中電子控制單元的罩蓋是形狀特別復(fù)雜的拉深件。參見圖1。

這個(gè)零件的難點(diǎn)有兩個(gè)地方第一各個(gè)部位的圓角相對(duì)產(chǎn)品的拉深高度比較小；第二底部的圓筒拉深的可行性。第二個(gè)問題是本文討論的主要問題。在沒有法蘭或者是窄法蘭甚至是寬法蘭的情況下，本產(chǎn)品拉深可行性沒有任何問題，按照沖壓手冊(cè)介紹的拉深方法是可以完成的。但是本產(chǎn)品展開以后法蘭實(shí)在太大見圖2，以至于不能在相關(guān)的參考書找到行之有效的方法來制定拉深工藝。

決定拉深工藝是否可行通常有幾個(gè)重要因素：幾何形狀，拉深間隙，合模高度，模具表面摩擦力和材料的選擇。最后四個(gè)因素可以在Dynaform中自由的設(shè)置，但是幾何形狀變化萬千。圓筒件拉深初始時(shí)凸模底部首先接觸材料然后帶動(dòng)材料逐漸進(jìn)入凹模，拉深初始凸模圓角最下部位的直徑大大小于凹模圓角最上部的直徑[1]。 它們之間的間隙使得材料在拉深開始時(shí)都是以圓臺(tái)或者類似圓錐的形式進(jìn)入凹模的， 隨著拉深的高度的增加，圓臺(tái)或者類圓錐的斜度逐漸從水平方向變化到靠近豎直方向。 拉深的不同階段的不同形狀都可以用來作為超寬凸緣的初次拉深。

圖1 罩蓋產(chǎn)品圖Fig.1 Cover product

圖2 圓筒法蘭圖Fig.2 Cylinder flange

1 超寬凸緣拉深

根據(jù)沖壓手冊(cè)中定義出無凸緣，窄凸緣，寬凸緣[2]。窄凸緣的凸緣直徑和拉深直徑比值在1.1～1.4之間；窄凸緣的凸緣直徑和拉深直徑比值大于1.4。由于沖壓手冊(cè)中給出的拉深系數(shù)和拉深高度的經(jīng)驗(yàn)值都是在凸緣直徑和拉深直徑比值小于等于3.0條件下的。將凸緣直徑和拉深直徑比值大于3.0的拉深件定義為超寬凸緣拉深件。

2 母線形狀

研究的圓筒拉深是旋轉(zhuǎn)體，可以通過研究母線來簡化過程。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)和拉深過程中的產(chǎn)品形狀，總結(jié)了以下比較適合拉深的六種旋轉(zhuǎn)體形狀作為研究的對(duì)象。見圖3。

第一母線

第二母線

第三母線

第四母線

第五母線

第六母線

圖3 六種母線圖

Fig.3 Six kinds of busbars

根據(jù)沖壓手冊(cè)上講述的拉深凹凸模圓角的關(guān)系[2]：凸模圓角是凹模圓角的0.6～1.0倍。為了盡可能使在首次拉深底部圓角面積大，變薄均勻，所以選取最大系數(shù)1.0得到了凹凸模圓角大小相同；規(guī)定了每個(gè)模型凹模圓角r和最大外徑D取相同的值；要研究模型的優(yōu)劣就要在拉深量基本相同的基礎(chǔ)上做研究，這樣根據(jù)拉深面積相等可以計(jì)算出R或者h(yuǎn)。

3 模型的建立

表1 不同r，D時(shí)h，R的取值Table 1 The values of H and R at different R0 and D levels

當(dāng)毛坯直徑取值200 mm和拉深筒徑為60 mm，材料厚度取值0.5 mm時(shí)可以計(jì)算出凸緣直徑，求得以上18中模型比值在3.10～3.29之間，全部大于超寬凸緣最小值3.0，屬于超寬凸緣。

表1中列出了畫出母線所需要的全部參數(shù)值，在AutoCAD中按照參數(shù)值作出這18個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪妇€及中心線。導(dǎo)入U(xiǎn)G，做出凹凸模和壓料板，最后作出毛坯板料面并且按照實(shí)際的模具動(dòng)作狀態(tài)的初始位置放置。沖壓方向是Z軸的負(fù)方向。

4 Dynaform設(shè)置

選取DC05為拉深材料，使用預(yù)置的材料性能參數(shù)。選用Shell單元，五個(gè)積分點(diǎn)，毛坯最大網(wǎng)格尺寸為5，殼單元；模具的網(wǎng)格最大尺寸為10，最小為0.2，弦高誤差為0.05，角度為8，間隙公差為0.8[3]；摩擦系數(shù)設(shè)定為0.05；閉合和拉深速度設(shè)定為1000 m/s，壓料力經(jīng)過計(jì)算設(shè)定為2000 N；間隙設(shè)定為1.1T+0.02材料下公差(1.1倍的材料厚度+預(yù)計(jì)的材料下公差)。

