卡車用鋁鎂合金油箱蓋板拉深成形的有限元模擬

劉奎武，邊 巍

(1.江蘇食品藥品職業技術學院， 淮安 223003；2.江蘇財經職業技術學院， 淮安 223003)

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卡車用鋁鎂合金油箱蓋板拉深成形的有限元模擬

劉奎武1，邊 巍2

(1.江蘇食品藥品職業技術學院， 淮安 223003；2.江蘇財經職業技術學院， 淮安 223003)

摘要：以某卡車用AA5754鋁鎂合金油箱蓋板為研究對象，利用DYNAFORM有限元軟件對其拉深成形過程進行有限元模擬，研究了板料厚度、模具間隙及壓邊力對最大減薄率的影響，并進行了試驗驗證。結果表明：油箱蓋板最大減薄率隨著板料厚度及壓邊力的增大而增加，隨著模具間隙的增大而減小；最大減薄率及最大增厚率的模擬值與試驗值的相對誤差分別為7.85%與9.48%，驗證了有限元模擬的準確性；通過有限元模擬,將板料的厚度從3 mm降至2.5 mm。

關鍵詞：油箱蓋板；拉深成形；有限元模擬；板料厚度；最大減薄率

0引言

油箱蓋板是卡車燃油箱的重要組成部分，它是通過拉深成形并拼焊到卡車燃油箱上。油箱蓋板的材料通常為AA5754鋁鎂合金，具有密度小、耐腐蝕等優點，能滿足汽車輕量化的要求。油箱蓋板的拉深成形涉及到材料在復雜應力狀態下的塑性硬化及塑性流動等問題，常因產生起皺及拉裂等成形缺陷而導致產品不合格。在實際生產過程中，單憑實踐經驗難以準確預測板料的沖壓成形性能，導致較難評估模具設計的正確性[1-4]。有限元模擬在設計的早期階段可以對零件及模具設計、工藝設計的可行性進行評價；在試模階段可以進行故障分析以解決實際生產問題；在批量生產階段可以用于零件缺陷的分析以改善產品質量。在油箱蓋板的拉深成形過程中板料的最大減薄率與最大增厚率會對產品的質量以及材料的利用率等產生影響，為了縮短生產周期并降低生產成本，作者利用DYNAFORM有限元軟件模擬了油箱蓋板的拉深成形過程，分析了板料厚度、模具間隙及壓邊力對最大減薄率的影響，并對產品的成形質量進行了預測，從而優化工藝參數。

1有限元模型的建立

1.1　幾何模型

作者以某卡車的油箱蓋板為研究對象，其拉深深度為75 mm，在底部有加強筋。利用UG軟件建立油箱蓋板拉深成形的幾何模型，如圖1所示，將凸模、凹模、壓邊圈及板料的三維造型保存為IGES格式，并導入到DYNAFORM軟件中，然后對油箱蓋板的拉深成形過程進行數值模擬。模擬過程分為兩步：第一步，壓邊圈壓住板料；第二步，板料在模具的作用下進行拉深成形。其中，板料厚度t為2.5 mm，模具間隙為1.1t，壓邊圈的壓下速度為2 000 mm·s-1，壓邊力為80 000 N，凸模的虛擬沖壓速度為5 000 mm·s-1，摩擦因數為0.125。板料設置為彈塑性體，凸模、凹模及壓邊圈設置為剛性體，并采用自適應網格劃分功能對其進行網格劃分。

圖1　油箱蓋板拉深成形幾何模型Fig.1　Geometric model of deep drawing for the oil tank cover plate

1.2　材料參數

在有限元模擬中，取AA5754鋁鎂合金的彈性模量為69 000 MPa，泊松比為0.33，各向異性系數為0.77，硬化指數為0.255，其應力-應變曲線如圖2所示。

圖2　AA5754鋁鎂合金的應力-應變曲線Fig.2　Stress-strain curve of AA5754 aluminium magnesium alloy

