基于不等截面拉延筋的沖壓工藝及回彈控制

摘要:提出了一種面向金屬薄板拉延成形模具的不等截面拉延筋設(shè)計(jì)新工藝，該工藝根據(jù)沖壓件上各部位在成形過(guò)程中所需的拉延阻力不同，在相應(yīng)部位設(shè)置不同形狀截面的拉延筋，從而使得拉延成形過(guò)程各部分材料均得到充分的延展.對(duì)該拉延筋的阻力模型進(jìn)行了分析，以某型號(hào)轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋零件沖壓成形為例，對(duì)不同形狀的拉延筋對(duì)拉延成形質(zhì)量的影響情況進(jìn)行了仿真分析.分析結(jié)果表明，采用不等截面拉延筋沖壓工藝可以有效地控制沖壓件的回彈，提高成形件的質(zhì)量.

關(guān)鍵詞:;沖壓成形;拉延筋;有限元分析;回彈

中圖分類(lèi)號(hào):TG386.32文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

FormingProcessBasedonNonuniformSectionDrawbeadandItsApplicationinSpringbackControl

YANGChunqi1，2，YANGXujing2

(1.ShanghaiSuperiorDieTechnologyCo，Ltd，Shanghai201209，China;2.StateKey

LaboratoryofAdvancedDesignandManufactureforVehicleBody，HunanUniv，Changsha，Hunan410082，China)

Abstract:Thispaperproposedanewnonuniformsectiondrawbeadtechniqueforsheetmetalformingprocess.Togenerateadesirabledrawbeadrestrainingforces，whichenablesophisticatedworkpiecetobedrawnproperly，anewvariablesectiondrawbeadwasdevelopedaccordingtotheformabilityandthespringbackcharacteristicsoftheblank.Thefrictionalresistantforcewassimulatedtoestablishamathematicalmodel.Thismethodwasappliedtotheformationofthehoodpanelofapassengercar.Theexamplehasdemonstratedthatthenewformingprocesscanfullyusetheblankdrawingpropertytosignificantlyimprovethepanelqualitywhilethespringbackofthesheetmetaliscontrolledinamoreeffectiveway.

Keywords:forming;drawbead;FEA(finiteelementanalysis);springback

金屬板料沖壓過(guò)程的回彈現(xiàn)象常導(dǎo)致沖壓成形后的形狀精度難以保證，尺寸精度不穩(wěn)定，對(duì)沖壓件的成形質(zhì)量具有不良影響，是汽車(chē)覆蓋件成形過(guò)程中的主要缺陷之一[1].常用的沖壓成形回彈控制方法大致可以歸結(jié)為2類(lèi):1)制定合理工藝，改變應(yīng)力狀態(tài)，使板料發(fā)生充分塑性變形，抑制回彈變形的發(fā)生;2)利用回彈規(guī)律，通過(guò)修正型面或模具結(jié)構(gòu)來(lái)反向補(bǔ)償回彈量[2].隨著汽車(chē)產(chǎn)品對(duì)覆蓋件成形精度要求的提高以及先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板材料在白車(chē)身沖壓件中應(yīng)用的不斷增加，汽車(chē)覆蓋件的回彈控制顯得越來(lái)越重要.近年來(lái)，研究人員在沖壓回彈控制方面進(jìn)行了大量的研究.KarafillisAP等人[3]在模具回彈補(bǔ)償?shù)臄?shù)值模擬方面做了卓有成效的工作;InamodarM等[4]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于鋁材槽形件的回彈控制研究，降低了加工過(guò)程對(duì)材料參數(shù)和摩擦狀態(tài)的敏感性;李延平等人[5]提出了基于RP/RT/RE技術(shù)的金屬板料沖壓成形回彈誤差補(bǔ)償系統(tǒng);陳靖芯等人[6]基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)車(chē)身板料沖壓成形回彈進(jìn)行了預(yù)測(cè)，很好地預(yù)測(cè)了碰撞盒法蘭邊回彈的大小、回彈的分布和回彈的變化趨勢(shì);孫光勇，龔志輝等人[7-8]提出了拉延筋設(shè)計(jì)時(shí)形狀參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)和基于逆向工程技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)回彈的預(yù)測(cè)和補(bǔ)償.

