鄭勇福 王俊元 王嘉鶴 王 博 宋衛(wèi)光 張 洋 張雪峰

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司工程技術(shù)中心，130062，長(zhǎng)春//第一作者，正高級(jí)工程師)

SUS301L系列不銹鋼板具有優(yōu)良的耐腐蝕性、延展性、抗疲勞能力以及全生命周期成本低等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外地鐵車輛車體鋼結(jié)構(gòu)中[1]。本文的研究對(duì)象是某型號(hào)地鐵車輛不銹鋼車體側(cè)墻內(nèi)板，該部件使用在側(cè)墻內(nèi)部，對(duì)側(cè)墻板進(jìn)行剛性補(bǔ)強(qiáng)，以提高無(wú)涂裝不銹鋼車體側(cè)墻的平面度。側(cè)墻內(nèi)板使用的材料為厚0.8 mm的SUS301L-DLT不銹鋼板。該零件板薄、拉延深度大且長(zhǎng)寬比較大，拉延成形后局部材料易于流動(dòng)部位過(guò)度減薄甚至開裂，難于流動(dòng)的部位易拉延不足[2]。材料的過(guò)度減薄降低了側(cè)墻內(nèi)板的抗沖擊性能，甚至拉裂報(bào)廢；拉延不足致使回彈量加大，對(duì)輪廓精度的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

因此，在不銹鋼側(cè)墻內(nèi)板成形工藝分析過(guò)程中和模具設(shè)計(jì)前,有必要通過(guò)模擬仿真方法對(duì)零件成形中出現(xiàn)的拉裂風(fēng)險(xiǎn)和拉延不足等問(wèn)題開展研究，分析結(jié)構(gòu)形狀尺寸和工藝參數(shù)對(duì)其成形性的影響，得出產(chǎn)生缺陷的原因和解決方案，獲得最佳成形參數(shù)，從而優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)。

1 不銹鋼地鐵車輛側(cè)墻內(nèi)板制定成形方案

不銹鋼地鐵車輛側(cè)墻內(nèi)板零件是帶凸緣拉延脹形復(fù)合成形件，其三維模型如圖1所示。該零件內(nèi)部包含3個(gè)大凹坑，凸緣半徑為15 mm。實(shí)際拉延成形中，凹坑位置材料流動(dòng)劇烈，易于過(guò)度減薄甚至開裂。如圖2所示，該零件長(zhǎng)寬比近2.5…1，拉延成形時(shí)材料流動(dòng)極不均勻，因此易出現(xiàn)成形缺陷。

圖1 不銹鋼地鐵車輛側(cè)墻內(nèi)板三維模型

圖2 內(nèi)板零件幾何尺寸

針對(duì)該零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝性能，制定了拉延、修邊、壓周邊臺(tái)階和手工整形等4工序的工藝方案。本文對(duì)該零件拉延成形工序進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，解決了拉裂風(fēng)險(xiǎn)和拉延不足產(chǎn)生的缺陷問(wèn)題。研究中使用的軟件為通用有限元分析軟件Autoform。

2 車輛側(cè)墻內(nèi)板有限元仿真模型

有限元前處理是一個(gè)關(guān)聯(lián)性的系統(tǒng)工程，在保證符合基本理論原則的情況下，許多要素要依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合模擬結(jié)果不斷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置。

將圖3所示的實(shí)際產(chǎn)品模型導(dǎo)入Autoform中，沖壓中心選取重力中心，沖壓方向選取平均法向；本著使零件各部分流料盡量均勻一致的原則，繞坐標(biāo)軸進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)微調(diào)沖壓方向至需要的角度。

圖3 內(nèi)板拉延模面構(gòu)成

矩形毛坯料尺寸的設(shè)定要保證拉延結(jié)束后收料邊線距離拉延筋外圍5 mm以上，故設(shè)置坯料尺寸為782 mm×415 mm。選取零件上表面，沿其凸緣曲率方向進(jìn)行延伸，并連同凸緣一同作為工藝補(bǔ)充壓料面。在Catia中創(chuàng)建模面，模面邊緣較料片線外延20 mm，最終模面如圖3所示。在Autoform過(guò)程控制器工具體選項(xiàng)中通過(guò)拾取模面完成上模、下模以及壓邊圈的創(chuàng)建，并設(shè)定各工具體的相對(duì)位置，如圖4所示。

圖4 內(nèi)板拉延成形有限元模型

本文所研究的模型采用四邊形網(wǎng)格;由于側(cè)墻內(nèi)板零件有小圓角存在，故模型網(wǎng)格設(shè)置0.05 mm的容錯(cuò)公差和10 mm的最大邊長(zhǎng)。針對(duì)模型網(wǎng)格，設(shè)定了較高的精度值：半徑穿透值為0.22 mm，最大單元角度為22.5°，最大細(xì)化級(jí)別為6。

