汽車后壁板拉深成形工藝分析及數值模擬

趙　峰，柳亞輸，丁　華

（泰州職業技術學院 機電技術學院，江蘇 泰州 225300）

汽車后壁板拉深成形工藝分析及數值模擬

趙峰，柳亞輸，丁華

（泰州職業技術學院 機電技術學院，江蘇 泰州 225300）

文章主要針對汽車后壁板拉深工藝進行分析并使用DYNAFORM軟件進行數值模擬。數值模擬的主要內容是觀察不同壓邊力、凹模圓角等因素對拉深成形的影響。通過對模擬結果進行分析發現：壓邊力要適中、凹模圓角半徑要稍大一些，這樣可以避免覆蓋件拉深時易出現的起皺、破裂等缺陷，最終生產出滿足要求的零件。采用這種方法可以大大縮短模具設計周期，并降低生產成本。

后壁板；拉深；工藝分析；數值模擬；成形

冷沖壓是一種建立在金屬塑性變形的基礎上，利用模具和沖壓設備對板料金屬進行加工，以獲得需要的零件形狀和尺寸的先進金屬加工方法［1］。后壁板屬于汽車覆蓋件，大型覆蓋件的特點有材料薄、形狀復雜、自由曲面多、結構尺寸大以及表面質量要求［2］。

在計算機技術應用于沖壓之前，人為因素對沖壓工件質量的高低和沖壓生產效率的高低影響很大；導致了產品質量的不穩定和沖壓生產無法實現標準化、規范生產。計算機技術在沖壓生產中的應用，充分顯示了結合經驗的數值模擬方法的巨大優越性［3］，特別是在降低生產成本、減少試模和修模時間、減少資源浪費、推進模具設計和制造的標準化和規范化等方面都有非常顯著的優點［4］。

本文介紹的是在后壁板拉深工藝分析的基礎上，在軟件Pro/E中，建立板料和凹模的三維圖，然后將之導入到DYNAFORM軟件中進行的數值模擬。具體模擬時，首先進行前處理，即對板料進行網格劃分，設定相關工藝參數，軟件自動生成凸模、壓邊圈位置、壓邊力和摩擦因數等經驗數值，對建立好的模型進行求解運算；然后進行后處理，對前面的運算進行分析生成成形極限圖和厚度分布圖。通過模擬不同的壓邊力和凹模圓角半徑，來驗證沖壓工藝及相關工藝參數的設置是否合理，從而達到優化工藝設計和提高沖壓生產效率的目的。

1　后壁板拉深的工藝分析

圖1　后壁板左視圖和主視圖

汽車后壁板整體尺寸長為1090mm，寬為670mm，厚度1.5mm，材料為08F鋼，尺寸較大；形狀復雜，左右軸對稱但前后不對稱，四周圓角半徑為30mm，凸包處為20×450mm，進行沖壓工藝性分析，該制件屬帶有部分凸包的復雜大型覆蓋件，一般采用拉深成形（后壁板左視圖和主視圖見圖1）。

采用厚度為1.5±0.05mm的08F鋼板，拉深成形后壁板的整體輪廓尺寸，保證了制件具有足夠的強度和剛度，又便于后續工序如修邊、沖孔、壓彎成形等的順利進行。該零件成形須選擇合理沖壓方向，這樣才能保證沖壓時，拉深高度差下降為最小，凸模與毛坯具有良好的初始接觸，減小兩者間的相對滑動，有利于毛坯變形提高制件表面質量。所以該制件除了拉深工藝以外，要有工藝補充部分才能進行拉深成形。故本制件采用長方形毛坯一次拉深成形，為了使毛坯變形均勻，需要在壓料面上設置拉延筋。其主要的加工工序為：

首先進行拉深，然后修邊和沖孔、沖缺口、首次彎曲、二次彎曲、三次彎曲成形、沖8個Φ16和2個Φ14的側孔、鉆兩個孔。采用該順序可使模具結構設計合理，同時二次拉深成形與三次拉深成形的兩套模具可裝在同一設備上，既節省了設備，也簡化了加工工序，同時沖孔、鉆孔安排在彎曲成形后進行，可以保證制件的各孔尺寸，鉆孔也減少了一套沖孔模。由于工件形狀復雜，加工工序多，模擬的時間有限，初次使用模擬軟件，所以僅模擬了板料的壓邊力和凹模圓角半徑對拉深成形的影響，也就是只對一次拉深成形過程進行模擬，而不考慮修邊、沖孔、沖缺口、壓彎成形等其他工序的影響。制件經過一次拉伸后，不經過其他工序處理。

