基于CAE 技術的拉深模具壓料筋結構參數設計

呂淑艷

（包頭職業技術學院 材料工程系，內蒙古 包頭 014035）

板料沖壓成形最終目的是為了獲得高質量的沖壓產品。控制板料成形質量的方法很多，壓料筋是板料成形過程中的重要控制手段之一，其目的在于增加成形過程阻力，使板料能夠順利成形，減少成形缺陷。壓料筋設計在汽車覆蓋件拉深模具設計過程中占有特別重要的地位。合理設計壓料筋結構參數可以改善板坯的流動狀況，從而減少沖壓件的破裂和起皺[1]等缺陷。

1 壓料筋作用原理

拉深成形生產中，尤其是車身覆蓋件等大型零件的拉深工序中，往往會因為零件幾何型面不對稱，使得板坯在拉深成形時各處材料沿凹模口的流動速度不均衡，造成拉深后的零件局部減薄量大，出現頸縮或者破裂等質量問題，有些部位則出現起皺、波紋等質量缺陷。板料沿凹模口的流動速度，如圖1 所示。

圖1 板料沿凹模口的流動速度圖

為改善這種狀況，需要在壓料面上控制對零件不同部位提供進料阻力，即在需要材料多且流動速度慢的部位相應的進料阻力小一些，而在需要材料少流動速度快的部位相應的進料阻力相對大一些，如圖2 所示，從而平衡坯料在凹模口部的流動速度差異，提高零件的成形質量。平衡后板料沿凹模口流動速度，如圖3 所示。

圖2 板料沿凹模口進料阻力分布圖

圖3 平衡后板料沿凹模口流動速度圖

改變壓料面上進料阻力的方法很多，如改變壓邊力或采用變壓邊力壓邊，改變壓料面與模具之間的間隙，改變凹模口圓角半徑以及設置壓料筋等。而設置壓料筋是應用較靈活方便、修改較容易的一種方法，利用壓料筋阻力控制板坯局部變形條件，從而控制各部分的成形，使零件各部分變形條件趨于平衡，最終保障整個零件的順利成形。

2 壓料筋的形狀與阻力組成

壓料筋一般由兩部分組成，包括在壓邊圈上的筋和凹模上的槽。壓料筋根據其斷面形狀、幾何模型不同可分為半圓形筋、梯形筋、拉深檻或邊筋、三角形筋和矩形筋五種類型。由于筋的斷面形狀及幾何尺寸不同，其功能強弱也不同。三個基本幾何形狀的壓料筋是半圓形筋、矩形筋和拉深檻。在筋高相同的情況下，矩形筋可以獲得比半圓形筋更高的進料阻力。在壓料筋的參數都相同的情況下，拉深檻產生的阻力在三者中是最小的。半圓形筋斷面形狀如圖4所示，矩形筋斷面形狀如圖5 所示，拉深檻斷面形狀如圖6 所示。

圖4 半圓形筋斷面形狀圖

圖5 矩形筋斷面形狀圖

圖6 拉深檻斷面形狀圖

壓料筋阻力由兩部分組成：一部分是板料在壓料筋與槽的彎曲和反彎曲作用下產生的彎曲變形阻力，另一部分是板料在槽和壓料筋的圓角上滑動所產生的摩擦阻力。當板料流過壓料筋時，會發生彎曲和反彎曲變形，反復的彎曲和反彎曲變形所產生的變形抗力即為壓料筋的變形阻力；此外，還會因摩擦而產生摩擦阻力。壓料筋的變形阻力和摩擦阻力之和就是壓料筋阻力。

3 壓料筋傳統設計方法

壓料筋傳統工藝設計過程，一般是先根據工程師經驗確定一個粗略的設計方案，然后通過后期不斷的試模來修正初始設計方案，直到最終能沖出合格的沖壓件為止。由于初始設計方案完全憑經驗給出，有很大的偶然性和不確定性，特別是當新產品的形狀與以往產品的形狀相差較大時，初始設計方案往往與實際設計方案相差較大，從而使得試模次數增加，設計不準確而且設計周期延長，開發成本較高。

4 壓料筋改進設計方法

隨著數值模擬計算技術的不斷發展，計算機輔助工程技術，即CAE 分析技術，在汽車零件模具設計過程中發揮著越來越重要的作用。CAE 技術為研究壓料筋各個結構參數的合理取值提供了極為有力的工具，使壓料筋結構的設計也變得更為簡單。對保證零件質量、減少材料消耗、縮短產品開發周期、提高開發質量以及降低制造成本等都具有重要意義。

壓料筋是工藝補充的一個重要組成部分。布置壓料筋不僅需要考慮調整板材在成形過程中局部的流動速度，還需要考慮后續修邊和拉延時可能產生的質量問題。在模具工藝設計時，CAE 軟件提供的是等效壓料筋的模型。采用等效壓料筋代替壓料筋實體可以在不失精度的前提下大大降低計算時間。另一方面還可以很容易地改變等效壓料筋在有限元模型中的布置，從而研究不同布置方式對材料流動的不同影響，而無需零件CAD 模型的任何修改，因此等效壓料筋模型在數值模擬中是一種非常有效的方法。但是在模具結構設計中，壓料筋的具體幾何尺寸由CAE 軟件的專門模塊提供，可以直接定義壓料筋的具體尺寸。

4.1 壓料筋布置形狀與方向

壓料筋應根據凹模口形狀布置，一般情況下，壓料筋的走向應與其對應的凹模口形狀一致。控制對零件不同部位提供的進料阻力，也就是毛坯在進入凹模前遇到的阻力，即在需要材料多的部位相應的進料阻力小一些，而在需要材料少的部位相應的進料阻力大一些，從而平衡坯料在凹模口部的流動速度差異，提高零件成形質量。壓料筋的布置方向要與材料流動方向垂直。

4.2 壓料筋的位置與結構參數

總的來說，壓料筋的位置對阻力大小影響不是十分顯著。壓料筋的位置合理取值范圍原則上為凹模入口圓角外切點到毛坯邊緣之間，但壓料筋的位置也不能布置在凹模的邊緣上。壓料筋的成形可看作是一次拉深成形，所以壓料筋與槽的單邊間隙可按單次拉深成形取值。考慮到壓料筋的應用情況，壓料筋的圓角半徑不能過小。此外，筋高高于筋的圓角半徑太多就沒有多大意義了。槽的圓角半徑根據習慣設計選取。

有了上述經驗，其他細節問題還需具體情況具體分析。壓料筋各參數選取時應根據材料流動性，考慮材料的流量，分清平緩區和轉角區，然后獲得的壓料筋阻力和各參數互動，最終參考取值，確定壓料筋各個結構參數的合理組合。

5 結論

復雜沖壓件拉深成形時，為使板坯能夠順利成形，減少成形缺陷，在拉延模具中增設壓料筋。本文利用計算機輔助工程技術（CAE）改進設計壓料筋，以便確定壓料筋各個結構參數的合理組合，大大提高經濟效益和產品質量。