形狀復雜拉深件的Dynaform 分析

文／劉文彬·陽江職業(yè)技術學院，材料科學與技術廣東省實驗室陽江分中心 何雙，賴澤標，周巖麗，王亞娟，王文杰，伍玩秋·陽江職業(yè)技術學院

利用Dynaform軟件對某割草機底盤的拉深過程進行了數(shù)值模擬，研究了壓邊力、沖壓速度、摩擦系數(shù)和拉延筋阻力系數(shù)對板料成形質量的影響。結果表明，壓邊力、摩擦系數(shù)和拉延筋阻力系數(shù)對成形質量影響較大，而較低的沖壓速度影響較?。蛔罱K確定了該零件的優(yōu)化拉深工藝，即壓邊力150kN，沖壓速度10m/s，摩擦系數(shù)0.10，拉延筋阻力系數(shù)0.2。

沖壓是一種少切削或無切削的加工工藝，廣泛應用于汽車、家用電器、電機、儀器儀表、電子、航空航天等眾多領域。沖壓過程復雜，傳統(tǒng)的模具計算和經(jīng)驗估值對形狀復雜產(chǎn)品的成形存在較大的誤差，甚至會出現(xiàn)錯誤的判斷，由此產(chǎn)生大量的試制費用并造成時間浪費。沖壓CAE 技術是以現(xiàn)代計算力學為基礎，利用有限元等數(shù)學方法在計算機上仿真金屬材料的成形，能夠對模具工作狀態(tài)和運行行為進行模擬和精確計算，并及早發(fā)現(xiàn)設計缺陷。Autoform、Dynaform等軟件基于工藝過程模擬的有限元系統(tǒng)，可預測沖壓工藝過程中板料出現(xiàn)的裂紋、起皺、減薄、回彈等現(xiàn)象，評估板料的成形性能，指導實際生產(chǎn)。

本文以形狀較復雜的割草機底盤為例，用Dynaform軟件對其拉深過程進行數(shù)值模擬，以影響成形質量的最大減薄量和最小增厚量作為評價指標，研究壓邊力、沖壓速度、摩擦系數(shù)和拉延筋阻力系數(shù)等工藝參數(shù)對該拉深件沖壓質量的影響，以獲得滿意的參數(shù)組合。

模擬過程

拉深件分析

圖1 為某割草機的底盤模型，外形輪廓尺寸約910mm×650mm×250mm，壁厚1.5mm，屬于大尺寸、深拉深件，成形比較困難，因此需選用塑性好、拉深性能優(yōu)良的深沖壓冷軋薄鋼板，如08 冷軋鋼，模擬選材力學性能如表1 所示。為使底盤壁厚均勻，減少開裂和褶皺的風險，模具設計上要增加壓邊圈和拉延筋等輔助工具。

圖1 某割草機的底盤模型

表1 板料的部分屬性和性能參數(shù)

前處理

利用UG、SolidWorks、Catia 等三維造型軟件，創(chuàng)建出底盤模型、拉深凹模和拉延筋，導入到?jīng)_壓仿真Dynaform 軟件中。底盤模型網(wǎng)格化后，用“毛坯尺寸估算”命令，生成毛坯并網(wǎng)格化；凹模網(wǎng)格后，通過“偏置”命令生成凸模，凹凸模單邊間隙為1.65 mm，依靠凸模分離出壓邊圈。

快速設置及求解

通過“自動設置”命令設沖壓方式為正裝雙動，定義和定位凹模、凸模、板料等工具，在工序選項卡中對壓邊力、沖壓速度、摩擦系數(shù)等進行參數(shù)設置；利用“拉延筋定義”命令定義拉延筋、設置阻力系數(shù)等參數(shù)；最后提交工作到求解器進行數(shù)值模擬計算；圖2 為底盤拉深模具各工具組成圖。

圖2 底盤模具組成示意圖

后處理

軟件提供的后處理功能顯示拉深過程中的數(shù)據(jù)、圖表、動畫等，可以定量分析拉深中板坯厚度變化，從成形極限圖、厚度變化圖，判斷拉深圓角過渡區(qū)有無破裂和凸緣褶皺情況，然后通過調整沖壓工藝參數(shù)再進行仿真優(yōu)化。