2　后壁板拉深工藝數值模擬的步驟

運用模擬仿真軟件DYNAFORM對拉深過程進行數值模擬，可以很直觀地在計算機屏幕上了解拉深件的破裂、起皺、料厚等變化情況，分析在仿真的環境下拉深件的應力、厚度的變化及其影響因素。應用DYNAFORM軟件對沖壓成形進行數值模擬的基本步驟如圖2［5］。

圖2　數值模擬步驟

2.1曲面模型的建立

根據后壁板的形狀和尺寸，設計出后壁板的毛坯形狀和尺寸；根據后壁板的形狀，利用Pro/E三維設計軟件中的曲面設計功能設計拉深凹模的三維圖（見圖3）。設計時，應注意與上一個毛坯面之間的坐標關系，并將三維模型保存為asm.igs格式。

圖3　后壁板拉深凹模立體圖

2.2劃分單元網格、建立模型

建立曲面模型后，將Pro/E裝配的曲面轉換成接口文件（IGES）導入DYNAFORM。在DYNAFORM中使用Blank Generator（坯料網格生成）和Surface Mesh（曲面網格劃分）兩種方法來生成網格。網格的劃分，應能夠正確反映結構的受力和變形情況，網格的密度也應適當。網格太密則計算求解時間過長，網格太疏則求解精度不夠、誤差較大，因此應劃分滿足使用要求的合適大小的網格［6］。在本次模擬中，毛坯的尺寸為1390×960mm，凹模的圓角半徑為20mm，其工具圓角半徑為5mm；在曲面網格化時設置凹模的網格參數最大尺寸35.0mm，角度半徑為20.0mm。劃分好的網格如圖4和圖5所示，然后在DYNAFORM中通過偏置等處理生成凸模和壓邊圈。

圖4　劃分好網格的毛坯

圖5　網格劃分后未分離壓邊圈的凹模圖

在前處理中經過網格化后，網格化的制件裝配圖如圖6所示。

圖6　網格劃分后的裝配圖

2.3模擬計算

經過前面處理后，可通過與求解器LSDYNA的接口直接運行求解，如圖7所示。經過若干時間的計算后，求解器可輸出一個結果文件（默認為d3plot文件），該文件分步寫入，可以供后處理時調用。在隨后的后處理中，后處理器PostGL讀取生成的d3plot文件，并將結果用圖形和動畫的形式表示出來。通過分析板料厚度變化圖，可以知道制件拉深后產生拉裂和起皺的情況；通過對成形極限圖的分析，就可以對壓邊力和凹模圓角半徑等參數作出適當的修改，修改后的結果，可以通過再次模擬來進行工藝驗證。

圖7　運算求解過程

3　數值模擬結果分析

本次進行模擬的汽車后壁板拉延件是非規則的拉深件。從圖1可以看出，該工件拉深的深度是不均勻的，既有較深的拉深成形也有深淺不同的凹槽拉深，這樣的制件在拉深過程中，最容易出現缺陷拉裂和起皺。

3.1壓邊力對拉深成形的影響

通過計算得出凸模的運動行程距離是1010mm （DYNAFORM自動計算得出），根據公式計算壓邊力給定1443.7KN，系統自動給出的壓邊力為18000KN，取凹模運動速度為5100mm/s，壓邊圈與凹模之間的間隙為1.0mm。在以下的數值模擬中保持其他參數不變，僅僅改變壓邊力，通過模擬結果看不同的壓邊力對拉深成形性能的影響。