以上對(duì)回彈的研究多基于模具補(bǔ)償方面進(jìn)行回彈控制，為了盡量避免回彈補(bǔ)償帶來(lái)修改模具型面的困難，對(duì)絕大部分覆蓋件的成形問(wèn)題，常常需要利用沖壓成形過(guò)程中的變形規(guī)律制定合理的沖壓工藝方案，以保證足夠的塑性變形，從而提高板料的成形質(zhì)量.本文從控制板料沖壓成形過(guò)程的材料流動(dòng)狀態(tài)著手，采用一種新型的不等截面拉延筋沖壓新工藝，對(duì)沖壓成形質(zhì)量及回彈進(jìn)行研究.并通過(guò)新型不等截面拉延筋與傳統(tǒng)形狀拉延筋在拉延成形過(guò)程中對(duì)沖壓件成形質(zhì)量影響的仿真對(duì)比研究，驗(yàn)證了不等截面拉延筋在控制沖壓回彈和提高成形質(zhì)量方面的優(yōu)勢(shì).

1拉延筋概述

11拉延筋種類(lèi)及其結(jié)構(gòu)形式

在壓料面上設(shè)置拉延筋是調(diào)節(jié)和控制變形阻力的一種有效和實(shí)用的方法.一般來(lái)說(shuō)，常用的拉延筋橫截面的類(lèi)型有:階梯形、半圓形和矩形.分別如圖1所示.

(a)階梯形橫截面

(b)半圓形橫截面

(c)矩形橫截面

圖1拉延筋截面類(lèi)型

Fig.1Typeofsectionsofdrawbead

階梯形截面拉延筋，又稱(chēng)拉延檻，一般均勻分布在距分模線(xiàn)有一定距離的壓料面上，由于它對(duì)板料流動(dòng)的阻力較大，主要用于難以達(dá)到充分拉延的淺沖壓件的成形模具上.半圓形截面或者矩形截面(也稱(chēng)方筋)拉延筋在布置方式上比拉延檻靈活，能廣泛適用于各種工藝方案.

12不等截面拉延筋以及等效模型的實(shí)現(xiàn)

1.2.1不等截面拉延筋的含義

在覆蓋件的拉延成形中，由于各部分的形狀不同，常導(dǎo)致板料的進(jìn)料速度不一致，因此使用單一截面的拉延筋并不能很好地協(xié)調(diào)成形過(guò)程中各部分的進(jìn)料速度.本研究采用不等截面拉延筋，在不同部位使用不同截面形狀的拉延筋，以保證各部分的成形質(zhì)量.

湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2010年

第4期陽(yáng)春?jiǎn)⒌?基于不等截面拉延筋的沖壓工藝及回彈控制

對(duì)于圖2所示的淺拉延件，A截面附近成形深度較淺，為了使板料產(chǎn)生充分的塑性變形，增加拉延阻力，則采用矩形拉延筋，如圖2(c)所示.B截面進(jìn)料阻力相對(duì)較小，故采用較小截面的矩形拉延筋，如圖2(b).而C截面由于拉深深度較大，采用阻力較小的半圓筋，如圖2(a)所示.在實(shí)際工藝型面設(shè)計(jì)中，還需要根據(jù)零件的具體形狀來(lái)確定壓料面及拉延筋的布置和形狀.

圖2不等截面拉延筋

Fig.2Nonuniformsectiondrawbead

1.2.2等效拉延筋模型

在薄板沖壓成形過(guò)程仿真計(jì)算中，等效拉延筋模型是常用的拉延阻力計(jì)算方式.自1978年Weidemann提出著名的拉延筋阻力模型后，各國(guó)學(xué)者相繼提出了更為完善的拉延筋解析模型，其中應(yīng)用較多的是經(jīng)典的WeidemannC和StoughtonTB模型[9-10]，后者是目前考慮影響因素比較全面、相對(duì)完善的拉延筋阻力解析模型.

