陳劍， 戴南山， 陳小龍， 劉博， 蔣超

（1.湖南大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院，長沙410000；2.株洲中車特種裝備科技有限公司，湖南 株洲412000）

0 引 言

在我國，汽車制造業(yè)十分龐大，而汽車車身在汽車制造和產(chǎn)品開發(fā)中占有舉足輕重的地位，因此車身制造工藝及相關(guān)的沖壓成型理論與模具技術(shù)也越來越受到人們的重視。在汽車鈑金類零部件的制造中，主要的加工工藝是沖壓工藝，由于汽車鈑金類零件厚度不大，表面形狀比較復(fù)雜，采用沖壓加工方便成型，易于制造出符合要求的產(chǎn)品。

汽車下加強件前橫梁是一種復(fù)雜彎曲梁類鈑金零件，該零件需經(jīng)拉延成型后再進行整體彎曲，此時剛度大，還易引起已成型部分的變形缺陷，因此需要對沖壓過程進行合理的有限元分析和工藝優(yōu)化[1]。

1 沖壓工藝分析

汽車下加強件前橫梁是一種復(fù)雜彎曲梁類鈑金零件，是汽車的強化保護結(jié)構(gòu)，由于其特殊的用途導(dǎo)致其形狀復(fù)雜且尺寸較大，在加工這類零件時難度較大，對工藝要求較高，是一種典型的汽車復(fù)雜鈑金類零件。圖1為汽車下加強件前橫梁的三維模型，料厚2 mm。該汽車下加強件前橫梁在結(jié)構(gòu)上具有以下特點：1）其零件的尺寸比較大（1150 mm×200 mm），前后近似對稱；2）零件的整體彎曲程度比較大，且拉延程度很大；3)汽車下加強件前橫梁的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件在結(jié)構(gòu)上存在若干的臺階、凸臺、凹槽，在零件的底部還存在一些平?jīng)_孔。

圖1 汽車下加強件前橫梁的產(chǎn)品數(shù)模

如圖1所示，1區(qū)的拉延深度很大，且彎曲角度大，板料在拉延力的作用下，會產(chǎn)生很大的塑性變形[2]。此情況容易導(dǎo)致上部起皺, 底部圓角容易因為得不到材料補充而變薄，而變薄尤其需要注意，當(dāng)出現(xiàn)底部圓角處承受的拉應(yīng)力超出了該種材料所能承受的強度極限的情況時，則會產(chǎn)生拉裂，也可能導(dǎo)致零件在此處因厚度過薄而達不到零件要求從而報廢[3]。

在對汽車下加強件前橫梁零件進行分析后，得到了該零件的工藝方案，并考慮將沖孔工序與翻邊工序合為一道工序采用沖孔翻邊復(fù)合模以進行加工后，汽車下加強件前橫梁零件的工藝方案為：OP10拉延成形→OP20修邊→OP30整形→OP40沖孔翻邊[4]。

2 拉延成型模具

完成汽車下加強件前橫梁的整個加工, 需要進行拉延、修邊、整形、沖孔翻邊工序，需要設(shè)計相應(yīng)的拉延模、修邊模、整形模、沖孔翻邊模，針對沖壓工藝中的拉延成型復(fù)合模具進行研究。與一般模具相比，汽車下加強件前橫梁模具有其自身的一些特點，其外形尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件多，在設(shè)計模具時需要考慮汽車下加強件前橫梁的材料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點和特殊加工區(qū)域等各種因素。以下對汽車下加強件前橫梁沖壓成型工藝所用到的拉延成型模進行研究。

1）凸模、凸模鑲塊、上模座。在對汽車下加強件前橫梁零件進行拉延時，凸模與凹模貼合，將板料拉延出汽車下加強件前橫梁零件的大致形狀?？紤]到拉延間隙和長度尺寸，使凸模套盡量貼近型面，以避免在進行拉延時造成零件缺陷，影響拉延質(zhì)量。零件由凸凹模貼合而成，故根據(jù)零件的幾何形狀可以確定凸模的形狀，如圖2所示。

