汽車高強鋼大通風孔車輪輪輻成形工藝優化仿真

尚東++單穎春++劉獻棟++姜二

摘要： 為滿足汽車車輪強度要求，大通風孔鋼制車輪輪輻需采用高強度鋼材進行沖壓成形，因此更容易產生各種成形不良問題.用PAMSTAMP對某大通風孔鋼制車輪輪輻成形過程中的2道關鍵拉延工序進行有限元仿真和優化，通過改變模具結構和參數降低輪輻成形后的減薄量，有效防止輪輻成形過程中的開裂現象.對仿真結果和實際加工結果的對比和分析驗證該仿真方法的有效性.

關鍵詞： 汽車； 車輪； 輪輻； 輕量化設計； 拉深成形； 減薄量； 模具優化

中圖分類號： U463.34文獻標志碼： B

0前言

大通風孔鋼制車輪輪輻與普通鋼制車輪輪輻相比質量明顯減輕，其外觀接近鋁制車輪效果，因此能夠在低成本下獲得輕量化及良好的外觀效果，故大通風孔鋼制車輪輪輻已引起國內眾多車輪制造企業的高度重視.沖壓成形是鋼制車輪輪輻成形的主要方法之一，其中拉延工序是決定沖壓件質量最重要的工藝環節.由于大通風孔鋼制車輪需采用強度級別更高的鋼材進行沖壓成形，且大通風孔鋼制車輪輪輻的空間形狀比普通鋼制車輪輪輻更加復雜，因此拉延過程中更容易出現不同程度的板料開裂、起皺等缺陷.在傳統的生產中，每一工序都要經過多次試生產和調試修正才能確定，是一個“試錯”的過程，成本高、周期長，且難以滿足復雜零件的技術要求.[1]

隨著有限元仿真技術的發展，數值模擬方法能夠快速、高效地模擬生產加工情況[2]，預測實際加工生產中容易出現的問題，大幅縮減產品開發周期，提高成形件質量.目前國內外針對采用高強鋼進行車輪輪輻沖壓成形仿真的研究較少.徐成林等[3]提出有別于常規輪輻沖壓成形的工藝方案，并基于Dynaform對車輪的新工藝方案進行有限元分析，對車輪沖壓成形缺陷進行預測，但僅限于普通鋼制車輪輪輻，且沒有考慮成形板料的減薄量.衛原平等[4]基于Dynaform以輪輻沖壓成形為例，對板料的二次拉深進行有限元仿真，得到的工件的厚度和應變情況與實際加工非常接近，但其輪輻材料為普通鋼材而非高強鋼.高蔚然等[5]基于Autoform對鋼制車輪成形中的拉深、反拉深和成形工序進行仿真，對成形零件厚度進行預測，驗證有限元模型的有效性，對輪輻拉深成形的仿真比較全面.陳龍等[6]應用Deform模擬預沖孔的圓環一步沖壓成形過程，分析沖壓速度、摩擦條件和凹模圓角半徑對成形載荷的影響規律，認為圓角半徑對成形結果影響較大.

FERRAN等[7]利用SIMEX顯式有限元算法對車輪盤成形進行簡化數值模擬并與實際沖壓結果進行比較，認為SIMEX算法能夠更好的模擬厚度應變，但是其對厚板的厚度預測減薄量偏大.TAN等[8]指出板料在拉深成形過程中拐角處會出現減薄現象，提出在輪輻內側拐角處降低減薄量的優化方案，認為增大沖頭拐角處圓角半徑可以有效避免板料在此處劇烈減薄，并通過有限元仿真模擬和試驗分別驗證此方案的可行性.MORI等[9]通過拉深成形試驗探究沖擊線出現的位置，并通過修改模具模型和調整仿真參數進行多次仿真，認為在拉深板件的拐角處降低減薄率可以有效減少沖擊線的產生，增加模具圓角半徑可以有效防止厚度局部減少和圓角處的材料堆積.

本文基于PAMSTAMP對采用抗拉強度達560 MPa的高強鋼的某型大通風孔車輪輪輻的沖壓工藝進行仿真.針對產品成形過程中的開裂問題，仿真分析模具圓角半徑、輪輻成形半徑和摩擦因數等參數對輪輻成形效果的影響，通過改變模具圓角和結構，降低圓角開裂部位減薄量，避免輪輻開裂現象，有效指導大通風孔車輪輪輻沖壓模具的設計.

