集裝箱頂板整體拉延成形工藝模擬優化

唐榮健　陳竟華　米琳

集裝箱頂板整體拉延成形工藝具有大幅提高加工效率、節省材料、降低成本等優點，但同時也具有波身深度偏淺、使材料變薄等缺點，因此，部分客戶不接受整體拉延成形的頂板。本文針對集裝箱頂板整體拉延成形工藝存在的問題，通過有限元數值模擬軟件進行仿真模擬分析，獲得優化工藝方案，從而為集裝箱頂板整體拉延成形工藝的完善提供參數支持和優化依據。

1 集裝箱頂板成形工藝發展現狀

傳統的集裝箱頂板加工流程如下：采用拉延模具將單張鋼板的5個壓筋逐個拉延成形，然后按頂板尺寸修剪四邊。隨著集裝箱生產線的升級換代，生產效率大幅提高，頂板5個壓筋逐個拉延成形工藝方案的效率明顯偏低。為此，中集集團集裝箱控股有限公司率先建造集裝箱頂板生產流水作業線，采用流線加工方式，即使用連續板料將5個壓筋一次整體成形后，再按頂板長度剪斷板料，最后修剪兩側邊，從而大幅提高生產效率。

由于各種原因，頂板5個壓筋整體拉延成形的尺寸與逐個拉延成形的尺寸相比有所變化，主要原因是前者使壓筋深度變淺。盡管整體成形頂板的強度和剛性均能滿足集裝箱的試驗要求，但部分客戶仍不接受壓筋變淺的頂板。為此，箱廠同時存在兩種頂板加工方式，給生產管理和材料替代等帶來一系列問題。

2 板料成形數值模擬技術的應用

在板料沖壓成形過程中，板料的成形受工藝參數、材料參數、板料尺寸等諸多因素的影響。為獲得精確可靠的結果，通常采用試錯法，經過反復多次分析（即反復的“設計-分析-再設計”過程），才能得到符合設計要求的方案。20世紀60年代，板料成形數值模擬技術開始興起。隨著有限元技術和計算機技術的不斷發展和完善，板料成形數值模擬技術得到快速發展，現已成為模具結構設計研究和沖壓成形工藝研究中最活躍的領域，有效地解決了傳統試錯法耗時長、成本高、對人員經驗要求高和產品質量控制難等問題，為工藝方案設計、復雜模具結構設計和工藝參數優化提供有效的新途徑。[1]

本文利用Dynaform軟件對集裝箱頂板整體拉延成形過程進行模擬，分析頂板在整體拉延成形過程中的成形質量和厚度變化、應力應變分布及板材邊緣運動變化規律，優化現有頂板整體拉延成形工藝方案，為實際生產提供借鑒和參考。

3 集裝箱頂板整體拉延成形工藝模擬優化

3.1 模擬優化方案設計

3.1.1 確定優化目標

通過較低的成本投入生產較好質量的產品是制造業追求的主要目標，特別是對材料成本占比較大的集裝箱制造企業來說，更要嚴格控制材料的使用量，以降低生產成本，提高企業利潤；因此，本文對集裝箱頂板整體拉延成形的模擬以不增加材料用量為前提，通過優化工藝參數設置來解決當前頂板整體成形工藝存在的問題。

3.1.2 確定模擬優化參數

基于拉延成形技術的特點，通過對頂板整體拉延成形典型缺陷的分析及各影響因素的比較，確定本次模擬的頂板拉延工藝方案，分析拉延工藝參數中的凹凸模圓角、拉延筋高度和壓邊力對頂板整體拉延成形性能的影響（見表1）。

3.2 模擬優化分析

利用Dynaform軟件模擬頂板整體拉延成形，根據設計的工藝方案進行相應的建模、網格劃分、參數設置、提交運算，并通過軟件的后處理功能分析模擬結果。

3.2.1 凹凸模圓角半徑對頂板整體拉延成形的影響

根據模擬結果，增大凹凸模圓角半徑能在一定程度上減少頂板成形后因波身厚度減薄而出現破裂的情況，并能降低應力在波身位置上的集中程度。不過，凹凸模圓角半徑增大，容易在頂板成形過程中造成邊部扯料嚴重，加劇拉延筋處應力集中程度，從而使該處出現破裂；此外，凹凸模圓角半徑過大還會造成頂板成形后棱角不明顯。為獲得較好的成形質量，凹凸模圓角半徑取較為合適。