5 模擬結(jié)果

第一種圓角接半球母線，從圖4可以清楚看出此種母線旋轉(zhuǎn)體在拉深過程中最先接觸材料的頂部變薄率最大，如果除去材料各向異性的影響，材料變薄率從頂部向下逐漸減小。在整個(gè)拉深過程中對(duì)于整個(gè)產(chǎn)品的受到的拉力是持續(xù)的變大。由于越靠近頂部半徑越小，受到拉力越大，所以變薄率越大。第二種圓角接直壁母線，從圖5可以清楚看出此種母線旋轉(zhuǎn)體在拉深過程中最先接觸材料的頂部是平面，所以底部受力均勻。在實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中開裂風(fēng)險(xiǎn)主要集中在底部圓角和直壁結(jié)合部，特別是當(dāng)凸緣以及凸緣相接的上部圓角的材料厚度增加使得材料難以順利流入凹模，拉力會(huì)增大很多使得在底部圓角和直壁結(jié)合部受到更大拉力，這個(gè)拉力的大小決定材料是否破裂。第三種圓角接拔模角度母線，圖6所示母線的拉深狀態(tài)與第二種母線很接近，通過數(shù)值模擬最大變薄率明顯大于第2種母線。 通常拔模角度設(shè)置為3度。

圖4 第一母線數(shù)值模擬圖Fig.4 The first bus numerical simulation value

圖5 第二母線數(shù)值模擬圖Fig.5 The second bus numerical simulation value

圖6 第三母線數(shù)值模擬圖Fig.6 The third bus numerical simulation value

第四種圓角接圓角母線，圖7所示圓角接圓角的母線實(shí)際上是第二種母線拉深過程中的一個(gè)時(shí)刻的形狀。第五種圓角接斜角母線，圖8所示母線實(shí)際上是第二或者三種母線拉深過程中的一個(gè)時(shí)刻的形狀。在這里斜角設(shè)置為30度，如果太大的話整體材料流入量太小，會(huì)導(dǎo)致頂部太尖，應(yīng)力集中。如果太小，比較接近直壁，沒有研究價(jià)值。第六種圓角接圓弧母線，圖9所示圓角接圓弧母線同樣也是圓角接半圓母線拉深過程中的一個(gè)時(shí)刻的形狀。

圖7 第四母線數(shù)值模擬圖Fig.7 The fourth bus numerical simulation value

當(dāng)拉深量是一致時(shí)，在這里材料變薄量是判斷模型優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。由于前三種拉深量是一致，后三種拉深量一致，可以分兩組比較。為了方便研究我們選取凸凹模圓角相同，筒徑和高度不同。根據(jù)表1做出18種母線模型來做試驗(yàn)?zāi)M。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2：

圖8 第五母線數(shù)值模擬圖Fig.8 The fifth bus numerical simulation value

圖9 第六母線數(shù)值模擬圖Fig.9 The sixth busbar numerical simulation value

表2 拉深后材料厚度極值Table 2 The extreme value of material thickness after drawing

表2是上述的18種母線旋轉(zhuǎn)體數(shù)值模擬的厚度變化數(shù)據(jù)，在材料變厚方面數(shù)值很小可以忽略這個(gè)因素，主要看材料變薄量?？梢宰龀霰容^圖10和圖11。

圖10 第一二三母線數(shù)值模擬材料厚度

Fig.10 The first、 second、 and third busbar numerical simulation material thickness

圖11 第四五六母線數(shù)值模擬材料厚度

Fig.11 The fourth, fifth, and sixth busbar numerical simulation material thickness

如圖10所示，在第一組的三種母線三種圓角的實(shí)驗(yàn)中沒有明顯數(shù)據(jù)顯示哪種母線旋轉(zhuǎn)體厚度變化優(yōu)于其它。很明顯第一組實(shí)驗(yàn)的拉深量太大，導(dǎo)致材料破裂太多，但是足以說明不適合超寬凸緣的首次拉深。在圖11第二組實(shí)驗(yàn)中可以明顯看出是第四種類型的母線模型材料變薄量小于其它，是最佳選擇。通過18次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以得出第四種母線的旋轉(zhuǎn)體模型最適合超寬凸緣的首次拉深。

5 總結(jié)

定義了凸緣直徑和拉深直徑比值大于3.0的是超寬凸緣拉深。在第一組實(shí)驗(yàn)中，材料變薄率非常大，開裂風(fēng)險(xiǎn)非常大，所以第一組三種母線模型不適合超寬凸緣首次拉深。在第二組實(shí)驗(yàn)中，第四種母線模型三種不同大小圓角的數(shù)值模擬結(jié)果全部都是材料變薄量最小的。通過對(duì)大小不同圓角的母線旋轉(zhuǎn)體模型共18種，模擬驗(yàn)證找到了最適合第一步超寬凸緣拉深的模型是圓角和圓角相接的母線旋轉(zhuǎn)而成的第四種模型。在罩蓋的實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了后續(xù)拉深的難度。