圖2 凸模組件

2）壓邊圈。在零件加工過程中，如果毛坯件的邊緣不能使其被壓邊力壓緊在模具上，則容易導(dǎo)致零件在加工過程中產(chǎn)生起皺的現(xiàn)象，這是工件的邊緣不穩(wěn)定所導(dǎo)致的。所以，當(dāng)設(shè)計加工工件的模具時就需要考慮毛坯件的壓邊問題。汽車下加強件前橫梁零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其拉延的深度大，因此拉延時板料的材料流動程度大。模具壓邊圈的作用是讓板料在拉延成型時材料流動穩(wěn)定，將板料壓在凹模的加工面上，以避免板料在縱向拉延力的作用下導(dǎo)致材料流動不穩(wěn)定，避免最后出現(xiàn)褶皺的情況，其外形如圖3所示。

圖3 壓邊圈

3）凹模、凹模鑲塊、下模座（外形見圖4）。凹模是汽車下加強件前橫梁零件沖壓加工的主要部件。在設(shè)計模具時將凸模、凹模加工成工件需要的形狀，在拉延模具的壓力機上需要加工的板材經(jīng)過凸模的沖壓壓進凹模的型孔里，出現(xiàn)漏下去或從凹模里頂出來的兩種可能。在對汽車下加強件前橫梁零件進行拉延時，凸模與凹模貼合，將板料拉延出汽車下加強件前橫梁零件的大致形狀。故根據(jù)零件的幾何形狀可以確定凸模的三維模型?？紤]到拉延間隙和長度尺寸，應(yīng)使凸模套盡量貼近型面，以避免在進行拉延時造成零件缺陷，從而影響拉延質(zhì)量。

圖4 凹模組件

3 拉延力、壓邊力的計算

毛坯的材料為BUSD-FB；厚度t=1.2 mm；板料尺寸為500 mm×165 mm；壓邊圈下毛坯面積為82 500 mm2；拉深件中徑約為846 mm。

1）拉延力。沖壓力主要由兩個部分組成：拉延力和壓邊力。拉延力是拉延模具設(shè)計和壓力機選擇的前提，因此模具設(shè)計之前需對所需拉延力進行計算。汽車下加強件前橫梁是一種復(fù)雜形狀的沖壓件，在實際生產(chǎn)中，其拉延模具的拉延力計算公式[5]為

式中：FL為拉延力，N；t為材料厚度，mm；σb為材料抗拉強度，MPa；L為凸模周邊長度，mm。

BUSD-FB材料的抗拉強度σb=35 MPa，t=1.2 mm。拉延系數(shù)：m1=d1/D=0.58。查表得：K1=0.91。故得拉延力：P=LtσbK1=π(846-1.2)×1.2×350×0.91=114365.48 N。

2）壓邊力。任何形狀零件拉延時的壓邊力計算公式[5]為

式中：s為壓邊面下毛坯面積；q為單位壓邊力。

毛坯的材料為BUSD-FB，查表得：單動壓力機上拉延的單位壓邊力q為2.8～3.5，取最大值3.5。故Q=1150×25×3.5=100625 N?？偫恿總=FL+Q=114365.48+100625=214990.48 N 。

4 計算機模擬與優(yōu)化

汽車下加強件前橫梁沖壓工藝在拉延成型時主要考慮的問題是：1）在拉延成形中材料的流動容易導(dǎo)致有些地方因材料不夠而出現(xiàn)嚴重的變薄或更嚴重的破裂；2）在拉延成型過程中一部分板料因拉延作用發(fā)生起皺現(xiàn)象。因此需要采用計算機模擬仿真，分析仿真結(jié)果，對板料的形狀、汽車下加強件前橫梁的結(jié)構(gòu)和板料的材料進行調(diào)整，以逐步優(yōu)化來避免這些問題的發(fā)生。

在進行拉延工藝設(shè)計時，采用的有限元模擬軟件是Dynaform，在它的前處理器上能夠?qū)崿F(xiàn)工件仿真模型的生成及輸入文件的前期準(zhǔn)備工作。Dynaform 軟件是以有限元方法建立為基礎(chǔ)，它被廣泛應(yīng)用于模擬鈑金成型拉延工藝。