2模擬結果與討論

2.1　成形極限圖

由圖3可知，油箱蓋板的成形質量整體處于較安全的區域，但在油箱蓋板底部加強筋部分區域及側壁邊緣的部分區域存在潛在的起皺危險。在實際生產過程中應注意防止該區域的起皺，以免造成產品成形的缺陷。

圖3　模擬得到的油箱蓋板成形極限圖Fig.3　Forming limit diagram of the oil tank cover plate by simulation

2.2　板料厚度對最大減薄率的影響

板料厚度的改變會影響油箱蓋板拉深成形過程中材料的流動。為了研究板料厚度對油箱蓋板最大減薄率的影響，將板料厚度分別設置為1.5，2，2.5，3 mm，在其它參數保持不變的情況下進行板料拉深成形的模擬。

從圖4可以看出，油箱蓋板最大減薄率隨著板料厚度的增加逐漸增大。對于油箱蓋板件而言，當材料及拉深模具確定之后，隨著板料厚度增加，板料拉深到相同變形程度所需的拉深力隨之增加，所產生的變形也隨之增加，因而成形后的減薄率也增大。由圖4還可發現，板料厚度與最大減薄率之間為非線性關系，利用Origin軟件擬合出兩者之間的函數關系，見式(1)。

(1)

式中：y為油箱蓋板最大減薄率；t為板料厚度。

圖4　板料厚度與油箱蓋板最大減薄率的關系曲線Fig.4　Curves of blank thickness versus the maximumthinning rate of the oil tank cover plate

2.3　模具間隙對最大減薄率的影響

模具間隙對油箱蓋板的成形質量具有顯著影響，若間隙過大，零件容易出現起皺現象；間隙過小，板料容易拉裂，并會加劇模具的磨損。選取板料厚度t為2.5 mm,模具間隙分別為1.1t，1.3t，1.5t，1.7t，在其它參數保持不變的情況下進行拉深成形的數值模擬。由圖5可知，油箱蓋板最大減薄率隨著模具間隙的增加而逐漸減小。增大模具間隙不僅會減小油箱蓋板成形過程中的摩擦力，還會有利于材料的流動，因而材料的最大減薄率隨模具間隙的增加呈現上述變化趨勢。利用Origin軟件對模擬數據進行線性擬合，得到了油箱蓋板最大減薄率與模具間隙之間的函數表達式，見式(2)。

(2)

式中：y為油箱蓋板最大減薄率；c為模具間隙。

圖5　模具間隙與油箱蓋板最大減薄率之間的關系曲線Fig.5　Curves of die clearance versus the maximum thinningrate of the oil tank cover plate

2.4　壓邊力對最大減薄率的影響

壓邊力通過壓邊圈作用于壓料面而帶動板料完成拉深成形，它會影響材料的流動性以及應力應變的分布，合理的壓邊力要保證板料成形后不出現起皺及拉裂現象。選取壓邊力分別為50 000，60 000，70 000，80 000 N，在其它參數保持不變的情況下進行板料拉深成形的數值模擬。

從圖6可以看出，油箱蓋板最大減薄率隨著壓邊力的增加而逐漸增大。在拉深成形模具的作用下，板料的拉深成形極限隨著壓邊力的增加而增大，從而使得材料流入變形區，導致材料的最大減薄率增加。由圖6還可以看出，壓邊力與油箱蓋板最大減薄率之間近似為線性關系，經線性擬合得出兩者的函數表達式，見式(3)。

圖6　壓邊力與油箱蓋板最大減薄率之間的關系曲線Fig.6　Curves of blank holder force versus the maximumthinning rate of the oil tank cover plate

(3)