1沖壓成形過程及工藝仿真方法

某型大通風孔鋼制車輪的拉延工序由4個子工序組成：拉深、反拉深、成形和翻邊校形.對每一子工序在CAD軟件中建立板料和模具的三維模型，導入PAMSTAMP軟件中，調整模具與板料之間的相對位置保證模具運動方向與板料為同一軸線方向，見圖1.

a）反拉深工序

b）成形工序

圖 1輪輻沖壓成形有限元模型

Fig.1Finite element model for wheel spoke stamping forming

對板料進行網格劃分，為保證計算精度，網格大小不宜過大.設置均勻網格大小為3.00 mm，板料網格劃分見圖2.

圖 2劃分網格后的板料（1/4模型）

Fig.2Meshed sheet （1/4 model）

板料各項材料參數是影響成形結果的最主要因素，該輪輻材料為高強鋼DP580，板料初始厚度為5.50 mm，其材料力學性能參數見表1.板料成形分析選用Hill 48各向異性屈服模型.仿真計算中將終止條件設置為凸凹模間隙值為1.1倍板料厚度，模具與板料間摩擦因數設為0.12.板料成形過程采用顯式增量算法[4]，回彈過程選用先進隱式算法.表 1DP580鋼材料參數

Tab.1Material parameters of DP580 steel參數值參數值密度/（g/cm3）7.8泊松比0.3彈性模量/MPa210硬化因數0.23厚向異性因數R451.02厚度/mm5.5厚向異性因數R00.918抗拉強度/MPa560厚向異性因數R901.216

2車輪輪輻反拉深和成形過程的缺陷分析該型大通風孔鋼制車輪輪輻第二道工序為反拉深工序，可成形出螺栓安裝面和輪輻緩沖環.該工序反向拉深深度大，輻底螺栓安裝面材料流動過多，中心定位孔處易出現開裂現象.經仿真計算后板料厚度云圖見圖3.圖3a中標識出的部分即中心孔處減薄最劇烈的部分，減薄量達到18.7%；在中心定位處呈“十”字形式減薄，局部放大圖見圖3b，該部位也是應力集中部位，極易出現開裂情況.實際加工過程中在該中心孔處開裂，見圖4.

a）整體b）定位孔中心圖 3反拉深工序板料厚度云圖，mm

Fig.3Sheet thickness contour of reverse drawing process， mm

圖 4反拉深工序實際開裂部位

Fig.4Actual crack position in reverse drawing process

第三道工序為成形工序，該過程要完成通風孔和緩沖環形狀的定形.將輪輻反拉深后的結果導入成形模具，經仿真計算后得到成形后的板料厚度云圖見圖5，減薄最明顯部位位于大通風孔圓角處，達到20.0%.減薄最明顯部位放大圖見圖6.實際加工過程中開裂部位見圖7，可見與圖6中的減薄部位相對應.該部位模具圓角過小，僅為4.0 mm，在沖壓過程中局部摩擦力大，且該部位為大塑性變形區域，材料流動受阻，出現減薄開裂.

圖 5成形工序板料厚度云圖，mm

Fig.5Sheet thickness contour in forming process， mm

圖 6減薄明顯部位放大圖，mm

Fig.6Enlarged view of parts of obvious thickness reduction， mm

a）背面

b）正面

圖 7成形工序實際開裂部位

Fig.7Actual crack position in forming process

與實際成形結果相比，仿真結果能準確預測實際成形過程中明顯減薄開裂部位，其中：反拉深工序輻底中心定位孔處減薄明顯，自減薄最劇烈部位沿直徑方向擴散撕裂；成形工序模具加強筋處圓角過小導致板料以撕裂形式裂開.仿真結果中減薄量的最大位置與產品成形中的破裂位置吻合很好，驗證本仿真方法有效.

3模具圓角半徑對沖壓結果的影響

針對該型輪輻反拉深成形工序中心定位孔開裂情況，考慮輻底圓角對材料流動的影響，對輻底圓角處半徑進行修改.采用不同模具輻底圓角（圓角半徑從10 mm增至28 mm）進行反拉深成形時車輪中心孔厚度的仿真，結果見表2.結果表明：隨著圓角半徑增大，中心孔處厚度也增加；當模具圓角r=28 mm時中心孔處厚度最大，而圓角半徑繼續增加，中心孔處厚度隨之減少.綜合考慮，選擇圓角半徑為28 mm成形性能最好，成形結果見圖8.