3.2.2 拉延筋高度對頂板整體拉延成形的影響

模擬結果顯示，拉延筋高度過低容易使頂板出現起皺現象，而增加筋高會抑制邊部板料向中間流動，使得邊部板料對中間板料的補償減少，脹形作用加大，造成波身減薄嚴重，進而導致板料出現開裂或應力嚴重集中的現象。當筋高增加到時，拉延筋以外的板料幾乎不走料，故合理的筋高應在4～之間，這樣既能減少起皺，又可減少波身減薄量，防止開裂。綜上所述，拉延筋高度取較為合適。

3.2.3 壓邊力對頂板整體拉延成形的影響

根據模擬結果，增大壓邊力可以抑制頂板起皺，并且可以提升板厚的均勻性；但增大壓邊力容易造成波身減薄嚴重，使波身位置產生應力集中，并且不利于長度方向上邊部板料向中間補充。綜合來看，為得到良好的成形質量，減少起皺，保證成形后的厚度以免出現破裂，壓邊力取較為合適。

3.3 優化工藝方案

通過分析單個工藝參數對頂板整體拉延成形的影響，獲得集裝箱頂板整體拉延成形優化工藝方案（見表2）。依據此方案進行建模，得到頂板的成形極限圖、厚度變化圖、主應力分布圖和邊部走料圖。

（1）優化后頂板的成形極限 優化后頂板的成形極限如圖1所示。頂板的整體成形性能較好，只在寬度方向出現略微的成形性不足，主要因為該處沒有設置拉延筋，成形時拉應力分布不均勻，板料金屬流動不一致，在實際生產中可以通過卷料抑制寬度方向的起皺。在長度方向，拉延筋以內的板料變形充分且均勻，拉延筋以外的板料在后續工序被切除，因此，對最終的頂板產品質量影響不大。

（2）優化后頂板的厚度變化 優化后頂板的厚度變化如圖2所示。頂板厚度分布比較均勻，拉延筋以內的板料厚度保持在1.94～之間，厚度減薄較明顯的位置仍然是波頭圓角處，最大減薄率為11%，處于板料安全減薄率范圍內。

（3）優化后頂板的主應力分布 優化后頂板的主應力分布如圖3所示。頂板成形后基本不會出現應力集中嚴重的現象，但在波身局部位置仍然存在輕微的應力集中，主要因為波身位置相對于頂板其他位置的板料變形量較大，使得拉應力比較大且容易集中。

（4）優化后頂板的邊部走料 優化后頂板的邊部走料如圖4所示。頂板成形后在寬度方向上走料較多，主要因為寬度方向上只有壓邊力對邊部金屬流動起阻礙作用，作用效果有限；但在實際生產中，卷料對寬度方向的走料起到抑制作用，不僅能減少走料量，而且使走料均勻。長度方向上，由于設置拉延筋，加大了邊部金屬流動的阻力，使得邊部金屬流動速度趨于一致，故長度方向上的邊部走料量較少且均勻。

4 結束語

本文采用Dynaform數值模擬仿真軟件對集裝箱頂板拉延成形工藝進行模擬，分析主要工藝參數對頂板整體拉延成形的作用規律，得到較為合理的工藝參數組合；從模擬結果來看，優化工藝方案所得到的成形效果較為理想，能改善傳統工藝方案存在的問題。雖然該模型仿真研究對頂板整體成形工藝參數具有一定優化作用，但由于時間的限制，未能充分地細化模擬仿真的具體條件。在今后的模擬仿真中，需要繼續優化仿真條件，對工藝參數進行細化模擬分析，以獲得更加準確的模擬結果，更好地掌握各工藝參數對頂板整體拉延成形的影響規律，從而有效地解決生產中出現的質量問題，推動頂板整體拉延成形工藝走向成熟。

參考資料：

[1] 張彥敏，張學賓，龔紅英. 有限元在金屬塑性成形中的應用[M]. 北京：化學工業出版社，2010：60-62.

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2016-03-23）