導(dǎo)入零件的CATIA三維模型，劃分網(wǎng)格，圖5、圖6、圖7分別為凹模、壓邊圈、凸模網(wǎng)格劃分后的圖形[6]。定義毛坯板料的材料為BUSD-36，厚度為1.2 mm。汽車下加強件前橫梁在拉延模擬時采用的是接觸偏置，在凸模、凹模及壓邊圈之間的間隙是1.1 mm和料厚。用一條可以調(diào)節(jié)承受約束力的線作為拉延筋線代替拉延筋的效果，起到等效的作用，建立拉延筋的模型。設(shè)定工序參數(shù)，模擬加工過程，提交運算。

圖5 凹模劃分網(wǎng)格

圖6 壓邊圈網(wǎng)格劃分

圖7 凸模網(wǎng)格劃分

分析處理仿真結(jié)果：在定義壓料力時，令壓邊力F=500 000 N時，經(jīng)模擬仿真后得到其對應(yīng)的成型極限圖（如圖8）、薄厚分布圖(如圖9)及最大主應(yīng)力分布圖（如圖10）、最小主應(yīng)力分布圖（如圖11）和材料流動圖（如圖12）[7]。

由成型極限圖可以看出，圖中在突起邊緣的紅色部分是可能破裂部分，且面積較大，由薄厚分布圖可以看出，圓圈處的厚度已經(jīng)為0.2 mm，也就是說已經(jīng)破裂，由對應(yīng)的最大及最小主應(yīng)力圖可以看出，在圓圈處的應(yīng)力集中，故此處為沖壓危險區(qū)域，需要通過調(diào)整材料流動阻力進行優(yōu)化。

通過上述圖形分析可以看出，板料右邊材料未發(fā)生良好的拉延成型，褶皺明顯。故適當(dāng)增加右邊材料面積，從而增大壓料面面積，增大流動阻力，改善材料流動性。對于破裂的區(qū)域，通過減小中間上下兩側(cè)板料的面積以達到減小壓料面面積，減少材料流動阻力，從而改善破裂情況。結(jié)合材料流動圖，通過多次修改調(diào)整沖壓板料局部形狀并重復(fù)進行模擬，最終得到最優(yōu)板料形狀。將壓料力定義為F=400 000 N，再進行模擬仿真，得到最優(yōu)成型極限（FLD）圖（如圖13）、薄厚分布圖（如圖14）及主應(yīng)力分布圖（如圖15）。

圖8 成型極限圖

圖9 薄厚分布圖

圖10 最大主應(yīng)力分布圖

圖12 材料流動圖

圖11 最小主應(yīng)力分布圖

根據(jù)模擬仿真所得到的成型極限（FLD）圖、薄厚分布圖及最小應(yīng)力分布圖，可以發(fā)現(xiàn)此時材料整體沒有厚度變化特別大的區(qū)域，大部分的材料厚度在0.791～0.968 mm之間。一般認為，在對金屬板料進行沖壓加工后其厚度減薄不能夠超過加工前厚度的15%，而其增厚部分的最大增厚不能夠超過其加工前厚度的30%[8]。此次計算機模擬結(jié)果符合上述規(guī)定，故實驗符合沖壓要求,因此該次拉延順利。

圖13 成型極限（FLD）圖

圖14 薄厚分布圖

圖15 主應(yīng)力分布圖

5 結(jié) 論

本文針對汽車下加強件前橫梁的結(jié)構(gòu)特點，研究了汽車下加強件前橫梁的拉延工藝，并進行拉延過程的拉延力和所需壓邊力的計算，利用Dynaform軟件對汽車下加強件前橫梁的拉延成型過程進行了計算機模擬，通過改變沖壓板料局部形狀面積來調(diào)節(jié)局部材料流動阻力，并進行多次模擬，根據(jù)模擬仿真所得到的成型極限（FLD）圖、薄厚分布圖及最小應(yīng)力分布圖，得到汽車下加強件前橫梁沖壓工藝的最優(yōu)沖壓板料，使汽車下加強件前橫梁在沖壓過程中出現(xiàn)拉裂的情況大大減少。

該研究大大減少了加工拉裂問題，提高了加工效率、降低了加工成本，且實驗成本低、實驗時間短、節(jié)約材料，有利于環(huán)境和社會可持續(xù)發(fā)展。