拉延筋對汽車圍板拉深成形性的影響

文／王洪福·河南神州重型封頭有限公司

嚴冰劍·沈陽理工大學材料科學與工程學院

拉延筋對汽車圍板拉深成形性的影響

文／王洪福·河南神州重型封頭有限公司

嚴冰劍·沈陽理工大學材料科學與工程學院

汽車覆蓋件拉延成形過程中易出現起皺、破裂和拉深不足等缺陷。為了有效控制材料的流動，通常在凹模或壓邊圈上設置拉延筋來提高成形質量。拉延筋的設置是否合理將決定覆蓋件的質量。利用AutoForm軟件模擬某轎車圍板在無/有拉延筋的模具上的成形過程，結果表明，有拉延筋時零件的成形質量明顯提高。通過確定拉延筋參數，提高汽車圍板的成形質量，縮短模具的開發周期。

王洪福，助理工程師，生產技術部技術員，主要從事封頭生產工藝的設計、方案制作及評審，參與公司新產品開發及有限元成形分析。

汽車覆蓋件的空間結構復雜、形狀尺寸較大以及板料厚度相對較小，在沖壓成形過程中，影響板料成形質量的因素有很多，如板料性能、毛坯形狀、模具形狀、壓邊力大小以及拉延筋布置等。為了避免沖壓過程中出現起皺、破裂和拉深不足等缺陷，通常要設置拉延筋來提高板料的成形質量。設置拉延筋的目的是為了：⑴增大材料的流動阻力，使坯料承受足夠的拉脹成形，提高覆蓋件剛度；⑵控制毛坯各部分材料的流動狀況，使各部分變形均勻一致，防止出現“多則皺，少則裂”的現象。拉延筋分為真實拉延筋和等效拉延筋，為了提高模擬的速度，通常采用等效拉延筋來代替真實拉延筋，即將復雜的拉延筋等效為一條附著在凹模或壓邊圈上的線，這條線能承受一定的約束力。

本文主要用有限元軟件AutoForm對汽車圍板進行拉深成形分析，比較有/無拉延筋下零件的成形質量，并確定拉延筋的參數，從而驗證用于汽車覆蓋件沖壓成形的拉延筋對于板料成形質量的有利影響。

拉延筋的作用機理和布置原則

半圓形拉延筋的作用機理如圖1所示。

圖1 拉延筋的工作機理示意圖

拉延筋是位于凹模和壓邊圈表面上的一條或多條凸筋和凹槽。d是拉延筋高度，Rg是凹模圓角半徑，Rb是凸模圓角半徑。當板料流過拉延筋時，在與凸筋和凹槽接觸的1、3、5處會發生彎曲變形，在2、4、6處附近發生反彎曲變形，反復的彎曲和反彎曲變形產生的變形抗力即為拉延筋的變形阻力。同時板料和接觸面的摩擦會產生摩擦阻力。拉延筋的兩種阻力之和即為拉延筋阻力。它是拉延筋控制板材塑性流動的主要原因。

拉延筋的參數包括凹模圓角（初入凹模圓角、退出凹模圓角）、凸模圓角、筋高，這些參數對拉延筋的阻力影響很大，利用AutoForm軟件，分析半圓形拉延筋的阻力值與拉延筋參數之間的關系。如圖2所示。

從圖2可知拉延筋阻力隨著凸、凹模圓角半徑的增大而減小，隨筋高的增大而增大，所以通過改變上述參數可以調整拉延筋阻力大小，從而改變零件的成形質量。拉延筋的布置原則如表1所示。

圖2 拉延筋阻力與拉延筋參數的關系

表1 拉延筋布置原則

模型的建立

圖3為汽車圍板的三維模型。該零件最大長度1421mm，最大寬度608mm，材料為DC04，板料厚度為0.7mm。

圖3 汽車圍板三維模型

利用三維造型軟件對零件模型進行內外工藝補充，這里采用虛擬拉延筋代替真實拉延筋，提高模擬速度。圖4為在AutoForm軟件中的有限元模型。采用單動拉深，選取壓邊力為400kN，摩擦系數為0.25。材料為DC04，材料性能參數見表2。

圖4 有限元模型

表2 DC04材料力學性能

拉延筋設計及仿真結果

拉延筋設計

布置拉延筋要對拉延件形狀、拉延深度及壓料面形狀進行綜合考慮。根據汽車圍板的形狀和壓料面的形狀設計出如圖所示5的拉延筋。

圖5 拉延筋布置

未設置拉延筋時模擬結果

此方案未設置拉延筋，模擬結果如圖6所示。從圖6可知，制件中有大量的拉深不足區，部分區域出現起皺現象，無法滿足制件的設計要求。如果僅增加壓邊力，會造成成本增加，同時部分區域可能出現破裂。

圖6 未設拉延筋的模擬結果

設置拉延筋時模擬結果

根據未設置拉延筋的模擬結果和生產實際，在凹模上設置拉延筋，拉延筋的布置如圖5所示，拉延筋的幾何參數，見表2。模擬結果如圖7所示。從圖7可知，通過設置拉延筋，增大毛坯的流動阻力，使拉深不足區域的塑性變形增大，從而使得拉深不足區域明顯減少，只有一處區域存在少量的拉深不足，修邊線內的制件部分不存在起皺現象，完全符合設計要求。

表2 拉延筋幾何參數

圖7 設拉延筋后的模擬結果

結束語

本文介紹了拉延筋的作用機理，并研究了各拉延筋參數對拉延筋阻力和最小壓邊力的影響。利用Autoform軟件對汽車圍板成形過程進行模擬，分析比較了在有/無拉延筋下制件的成形質量，結果表明拉延筋的布置能顯著提高汽車圍板的成形質量，能消除或減少起皺和拉深不足等缺陷。用等效拉延筋代替真實拉延筋進行模擬能提高模擬的效率，也為建立真實拉延筋提供參考，同時縮短模具的開發時間。