如圖3所示為一半圓形拉延筋，板料拉延成形時(shí)在凸筋和凹筋之間的間隙中流動(dòng)依次通過(guò)1~6處，并在這些地方發(fā)生彎曲和反彎曲.

圖3板料通過(guò)拉延筋時(shí)的彎曲和反彎曲過(guò)程

Fig.3Bendingandreversebendingwhen

blankpassesthroughdrawbead

在板料成形的數(shù)值模擬中，采用一定的假設(shè)對(duì)拉延筋進(jìn)行簡(jiǎn)化，根據(jù)能量原理得到拉延筋在拉延過(guò)程中的阻力F的計(jì)算公式為:

F=∑6i=1Fi，

Fi=WK(1+2r)(ti+2Re)2ti1+2r(1+n)(2+n)(3+n)(1+r)2×

{2bi[ai(1+r)-1+2rbiεai][(εai+εmi)3+n-

ε3+nai]-[2ai(1+r)+1+2rbiεmi](2+n)×

(3+n)εmiε1+nai}.

其中:ai=(48R2e-t2i)/48R2e，bi=(4R2e+t2i)/4R2e，f(ε，ε0，m)=(ε/ε0)m，Re=R/sinφ;并且，ti，εi分別為拉延筋等效模型中第i個(gè)點(diǎn)處板料的厚度和應(yīng)變;K為材料的塑性硬化強(qiáng)度;n為材料的塑性硬化指數(shù);r為厚向各向異性系數(shù);W為板料寬度;Re為等效彎曲半徑;R為彎曲處的筋半徑或槽的半徑;φ為彎曲角;εmi與εai分別為第i個(gè)彎曲位置板料的表面等效應(yīng)變及當(dāng)前應(yīng)變;ε為彎曲處的等效應(yīng)變速率;ε0為準(zhǔn)靜態(tài)參考應(yīng)變速率;m為應(yīng)變速率敏感系數(shù).對(duì)于不等截面拉延筋模擬而言，可以在不同截面段處分別賦予不同的等效力，以達(dá)到等效的模擬效果.

2不等截面拉延筋在回彈控制中的應(yīng)用

實(shí)例研究以某車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)蓋零件的拉延成形工藝為例.該零件具有輪廓尺寸大、外形平坦、材料薄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn).這類(lèi)覆蓋件屬于淺拉延件，其成形常常因板料拉延不充分而產(chǎn)生較大的回彈變形.預(yù)防并減小回彈現(xiàn)象是對(duì)這類(lèi)零件成形工藝型面及拉延筋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.

21不等截面拉延筋的設(shè)置

在拉延成形過(guò)程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)蓋零件不同部位形狀不同，材料流動(dòng)情況也不相同.該實(shí)例沖壓仿真中，將沖壓成形中的無(wú)拉延筋、單一截面拉延筋以及不等截面拉延筋3種情況進(jìn)行對(duì)比及分析(圖4為拉延筋的布置方式).由于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋為對(duì)稱(chēng)零件，故取其中的一半進(jìn)行回彈計(jì)算.模型模具的CAE模型如圖5所示.

圖4拉延筋的布置方式

Fig.4Setupofdrawbeadmodel

圖5汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋模具CAE模型

Fig.5CAEmodelofcarhoodmould

拉延筋在3種情況下的結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)見(jiàn)表1.

22分析及結(jié)果

仿真模型采用殼單元，并且使用7個(gè)積分點(diǎn)來(lái)保證回彈精度.成形過(guò)程模擬使用單精度顯式求解器，回彈則使用雙精度隱式求解器.沖壓成形過(guò)程中，板料取大小為1595mm×895mm的低碳鋼板，厚度為1.2mm，材料的彈性模量E=210GPa，泊松比ν=0.3，摩擦因數(shù)fν=0.12，初始屈服應(yīng)力σ0=131MPa，其各向異性系數(shù)分別為r0=2.06，r45=2.1，r90=2.6，材料服從指數(shù)硬化規(guī)則，硬化指數(shù)n=0.22，沖壓速度為5m#8226;s-1，壓邊力為150kN，沖壓行程為170mm.