工藝參數(shù)對拉深質量的影響

壓邊力

壓邊圈對板坯施加的壓邊力對拉深工件成形具有相當大的影響。一般來講，壓邊力越大，板料向內流動的阻力越大，零件成形越充分。但壓邊力過大，對模具施加的法向壓力不斷增大，會阻礙金屬在模具內的流動，對成形能力產(chǎn)生影響，工件底部圓角過渡處開裂的風險加大。壓邊力越小，板坯向內流動的阻力越小，越有利于直壁及其相鄰圓角部分材料的流入，但凸緣處起皺的幾率也越大。

對于壓邊力的確定，一般采用經(jīng)驗公式F=PA 進行估算，F(xiàn) 為壓邊力，P 為壓強，A 為板坯與壓邊圈的接觸面積。割草機底盤模具中，A 約0.2m2，P 取2.5MPa，計算出壓邊力約為500kN。由于零件形狀復雜，需通過軟件模擬出合適的壓邊力。

當凸模沖壓速度設為5m/s，凹凸模與板坯間的摩擦系數(shù)為0.1，拉延筋阻力系數(shù)為0.2 時，隨著壓邊力的增加，模擬出底盤壁厚的最大值和最小值如圖3 所示。零件最薄處厚度變化隨著壓邊力增加呈現(xiàn)整體下降趨勢，當壓邊力為100kN 時減薄到0.962mm，隨后有所回升，150kN 時達到最大值0.970mm；此后逐漸下降，當壓邊力為175kN 時壁厚為0.956mm；而后隨壓邊力的增加，呈現(xiàn)小幅度波動，當壓邊力為500kN時壁厚降低到0.883mm。零件最大壁厚隨壓邊力增加，先升高然后迅速下降，施加50kN 壓邊力時，最大壁厚為2.16mm，75kN 時上升到2.41mm，而后迅速下降，175kN 時1.83mm，此后呈現(xiàn)小幅度波動。

圖3 壓邊力對零件最小壁厚和最大壁厚的影響曲線

圖4是壓邊力分別為50kN、75kN、100kN和500kN時模擬出的零件厚度變化圖，紅色代表板坯減薄有破裂的風險，藍色代表板坯增厚起皺，綠色表示板坯厚度變化小，黃色表示板坯略微減薄。從圖中看到在不同壓邊力下，零件有破裂風險的區(qū)域并不多，只在底部圓角過渡處有破裂風險，而在凸緣處有增厚情況，如圖4(a)中圓圈內所示。當壓邊力低到50kN 時，凸緣處才發(fā)生明顯褶皺，其余較大的壓邊力作用下凸緣平整，幾乎無褶皺；壓邊力增加到75kN 時，如圖4(b)所示，零件底部大范圍黃色區(qū)域，顯示板坯發(fā)生減??；壓邊力100kN 時，如圖4(c)所示，零件大部分為綠色安全顯示；壓邊力500kN 時，材料流動性變差，帶來的后果是底盤底部局部減薄到0.883mm，直接被撕裂，見圖4(d)。

圖4 不同壓邊力模擬的零件厚度變化圖

因此為獲得較好的成形質量，應該選擇減薄和增厚程度都較輕，增減厚度不超過30%，并且直觀上無起皺的壓邊力參數(shù)。根據(jù)以上模擬結果，選擇150kN 的壓邊力，減薄和增厚值分別為0.970mm 和1.976mm，基本滿足成形要求。

沖壓速度

凸模的沖壓速度也會對金屬的沖壓成形產(chǎn)生影響，一般情況下，隨著沖壓速度的增大，材料的變形抗力也隨之加大，從而使得沖壓過程中受力增加，這樣容易導致零件破裂，影響成形，然而沖壓速度較小時，生產(chǎn)效率低，沖壓速度一般取1 ～5m/s。

圖5 所示壓邊力為100kN，摩擦系數(shù)為0.10，拉延筋阻力系數(shù)為0.2 時，不同的沖壓速度下模擬出的零件厚度變化曲線。從圖中可以看到，由于形狀的復雜性，零件最大和最小壁厚的變化并不是單調遞增或遞減。沖壓速度低于4m/s 時，最小和最大壁厚變化緩慢；達到5m/s 時，最大壁厚突然下降，達到最小值；而后隨著沖壓速度增加，最小和最大壁厚都在增加。這與沖壓速度增加，最小壁厚減少的結論有所不同，原因可能源于零件復雜的形狀。綜合考慮，為使零件獲得較高拉深質量，有較小的減薄和增厚值，沖壓速度取5m/s。

