基于Autoform的殼類零件拉延模工藝仿真與優化

張 杰，周 勇

基于Autoform的殼類零件拉延模工藝仿真與優化

張 杰，周 勇

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文以殼類零件作為研究對象，在Autoform中通過三維建模對其沖壓成形過程進行仿真實驗，并對其成形過程中拉延工序進行分析，結合仿真實驗的成形極限圖（FLD）及工件云圖分析拉延過程中可能出現的起皺、破裂等缺陷情況。通過仿真效果對可能出現缺陷的區域進行拉延工序的工藝參數優化設計，確定合理的工藝參數和結構，從而為實際生產提供準確有效的參數指導殼類零件的生產。

Autoform 拉延模 工藝仿真 優化設計

0 引言

基于計算機建模仿真軟件驅動的拉延模的設計是目前模具制造行業發展和競爭的核心技術之一，它可有效的保證沖壓件的成形性、表面質量及加工尺寸精度[1]。模具作為重要的工藝裝備在制造工業的實際生產中的作用不可替代，而沖壓成形的拉延模亦是模具中重要的類別之一，隨著計算機軟件和硬件的不斷的快速發展，有限元分析理論的不斷發展與完善等，沖壓成形過程的數值模擬技術也發揮著越來越不可忽視的作用。通過計算機的仿真與運算，對拉延模的設計要求提供切實可行的參考及在實際生產過程中易出現缺陷位置的預測，從而避免在實際中進行大量的模具試驗測試，大大的消減試模的次數，縮短了產品的開發周期，進一步提高殼類零件生產效率與生產成本[2]。

1 零件工藝仿真預處理

對于殼類零件需要經過拉延、切邊整形、沖孔等相關成形工序，其中拉延工序會直接影響產品最終質量，故該工序為工藝分析的重點。Autoform仿真軟件在模擬板料成形的全過程中能夠及時預測發現成形過程中可能出現的起皺、破裂等缺陷情況，為拉延等工藝分析提供試驗結果[3]，為完善模具設計方案提供科學的依據，首先需要對研究對象進行相關的預處理。

1.1 零件加工工藝分析

零件空間外觀尺寸長×寬×高為1729 mm×410 mm×693 mm，厚為1.5 mm，零件結構較為對稱，橫截面基本呈現U形，且由多個復雜曲面、圓角、孔等元素構成，自由曲面上有不同大小、形狀的圓孔與異形孔，曲面與曲面之間由光滑的圓角過渡連接，零件表面光潔平滑。

零件加工工序主要為單動拉延，再輔助整形、沖孔、翻邊等工序。因零件結構對稱，左右兩側圓角采用過渡沖壓成形，零件的兩頭和中間部位存在高度差且結構尺寸也比較大，導致拉延模有較大的位移量。因為孔的大小不一和位置的分布不均，無法一次性沖壓成形，需要分步沖孔才能完成。

該零件選用材料為厚1.5 mm的冷軋鋼板，其牌號為 DC04，此材料可用于深沖，材料具體性能參數如表1所示。

表1 材料性能基本參數

1.2 零件參數設置

零件導入分析軟件時，對其成形性進行檢查，若存在缺陷，需要對其進行修補。檢查完成后對其在Autoform中參數設置：縫合距離為0.2 mm，網格公差設定為0.05 mm，網格的最大邊界長度為 30 mm，撥模負角界限中的安全角度設置為3°，工件送料方向則是沿y軸設置，參數設置完成后軟件對導入模型自動進行三角網格劃分如圖1。

1.3 零件沖壓方向的選擇

沖壓方向的選擇要有利于板料在拉延過程的成形與放置，選擇合理的沖壓方向才能簡便且順利地完成沖壓成形。而合理的選擇沖壓方向需要考慮以下原則[4]：

1）確保一次性拉延成形全部空間形狀，避免出現凸模接觸不到的“面域死區”；

2）盡可能使拉延的深度差為最小，減小板料變形的不均勻分布；

3）保證有良好的接觸，減小板料與模具的相對滑動；

4）能夠有利于防止表面缺陷的產生，保證其接觸面盡量離沖壓中心距離近。

在Autoform軟件中設置確定的沖壓方向，利用tip功能，position設置以重心來確定沖壓坐標系原點，沖壓方向此處則采用最小拉延負角，微調確定好Z軸方向，沖壓方向效果示意如圖2所示，由于此產品零件存在多個大小、形狀不一的孔洞，在此處先不做處理，節省計算機運行的處理時間，后續進行曲面填充或修補。