3種情況下的成形質(zhì)量及回彈分析對(duì)比如下.

1)未加拉延筋的情況.如圖6所示為未加拉延筋時(shí)零件拉延成形對(duì)材料變薄率的仿真結(jié)果.由圖可知，該零件成形后的材料延展很不充分.因而需要設(shè)置拉延筋，提高拉延時(shí)的徑向拉應(yīng)力.

圖6未加拉延筋的仿真結(jié)果

Fig.6Simulationforsectionofnondrawbead

2)采用傳統(tǒng)等截面拉延筋的情況.各部分模型徑向拉延筋阻力參數(shù)相同，拉延筋徑向阻力系數(shù)為0.4，拉延筋抬升力系數(shù)為0.20，截面都為方形.仿真分析結(jié)果如圖7所示，分析可知，零件一些部位拉伸變形嚴(yán)重，局部產(chǎn)生開(kāi)裂.

圖7矩形截面拉延筋的仿真結(jié)果

Fig.7Simulationforuniformsectiondrawbead

3)采用不等截面拉延筋的情況.根據(jù)上面2種情況的金屬流動(dòng)狀態(tài)，在適當(dāng)部位改變拉延筋的形狀和參數(shù)，以期達(dá)到需要的徑向阻力，不等截面拉延筋模型及參數(shù)如圖5及表1所示，仿真分析結(jié)果如圖8所示.從成形極限圖可以看出，零件的有效部位得到充分成形，且各部分材料變薄率較為均勻，成形性有了明顯的改善.

圖8不等截面拉延筋的仿真結(jié)果

Fig.8Simulationfornonuniformsectiondrawbead

當(dāng)采用不同拉延筋布置形式時(shí)，材料的變薄率隨板料位置與拉延筋之間距離變化的曲線(xiàn)如圖9所示.由圖可知，不同形式的拉延筋布置對(duì)成形質(zhì)量有顯著的影響.其中，未加拉延筋的a線(xiàn)板料厚度變化很小，這說(shuō)明了板料拉延不充分，造成了不合格的成形質(zhì)量;圖中c線(xiàn)所示的不等截面拉延筋新工藝的分析過(guò)程，材料厚度的變化較使用等截面拉延筋的b線(xiàn)均勻.這說(shuō)明布置不等截面拉延筋可以更充分地利用材料流動(dòng)的規(guī)律，更有效地增加拉延阻力，使板料拉延更加充分，從而更好地控制回彈現(xiàn)象.

板料與拉延筋距離/mm

圖93種分析情況的板料厚度變化對(duì)比

Fig.9Thinningcomparisonforthethreeaspects

圖10為板料的回彈量隨板料與拉延筋距離變化的曲線(xiàn)圖.由圖可知，未加拉延筋的a線(xiàn)由于成形過(guò)程的拉延不充分，零件表面剛度降低，導(dǎo)致最終的回彈量較大;對(duì)于設(shè)置了拉延筋的另外2種情況，使用不等截面拉延筋的c線(xiàn)比設(shè)置了等截面拉延筋的b線(xiàn)回彈量更小，回彈在板料上的分布更均勻，從而較大地改善了零件的回彈情況.

板料與拉延筋距離/mm

圖103種分析情況的回彈量變化對(duì)比

Fig.10Springbackcomparisonforthethreeaspects

3結(jié)論

本文提出了不等截面拉延筋的沖壓工藝，以汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的沖壓成形為例，利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)不等截面拉延筋沖壓工藝的沖壓成形及回彈現(xiàn)象進(jìn)行了仿真分析.通過(guò)與傳統(tǒng)拉延筋沖壓工藝成形質(zhì)量的對(duì)比分析，驗(yàn)證了新型不等截面拉延筋沖壓工藝能夠更好地利用成形過(guò)程的材料流動(dòng)規(guī)律，使板料的有效區(qū)域發(fā)生足夠的塑性變形，從而可以更有效地克服沖壓成形缺陷、控制沖壓回彈現(xiàn)象，提高沖壓件的成形精度.不等截面拉延筋的采用，為沖壓成形工藝提供了一種新方法.

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