（1）壓邊力為18000KN，對毛坯進行數值模擬，得到模擬結果如圖8所示。

圖8　壓邊力18000KN的模擬圖

（2）壓邊力為1500KN時，對毛坯進行數值模擬，得到模擬結果如圖9所示。

圖9　壓邊力1500KN的模擬圖

（3）壓邊力為4000KN時，對毛坯進行數值模擬，得到模擬結果如圖10所示。

圖10　壓邊力4000KN的模擬圖

在（1）中，制件的周邊出現了起皺現象，中間凹槽部位嚴重皺縮，由此可知該制件是不合要求的，同理可知（2）也不滿足，只有（3） 滿足。對比（2）、（3）可以看出主要是因為壓邊力過大導致的。因為零件開裂的根本原因，在于拉深變形抗力大于制件開裂處的材料實際有效抗拉強度。開裂在（1）中是最嚴重的，（3）無開裂滿足要求。（2）直角邊緣處起皺十分明顯，并且起皺在制件中間拉深深度較大的矩形凹槽邊緣到制件邊緣處最為劇烈，所以（2）不合要求。

通過對比模擬結果可以知道，壓邊力過大時會造成開裂使制件報廢；反之，過小的壓邊力又會造成制件局部開裂和皺縮。只有采用合適的壓邊力，才能消除開裂、皺紋、凹槽等缺陷。

3.2凹模圓角對拉深成形的影響

凹模圓角半徑是影響拉深成形的重要因素，當凹模圓角半徑過小時，容易導致凹模圓角部分先于底部發生破裂。如果凹模圓角半徑過大，則處在壓邊圈作用下的坯料面積減少，不利于防皺。在以下的數值模擬中保持其他參數不變，僅改變凹模圓角半徑，通過模擬看其對后壁板拉深成形的影響。

圖11所示的是在凹模圓角半徑為30mm，其它成形參數不變的情況下得到的模擬結果。

圖11　 圓角半徑30mm的模擬圖

圖12所示的是在凹模圓角半徑為20mm，其它成形參數不變的情況下，得到的模擬結果。

圖12　圓角半徑20mm的模擬圖

從圖11中看到，制件四個圓角未出現拉裂和褶皺現象，在中間部位有輕微的起皺趨勢，基本上滿足要求。從圖12中可以看到，在制件兩個直壁相交的圓角過渡部分，有非常輕微的拉裂現象，在制件的圓角凸出部位產生了拉裂現象，制件上有輕微的起皺傾向。

對比兩個模擬結果可以看到，較大的凹模圓角半徑可以避免皺紋產生，較小的值則會造成起皺。主要是因為，較小值會使制件直壁側面的傳力區拉應力增大，變形阻力增大，導致了最后的成形力增大，產生了皺紋。所以凹模圓角半徑一般要稍微大一些，以避免出現皺紋。

4　結論

本文運用DYNAFORM軟件分析了影響汽車后壁板拉深成形的關鍵參數壓邊力和凹模圓角半徑，發現壓邊力的大小要適當，過大容易造成后壁板破裂，過小則容易引起褶皺和減薄；凹模圓角半徑不能過小否則容易引起起皺，要適當大一些。數值模擬的方法可以有效地加快模具設計的進程，為模具工業的信息化提供借鑒。

［1］肖景容，姜奎華.沖壓工藝學［M］.北京：機械工業出版社，1999.

［2］趙俠，傅建，余玲，等.有限元模擬技術在板料沖壓

成形中的應用［J］.四川工業學院學報，2004，（S1）：241-249.

［3］王巍，錢可強.機械工程圖學［M］.北京：機械工業出版社，2000.

［4］王秀風，郎利輝.板料成形CAE設計及應用—基于DYNAFORM［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.

［5］ANSYA公司.應用LS-DYNA進行薄板成形仿真——高級［K］.

［6］陳文亮.板料成形CAE分析教程［M］.北京：機械工業出版社，2006.

（責任編輯劉紅）

The Technical Analysis of Formability Drawing and Numerical Simulation to Automobile Back-wall Board

ZHAO Feng，LIU Ya-shu，DING Hua

（Taizhou Polytechnic College，Taizhou Jiangsu 225300，China）

This paper main analyses and simulate the process of drawing by the software Dynaform.The numerical simulation analyses of the impact of Deep Drawing with difference blank hold force and die radius.we analyze the result of numerical simulation，then find blank hold force should be suitable and die radius should be slightly larger.In this way the crack and wrinkle of drawing can be avoided.With this method can speed up the process of mold design and reduce the production cost.

back-wall board；drawing；technical analysis；numerical simulation；formability

TG386.4

A

1671-0142（2015）02-0045-04

趙峰（1979-），男，江蘇泰州人，副教授，碩士，研究方向為機械工程計算機應用.

江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃項目（201412106001Y，項目主持人：丁華）.