圖1 三角網格劃分效果

圖2 沖壓方向示意圖

2 零件工藝仿真規劃與優化設計

2.1 零件工藝仿真規劃

通過對零件特點的分析確定零件的工藝路線為：落料→拉延→整形、沖孔→翻邊→沖孔。

為了獲取各個工序中合適的參數采用倒推法對各個工序在Autoform中的工藝參數進行制定。

1）沖孔：在此處無需做任何設置，直接選擇軟件參數的默認就行。

2）翻邊：翻邊一般是在拉延、整形工序對工件成形不滿意區域的修整工序。此處則是對兩道工序的補充。在Autoform中對翻邊工序進行設置tip，在工序中無需對產品零件進行modify（修改）處理，在form功能中進行簡單翻邊刀塊的設計與修改。

3）整形、沖孔：整形、沖孔根據part（產品零件）來設置一下tip，其他參數在此處可不進行設置，使其軟件參數默認設置就可以了。

4）拉延：在拉延工序中，為了增加工件的強度，也是為了更好的實現工件的拉延，零件在拉延工序中modify（修改）功能中進行異形孔面域填充。

填充完成后，對壓料面進行設置，在軟件binder功能中自動生成了一個水平壓料面，再使用壓料面控制曲線貼合工件邊界形狀來調整改變曲線形狀，直到壓料面比較符合工藝補充為止如圖3，然后在軟件中自動生成工藝補充面，調整期圓角半徑，使之盡量的光滑過渡，以此來提高最終產品成形的質量。

在拉延過程中，板料凸緣內受到切向壓應力的作用下，常常會失去穩定性等問題從而發生起皺等缺陷問題。而在拉延工序中，起皺是造成廢品的主要原因之一，因此為了防止工件失穩時而產生起皺的情況下，而需要在凹、凸模之間設置壓邊圈提高成形質量如圖4所示。

圖3 壓料面示意圖

圖4 凹、凸模及壓邊圈示意圖

2.2 零件工藝優化

工藝優化是拉延工件沖壓成形工藝中不可缺少的一部分，工藝優化主要包括工藝補充面與壓料面的建立[5]。對于工藝補充面與壓料面的建立具體如下：

1）工藝補充面

工藝補充面是零件邊緣延伸到壓料面之間補充的過渡曲面。在對拉延工序進行工藝補充時，需要將零件上的孔、切口等結構根據拉延工序的要求進行相應的工藝處理。工藝補充面設計遵循以下原則：使內孔封閉填充；能夠簡化拉延工件的結構形狀；保證工件擁有良好的塑性變形條件；需有利于后序其他工序；補充的部分盡可能的少；雙件拉深工藝補充。該零件工藝補充面三維示意圖如圖5所示。

圖5 工藝補充面三維示意圖

2）壓料面

壓料面的作用是要保障板料在沖壓成形的過程中能起到避免起皺、破裂且順利進入模具中[6]。壓料面的設計原則遵循以下原則：壓料面應該盡可能的簡單，并且應該圓滑光順，有臺階面時盡量用圓弧曲面光滑過渡且保證拉延深度均勻；有過渡是應該盡可能的平緩圓弧過渡；在壓料面的設計時，還要考慮到毛坯板料送放件的便利性和穩定性等。

3 仿真模擬與評判

3.1 成形極限圖及工程云圖

對于零件加工質量的模擬效果質量主要從零件的成形性、變形分布、厚度變化和成形極限圖等方面來分析。成形極限圖是用來評定板料沖壓成形性能的一種重要圖形；它能夠非常直觀、清楚地表明板料在沖壓過程中的變形情況；而工件云圖則能直觀的通過顏色的分布情況看出工件的各個面的情況，判斷工件是否拉伸充分、起皺破裂以及變薄程度等情況。

1）成形極限圖表示板料毛坯在不同的應變形力狀態下的變形極限的圖。FLD是以主應變為縱軸、以次應變為橫軸組成的坐標圖。FLD通過橫縱坐標能夠全面地反應當前零件模擬在復雜的應力應變情況下，可能產生的拉裂、起皺等各項失穩狀況，通過成形極限圖的破裂曲線可以發現材料在成形過程中的各項缺陷。通過對各個區域進行分析，采取相對應的解決方法從而提高材料加工成形的性能。