表 2不同圓角半徑時中心孔最薄處厚度值

Tab.2Thickness value of different radius of center hole at thinnest position mm模具輻底半徑101520252830中心孔最薄處厚度4.164.304.474.544.664.60

圖 8半徑為28 mm時反拉深沖壓成形輪輻厚度云圖

Fig.8Wheel spolee thickness contour after reverse drawing stamping forming when radius is 28 mm

針對成形工序中加強筋開裂問題，考慮摩擦與潤滑因素，仿真分析該加強筋處最合理的圓角大小.對不同大小圓角進行仿真分析，結果見表3.由此可知圓角越大該處厚度值也越大.由于該圓角直接延伸至螺栓孔部位，與螺栓孔外緣相貫，其圓角不能過大，綜合考慮，選取圓角半徑為6.0 mm.反拉深工序改進后選擇輻底圓角半徑為28.0 mm，此時中心孔處最薄處厚度為4.66 mm，減薄量達到15.4%，低于修改前的18.7%；成形工序改進的模具圓角為6.0 mm，此時加強筋圓角最薄處的厚度為4.45 mm，減薄量達到20.1%，低于修改前的22.2%.2道工序減薄量雖都減少，但并不明顯，在實際加工過程中依然會有較高的廢品率，因此需對模具整體結構進一步修改分析.表 3不同模具圓角半徑時加強筋最薄處厚度

Tab.3Thickness of stiffener at thinnest position when die fillet radius is different mm加強筋處圓角半徑4.05.06.07.07.5加強筋處最薄厚度4.404.404.454.474.54

4加大輻底成形半徑對結果的影響

僅通過調整模具圓角難以降低輪輻沖壓過程中易破裂位置的減薄量，故進一步對模具基本結構參數進行修改.在反拉深工序成形過程中加大螺栓安裝面直徑，即增大輻底半徑.將輻底半徑由55 mm增加至69 mm，模具修改前后輪輻的成形厚度云圖見圖9和10.圖10中中心孔最薄處為4.80 mm，減薄量為12.7%，厚度減薄量明顯低于修改前的15.4%.

圖 9模具修改前反拉深成形輪輻厚度云圖，mm

Fig.9Wheel spolee thickness contour after reverse drawing forming and before die modification， mm

圖 10修改后反拉深成形輪輻厚度云圖，mm

Fig.10Wheel spoke thickness contour after reverse drawing forming and die modification， mm

改進模具結構不僅對反拉深成形工序有很好的改善效果，同時對成形工序也有較好的效果.將改進后的反拉深成形結果導入到成形工序模具（模具未做修改），仿真計算結果見圖11.大通風孔圓角最薄處厚度為4.78 mm，減薄量為13.1%，明顯小于20.1%，改進效果明顯.圖 11模具改進后成形工序結果，mm

Fig.11Result of forming process after die improvement， mm

5摩擦因數對成形結果影響

考慮實際加工過程中加強筋圓角部位局部摩擦力較大的影響，計算不同摩擦因數情況下開裂部位的厚度值，結果見表4.

表 4不同摩擦因數情況下開裂部位厚度值

Tab.4Thickness values of crack position under different friction factors摩擦因數0.050.120.200.30改模前厚度/mm4.494.404.334.28改模后厚度/mm4.824.784.754.70

摩擦因數越大，開裂部位厚度值越小.模具修改后仿真開裂部位的厚度值結果受摩擦力影響較小，厚度改變量為2.3%；而模具修改之前，仿真結果中開裂部位的厚度值受摩擦力影響較大，厚度改變量為4.7%.在實際加工過程中，即使圓角部位潤滑不到位導致摩擦力大，對改進之后的模具影響也比較小，不易導致過分減薄開裂.因此，僅針對二次反拉深成形進行模具修改，其成形結果對二次、三次沖壓成形都有很好的改進效果.

6結論

基于PAMSTAMP，針對某型高強鋼大通風孔車輪輪輻反拉深工序和成形工序中出現中心孔開裂、加強筋部位開裂問題，研究模具輻底成形參數、模具圓角半徑以及摩擦因數對成形結果的影響，獲得反拉深件輻底圓角部位及成形件大通風孔圓角部位最優圓角半徑.通過改進模具輻底成形半徑尺寸，大大降低輻底圓角部位及大通風孔圓角部位的材料減薄量，有效解決該輪輻成形中的開裂問題，對產品實際加工有明確的指導意義.

1）該型輪輻反拉深成形工序輻底圓角處半徑為28 mm時，成形性能最好，中心孔處減薄量由18.7%降至15.4%.成形工序中鑒于板料成形結構，加強筋處圓角半徑為6.0 mm更為合理，該圓角處減薄量可由22.2%降至20.1%.

2）改進模具結構，加大輻底成形部分的半徑，對反拉深工序和成形工序均有改進效果，能有效降低開裂部位減薄量，使反拉深工序中輻底中心孔最薄處厚度減薄量由15.4%降至12.7%，成形工序加強筋圓角最薄處厚度減薄量由20.1%進一步降至13.1%，改進效果明顯，滿足實際加工工藝需求.

3）加大輻底成形半徑后，加強筋開裂部位的厚度值對摩擦因數敏感度低，實際生產過程中即使板料局部潤滑不到位，對加強筋處厚度影響亦較小.

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