基于Autoform的制動踏板安裝加強板的成形過程數值模擬

胡成武，吳國民，朱亨榮

（湖南工業大學 機械工程學院，湖南 株洲 412008）

汽車制動踏板安裝加強板具有減緩應力集中、減少振動、提高強度等作用，還能降低制造成本[1]。但其形狀復雜，成形時易產生暗裂、起皺等缺陷，嚴重時會發生拉裂及疊料[2-3]。

為避免上述缺陷，本文利用Autoform軟件對制動踏板安裝加強板的成形過程進行模擬，采用正交試驗法[4-5]，優化摩擦系數、壓邊力、模具間隙和沖壓速度4個工藝參數[6]，并試模驗證，降低產品的廢品率[7]。

1 成形工藝分析

制動踏板安裝加強板選用DC06冷軋鋼，毛坯尺寸610mm×450mm，厚度0.8mm。制動踏板安裝加強板數模如圖1所示。零件中部凸臺與左右兩處的平臺傾斜成20°角，右側有一處起伏較大的臺階，中前部為波浪狀，零件有17個焊接螺紋孔。制動踏板安裝加強板沖壓工序為拉深成形→沖孔→修邊。

由于制動踏板安裝加強板右側型面落差較大，中部平臺的拔模斜度太小，使得材料流動阻力較大，成形時減薄嚴重。拉深成形是整個零件成形過程中最重要的環節，也是容易出現拉裂或暗裂的環節，本文只對拉深成形工序進行仿真模擬。

圖1 零件三維圖

2 成形預處理

2.1 導入零件片體

使用UG軟件對原始產品處理后以igs格式導出片體，將片體導入Autoform，對零件進行三角形網格劃分，零件邊界到三角網格邊的高度和三角形最大邊長可以手動設置，高度和邊長越小，網格越細密，計算越準確，計算時間也越長；高度和邊長越大，網格越粗大，計算時間也就減小，通常采取軟件默認值0.1mm高和50mm邊長即可。

2.2 生成數模

模面和其他工具的生成有兩種方式，第一種是在Autoform軟件中設置所需模型；第二種是在三維軟件中做好凹模、凸模、壓邊圈和板料，然后導入Autoform軟件。第二種方式需要三維繪圖軟件與Autoform軟件的轉換接口，用以降低格式轉換所產生的部分質量誤差。本文選擇第一種方式進行模面設置：打開Geometrygenerator對零件片體進行設置，添加拉深工序，填充所有孔洞，進行型面補充、工藝補充，幾何模面如圖2所示。

2.3 設置壓料面

壓料面需要設置為光滑平面，避免材料進入凹模時可能產生的破裂。而且壓料面要與零件盡量保持一致的外形，制動踏板安裝加強板的外形起伏較大，設置壓料面時采用隨形壓料面，設計成右側較高左側略低的形狀，使整體成形高度大致一樣，如圖3所示。

圖3 壓料面示意圖

2.4 設置板料

出于節省材料等方面的考慮，選用的毛坯尺寸以零件尺寸為基準向外擴展25mm。打開Blank generator利用導入片體時生成的分模線，對零件排樣，設置Expand為25，毛坯形狀如圖4中黑色邊框所示。

圖4 毛坯圖

2.5 確定工藝參數

打開Process generator工序生成器界面，選擇單動拉深，板料材質設定DC06；在設置拉深筋界面，考慮到拉深筋會加大材料流動阻力使材料變薄，增加零件右側臺階的拉裂風險，為使成形過程中材料流動更流暢，制動踏板安裝加強板的模具未設置拉深筋；為使拉深過程中的負角最小，沖壓方向可在Tip界面中設置為Minbackdraft，然后依次定義好壓邊圈、凸模、凹模以及板料的位置，最終如圖5所示。

圖5 模型位置圖

使用四因素三水平的正交試驗表，選取模具間隙、摩擦系數、壓邊力、沖壓速度這4個工藝參數，進行模擬試驗，每組采用不同組合值進行正交試驗。試驗水平和因素如表1所示。

表1 試驗水平和因素

3 模擬結果分析

正交試驗極差分析結果如表2所示。判斷依據是零件厚度的最大變薄率和最大增厚率，最優的成形結果是這兩個數據保持在最低的水平。將綜合情況指標設為Y，Y是最大增厚率和最大減薄率之和。K是各個水平的綜合指標的平均值，并對平均值計算極差R。

根據表2的數據，比較極差大小可知RD＞RB＞RC＞RA，故各因素的影響程度排序為D>B>C>A。比較各組K值可知，A1是A因素的較好數值，同樣的比較K值可以確定B1、C2、D1是B、C、D三個因素的較好數值，最佳工藝組合為A1B1C2D1。綜合考慮，最佳的工藝參數為間隙0.84mm、摩擦系數0.1、壓邊力500kN、沖壓速度0.9m/s。使用這組工藝參數進行模擬，得到的成形極限圖和零件變薄圖如圖6、7所示。

由圖6、7可以看出零件的成形的質量比較良好，1、2、3三處的區域的變薄情況雖然比較明顯，最大變薄率是1處約為13.9%，但是沒有超過15%，仍然在零件成形要求范圍內。

表2 模擬結果與極差

圖6 成形極限圖

4 試模驗證

采用模擬得到的最優沖壓工藝參數進行模具設計與制造。模擬得到的拉延力為2510kN，選擇安全系數為1.6，壓邊力大小為500kN，所以拉深工序選擇500+1.6×2510=4516kN的機床，根據工廠里的機床參數，選擇500t的機床，模具閉合高度設置為795mm，試模后零件如圖8所示。

圖7 零件薄厚圖

圖8 試模生產樣件

試制100件產品，經質檢人員利用檢具檢驗，零件合格率為94%，沒有由于開裂暗裂導致的不合格產品，不合格件均是由于沖孔毛刺與孔偏引起，模擬得到的工藝參數消除了產品的暗裂開裂影響。

5 結論

使用Autoform進行拉深成形數值模擬，通過正交試驗方法，獲得優化的加強板成形工藝參數即模具間隙0.84mm、摩擦系數0.1、壓邊力500kN、沖壓速度0.9m/s，進行試模，零件實物質量與模擬結果相符，產品表面光潔無暗裂，成形質量好。數值模擬方法縮短了開發周期，減少試模次數，節約了材料。試制的產品也驗證了數值模擬方法的可靠性。

[1]Advanced high strength steel （AHSS） application guidelines.INTERNATIONAL IRON&STEEL INSTITUTE Committee on Automotive Applications.2005.

[2]高沙沙，薄青紅，水志祥.基于Autoform的汽車覆蓋件拉延過程模擬[J].山東工業技術，2015，（14）：20+22.

[3]劉鵬翔，程培元，胡一博.基于AutoForm的滑門內板的拉延成形數值模擬研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2016，51（3）：82-85.

[4]沈中秋.汽車門鎖加強板成形工藝優化設計[J].模具工業，2016，（11）：19-23.

[5]王明偉，高瑩瑩，呂 燕，等.基于正交試驗的高強鋼汽車加強板沖壓成形回彈分析[J].塑性工程學報，2015，（5）：45-51.

[6]楊曼云，孫希平，胡忠勇.汽車覆蓋件成形數值模擬過程及影響因素研究[J].模具技術，2006，（1）：3-7+15.

[7]Experimental validation of numerical sensitivities in a deep drawing simulation[J].A.H.Boogaard，B.D.Carleer，E.H.Atzema，E.V.ter Wijlen.International Journal of Material Forming.2008，（1）.