式中：y為油箱蓋板最大減薄率；n為壓邊力。

3試驗驗證

有限元模擬得到的油箱蓋板如圖7(a)所示，拉深成形后，油箱蓋板最大減薄率及最大增厚率分別為9.51%與13.17%。

為了驗證有限元模擬的有效性，采用YL120/280-WG型數控液壓雙動拉伸機進行了拉深成形試驗，板料厚度為2.5 mm，壓邊力為80 000 N，模具間隙為2.75 mm。由圖7(b)可見，試驗得到的油箱蓋板沒有出現成形質量缺陷。利用激光切割法對油箱蓋板進行切割并測其不同部位的厚度，得到油箱蓋板的最大減薄率出現在底部的四個拐角(A)處，為10.32%；最大增厚率在上端邊緣的四個拐角(B)處，為14.55%。最大減薄率及最大增厚率的模擬值與試驗值的相對誤差分別為7.85%與9.48%，試驗結果與模擬結果比較吻合。

根據實踐經驗，產品最大減薄率不超過20%及最大增厚率不超過15%是安全可行的。通過有限元模擬,某廠所用的板料厚度從現行工藝的3 mm降至2.5 mm，所生產的油箱蓋板不僅滿足強度要求，而且使單個卡車油箱節省材料0.76 kg。

4結論

(1) 油箱蓋板拉深成形后其最大減薄率隨著板料厚度及壓邊力的增加而逐漸增大，隨著模具間隙的增加而逐漸減小。

(2) 油箱蓋板最大減薄率及最大增厚率的模擬值分別為9.51%與13.17%，試驗值分別為10.32%與14.55%，模擬值與試驗值的誤差分別為7.85%與9.48%，說明AA5754鋁鎂合金拉深成形的有限元模擬較準確。

(3) 利用油箱蓋板拉深成形的有限元模擬分析，使板料厚度從3 mm降至2.5 mm，每個油箱節省材料0.76 kg。

參考文獻：

[1]張璐,李言,楊明順，等.高速冷滾打成形過程的有限元數值模擬[J].機械工程材料, 2012,36(8):86-88.

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[3]喻祖建,李鋼,李建輝.鎂合金拉深成形模具結構研究[J].熱加工工藝, 2010(3):122-124.

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Finite Element Modeling on Deep Drawing for Truck Oil Tank Cover Plate

of Aluminum Magnesium Alloy

LIU Kui-wu1, BIAN Wei2

(1.Jiangsu Food & Pharmaceutical Science College, Huai′an 223003,China;

2.Jiangsu Polytechnic of Finance & Economics, Huai′an 223003, China)

Abstract:With the oil tank cover plate of truck made from AA5754 aluminum magnesium alloy as research object, the deep drawing process of this oil tank cover plate was simulated by DYNAFORM software, and the effects of blank thickness, die clearance and blank holder force on the maximum thinning rate was studied. The simulated results were verified by experimental results. The results show that the maximum thinning rate increased with the increase of the blank thickness and blank holder force, while decreased with the increase of the die clearance. The relative error between simulated and experimental value of maximum thinning rate and maximum thickening rate was 7.85% and 9.48% respectively, verifying the accuracy of the numerical simulation. Additionally, the blank thickness was decreased from 3 mm to 2.5 mm by the finite element simulation.

Key words:oil tank cover plate; deep drawing; finite element modeling; blank thickness; maximum thinning rate

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51574107)；河北省自然科學基金資助項目(E2014209191)；河北省教育廳科研項目(YQ2013003)；唐山市科學技術研究項目(14130228B)

通訊作者：楊杰教授 魏英立副教授

作者簡介：雷澤紅(1973-)，女，湖北武漢人，高級工程師，學士。 陳連生(1968-)，男，河北唐山人，教授，博士。

收稿日期:2014-10-21； 2015-04-10；

修訂日期:2015-09-21 2015-08-25

DOI:10.11973/jxgccl201512024 10.11973/jxgccl201512023

中圖分類號：TG386

文獻標志碼：A

文章編號：1000-3738(2015)12-0095-03