SUS301L-DLT板材力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)為：抗拉強(qiáng)度σb為 50 MPa，屈服強(qiáng)度σs為 450 MPa，延伸率ψ為44%，硬化指數(shù)n為0.372，各項(xiàng)異性平均系數(shù)rm為0.95。硬化曲線采用Swift/Hockett-sherby模型，屈服曲線采用Hill模型，成形極限曲線采用表格輸入模式。將測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Autoform中，生成.mtb格式的材料模型文件用于后續(xù)模擬。

3 車輛側(cè)墻內(nèi)板零件成形缺陷分析及控制

3.1 調(diào)整潤(rùn)滑方案改善成形

在拉延成形中，一般采用潤(rùn)滑劑來(lái)降低零件和模具間的摩擦因數(shù)，用以改善板材的成形阻力。Autoform軟件默認(rèn)狀態(tài)下采用0.15的摩擦因數(shù)，在摩擦因數(shù)為0.15的情況下，對(duì)數(shù)次調(diào)整拉延筋系數(shù)和壓邊力進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)拉裂和拉延不足缺陷難以同時(shí)控制。在摩擦因數(shù)為0.15、模具單邊間隙為1.05 mm 的條件下，若干不同拉延筋系數(shù)和不同壓邊力組合下的零件成形極限圖如圖5所示。

圖5中出現(xiàn)的拉延不足和拉裂缺陷(A點(diǎn)和B點(diǎn)處)，很難同時(shí)去協(xié)調(diào)控制，這是由于拉延時(shí)材料流動(dòng)不均勻?qū)е碌?。其原因有兩點(diǎn)：一是零件長(zhǎng)寬比過(guò)大，平面局部和內(nèi)部凹坑局部變形差異明顯；二是 0.15 的摩擦因數(shù)對(duì)于該零件的成形而言數(shù)值過(guò)大，極大地抑制了材料流動(dòng)的均勻性。

圖5 不同拉延筋系數(shù)和壓邊力組合下零件的成形極限圖

為避免工件拉裂缺陷，在不變更側(cè)墻內(nèi)板結(jié)構(gòu)的前提下，只有從改善摩擦因數(shù)入手。因此本文考慮改變潤(rùn)滑方式，引入聚氟乙烯薄膜作為潤(rùn)滑介質(zhì)墊置于不銹鋼板料與模具凸凹模、壓料板之間，來(lái)降低拉延成形時(shí)的摩擦因數(shù)[3-6]。據(jù)文獻(xiàn)介紹,聚氟乙烯薄膜作為潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)可使其摩擦因數(shù)只有原來(lái)的1/5。此外，聚氟乙烯薄膜所具備的潤(rùn)滑介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)還免去了拉延后的零件清洗工序。

圖6為在拉延筋系數(shù)為0.35、壓邊力為300 kN、模具間隙為1.05 mm 的條件下，應(yīng)用聚氟乙烯薄膜潤(rùn)滑成形的極限圖。

從圖6中可以看出，在應(yīng)用聚氟乙烯薄膜進(jìn)行拉延的情況下，零件成形后拉裂缺陷消除，且拉伸不足現(xiàn)象也得到顯著改善。因此,可以初步得出結(jié)論，應(yīng)用聚氟乙烯薄膜進(jìn)行拉延生產(chǎn)，可以改善潤(rùn)滑條件，促進(jìn)流料的均勻性，對(duì)該零件的成形性能產(chǎn)生有利影響。

圖6 應(yīng)用聚氟乙烯薄膜潤(rùn)滑后的零件成形極限圖

3.2 正交試驗(yàn)協(xié)調(diào)控制缺陷

摩擦問(wèn)題解決后，該零件的成形性還要受到拉延筋系數(shù)A、壓邊力B及模具間隙C等因素的交互制約[7]，因此需要從整體上考慮零件的成形性，尋求這些模具和工藝參數(shù)的良好配合。正交試驗(yàn)是研究多因素、多水平，效率高且經(jīng)濟(jì)的一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。本文采用正交試驗(yàn)法，以期獲得適合的模具和工藝參數(shù)組合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)側(cè)墻內(nèi)板成形的良好控制[8]。