2）工件云圖是直接通過不同顏色來反應各個面區域成形情況，通過顏色的分布情況可快速識別面域的成形情況。根據不同的零件厚度及沖壓弧度設置對應的參數，可以充分利用材料的變形潛能，在滿足沖壓使用性能的前提下，可使用較低級別性能的材料來降低成本等。

3.2 仿真分析及評判

1）優化前仿真分析與評判

對殼類零件毛坯件進行軟件仿真，如圖6為殼類零件的成形極限圖與工件云圖。從成形極限圖來分析，可以直觀的看出工件有部分點落在破裂曲線之上，反映出板料在復雜應力的狀況下，有部分面域產生塑性失穩破壞斷裂等缺陷情況，而大部分的點在曲線的下方，說明其他面域的成形處都在其安全區域里。從工件云圖分析可知，破裂的面域位置處在工件中部的圓倒角處和工件端部圓角處，表明了現有工藝參數在兩處還是不能夠滿足其拉延成形，一些面域存在拉延不夠充分。綜合以上分析，為了使工件能避免出現上述缺陷問題，應該調整模具的中間和端部的結構，使兩處圓角的過渡半徑增大，來解決成形缺陷和完善工藝參數。

圖6 成形極限圖和工件云圖

圖7 優化設計后零件成形極限圖及工件云圖

2）優化后仿真分析與評判

加大破裂處的圓角半徑，同時改變其模具結構后來解決破裂缺陷成形的問題，再是將摩擦系數由0.12調整到0.15，以此來提高沖壓工件的表面質量。如圖7為修改工藝參數之后的成形極限圖與工件云圖。對比圖6可知，通過對拉延過程中的參數進行調整，大部分面域都還是處于拉延合理范圍內，起皺的位置處于工件工藝補充面邊料處，而拉延不足區域恰位于其周圍，絕大部分處于安全區域，由于本工件在拉延之后還有整形、沖孔等工序，經過后續工序的對工藝補充面的處理會將起皺處去除掉，故不會影響零件的性能，且安全區域里破裂曲線有相當的一段距離。綜上，經過對工藝參數的優化設計，本次仿真模擬結果比較理想，間接的說明修改調整后的拉延工藝較為合理。

4 結論

在Autoform軟件中較為精準的仿真殼類零件的沖壓成形過程，能夠模擬拉延沖壓過程中可能出現的各種問題，再經過反復的調整及修改工藝參數和結構等，得到較為理想滿意的工藝方案。本文是以落料、拉延、整形、沖孔、翻邊再到沖孔來制定的工藝路線，此路線在能夠滿足產品零件的沖壓成形下，使工藝路線變得更合理。

本文研究對象在Autoform軟件中進行工藝參數仿真基礎上，結合仿真的FLD及工件云圖的進行拉延工藝分析，驗證經過工藝參數優化后的仿真結果。從而通過有限元分析及數值模擬為實際生產提供一定的理論依據，提高殼類零件的生產效率及質量。

[1] 楊國星. 冷沖壓模具中板料成型的CAE分析[J]. 橡塑技術與裝備, 2015, (24): 206-207.

[2] 陽湘安. 基于CAE分析的汽車沖壓件模具設計[J]. 模具制造, 2008.

[3] 傅樂榮, 文順, 袁創. 基于Autoform的汽車覆蓋件沖壓模具設計[J]. 江漢大學學報(自然科學版), 2011, 39(2): 43-46.

[4] 崔令江. 汽車覆蓋件沖壓成形技術. 北京: 機械工業出版社, 2003.

[5] 姚興, 陳軍, 石曉祥, 阮雪榆. 覆蓋件拉延模工藝補充面及壓料面參數化設計研究[J]. 模具技術, 2002(4): 6-9.

[6] 閆飛昊, 崔令江, 劉大海. 壓料面形狀對拉深成形影響的研究[J]. 模具工業, 2009, 35(1): 1-5.

Simulation and Optimization of Drawing Die of the Shell Parts Based on Autoform

Zhang Jie, ZhouYong

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TG241

A

1003-4862（2019）06-0033-04

2018-07-02

張杰(1991-)，男，助理工程師。研究方向：機械制造。E-mail: 1601286431@qq.com