本文根據(jù)已有的模擬研究成果，選取聚氟乙烯薄膜作為潤(rùn)滑介質(zhì)。考慮到零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、板薄、模具制造精度等因素，適當(dāng)加大模具間隙，以進(jìn)行大間隙拉延成形。針對(duì)零件內(nèi)部劇烈變形的矩形區(qū)域，選取是否出現(xiàn)破裂風(fēng)險(xiǎn)以及拉延不足的程度為評(píng)判參數(shù)。3因素4水平的正交試驗(yàn)分配情況如表1所示。正交試驗(yàn)表L16(34)如表2所示。

表1 正交試驗(yàn)各影響因素的水平分布

表2 正交試驗(yàn)表

基于表2進(jìn)行工件拉延成形仿真，其結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，第10組參數(shù)組合下的模擬結(jié)果中，工件成形后無(wú)破裂風(fēng)險(xiǎn)，拉延不足情況也較為輕微。因此，第10組的參數(shù)組合滿足要求，即在聚氟乙烯薄膜包繞毛坯板的條件下，拉延筋系數(shù)為0.35，壓邊力為300 kN，單邊模具間隙為1.20 mm。該參數(shù)組合下，拉延結(jié)束后的零件成形極限圖如圖7 a)所示，拉延到距板底3 mm時(shí)的成形極限圖如圖7 b)所示。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

從圖7 a)中可以看出，模面中部劇烈變形的矩形區(qū)域并未出現(xiàn)破裂風(fēng)險(xiǎn)；拉延不足區(qū)域和受壓區(qū)域不是很多，大部分處于安全狀態(tài)。Autoform軟件中，在拉延結(jié)束后的成形極限圖里，對(duì)于拉延結(jié)束后的一切缺陷均采取壓平狀態(tài)顯示。因此，在拉延結(jié)束后的成形極限圖中，起皺情況并不能有效顯現(xiàn)。本文采取拉延到距板底3 mm時(shí)的成形極限圖來(lái)評(píng)估起皺，如果有起皺情況出現(xiàn)，則在圖中將會(huì)顯示起皺波紋。從圖7 b)中拉延到距板底前3 mm的成形極限圖中可以看出，板料面并未有波紋產(chǎn)生，全部呈平滑狀態(tài)，因此可以預(yù)測(cè)優(yōu)化組合參數(shù)設(shè)置為A3-B2-C4的條件下，該零件并未產(chǎn)生起皺缺陷。

圖7 優(yōu)化組合A3B2C4參數(shù)設(shè)置下的零件成形極限圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)模擬優(yōu)化結(jié)果參數(shù)設(shè)計(jì)制造了拉延模具，并進(jìn)行了成形試驗(yàn)。模具和潤(rùn)滑方式如圖8所示。拉延后的試驗(yàn)件如圖9所示。由圖9可以看出，在工件有效區(qū)域范圍內(nèi)，并未出現(xiàn)拉裂和起皺缺陷。表明本文提出的使用聚氟乙烯薄膜作為潤(rùn)滑介質(zhì)進(jìn)行側(cè)墻內(nèi)板拉延成形措施的有效性，以及由正交試驗(yàn)所得到優(yōu)化組合參數(shù)設(shè)置的合理性。

圖8 零件成形試驗(yàn)

圖9 零件成形試驗(yàn)

5 結(jié)論

針對(duì)0.8 mm厚SUS301L-DLT不銹鋼材料的側(cè)墻內(nèi)板在拉延過(guò)程中易于出現(xiàn)破裂缺陷和拉延不足的現(xiàn)象，以及多個(gè)參數(shù)間存在交互制約的問(wèn)題，采取的措施如下：

1) 在拉延成形過(guò)程中加強(qiáng)潤(rùn)滑。在不銹鋼板與凸凹模、壓邊圈間布置聚氟乙烯薄膜進(jìn)行潤(rùn)滑，能顯著改善潤(rùn)滑條件，增加拉延過(guò)程中板材流料的均勻性，極大地協(xié)調(diào)改善了拉裂和拉延不足缺陷。另外，使用聚氟乙烯薄膜進(jìn)行潤(rùn)滑省去了其他潤(rùn)滑方法導(dǎo)致的零件表面的除油清理工序，使得零件表面干凈無(wú)污染。

2) 通過(guò)拉延成形模擬仿真和正交試驗(yàn)方法，得到了優(yōu)化組合A3-B2-C4的參數(shù)設(shè)置，進(jìn)一步協(xié)調(diào)控制了側(cè)墻內(nèi)板的成形質(zhì)量。具體參數(shù)設(shè)置為拉延筋系數(shù)為0.35,壓邊力為300 kN,單邊模具間隙為1.20 mm。

3) 通過(guò)優(yōu)化組合的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)制造了模具，使用聚氟乙烯薄膜潤(rùn)滑壓出了合格試驗(yàn)件，驗(yàn)證了模擬仿真結(jié)果的有效性。