圖5 沖壓速度對最小壁厚和最大壁厚影響曲線

摩擦系數(shù)

凹、凸模與板坯間的摩擦系數(shù)過大，會增加拉深材料的流動阻力，從而導致成形破裂。摩擦系數(shù)過小，材料流動不可控，從而導致成形不充分。在實際生產(chǎn)中通常通過涂抹潤滑油等方式改變板坯與模具之間的摩擦力，減少板坯變形阻力和延長模具使用壽命。在仿真時，可通過改變摩擦系數(shù)達到改變板坯與模具之間的相互摩擦作用。板坯與模具之間的摩擦系數(shù)范圍一般取0.05 ～0.15。

圖6 是壓邊力設定為10kN，沖頭速度為5m/s，拉延筋阻力系數(shù)為0.2，摩擦系數(shù)分別是0.075、0.10、0.125 和0.15 時，模擬出的零件拉深后最小和最大壁厚變化曲線。從中可以看出，隨著摩擦系數(shù)的增大，零件最小和最大壁厚同時單調遞減。摩擦系數(shù)為0.050 時，最小壁厚最大，為1.04mm，而最大壁厚2.50mm 也達到極大，起皺嚴重，如圖7(a)所示，此摩擦系數(shù)下，拉深零件整體呈現(xiàn)減薄的趨勢；摩擦系數(shù)為0.075 時，減薄程度減輕，如圖7(b)所示；當摩擦系數(shù)為0.15 時，最大壁厚為1.98mm，零件大部分顯示安全的綠色，如圖7(c)所示，但底部最小壁厚為0.880mm，事實上該處已開裂。因此為獲得良好的成形質量，不宜選取最大的摩擦系數(shù)和最小摩擦系數(shù)，選取摩擦系數(shù)0.10 為宜。

圖6 摩擦系數(shù)對最小壁厚和最大壁厚影響曲線

圖7 不同摩擦系數(shù)模擬的零件厚度變化圖

拉延筋阻力系數(shù)

在拉深過程中，拉延筋對于防止起皺和開裂起著重要的作用。阻力系數(shù)設置合理的拉延筋，不但能提高成形穩(wěn)定性，減少質量問題的發(fā)生，還可保證零件的剛性，并能在一定程度上提高材料利用率。設定壓邊力為100kN，沖壓速度為5m/s，摩擦系數(shù)為0.10，不同的拉延筋阻力系數(shù)對拉深質量的影響見圖8 和圖9。隨著拉延筋阻力系數(shù)增大，最小壁厚單調遞減，但最大增厚值變化復雜。無拉延筋時，零件最小壁厚和最大壁厚分別為1.06mm 和2.01mm，開裂風險小和起皺不明顯，但底部不平整，如圖9(a)所示；隨著拉延筋阻力系數(shù)增大，最小壁厚不斷減少，當阻力系數(shù)為0.1 時，最大壁厚達到一個極大值2.09mm，且底部略微不平整，如圖9(b)所示；當阻力系數(shù)為0.5時，最大壁厚值最大，為2.19mm，最小壁厚值降低到0.586mm，事實上底部圓角處已經(jīng)開裂。綜合考慮，選取拉延筋阻力系數(shù)0.2 較為合適。

元曲四大家指關漢卿、白樸、鄭光祖、馬致遠四位元代雜劇作家，四者代表了元代不同時期不同流派雜劇創(chuàng)作的成就。

南戲之祖《琵琶記》，元末南戲，高明撰，寫漢代書生蔡伯喈與趙五娘悲歡離合的故事。

圖8 拉延筋系數(shù)對最小和最大壁厚變化曲線

圖9 不同拉延筋阻力系數(shù)下模擬的零件厚度變化

參數(shù)優(yōu)化后的零件拉深質量分析

根據(jù)有限元模擬和分析，為保證底盤零件成形質量較高，最優(yōu)的成形工藝可確定為壓邊力為150kN，沖壓速度為5m/s，摩擦系數(shù)為0.10，拉延筋阻力系數(shù)為0.2。拉深后成形極限圖和厚度變化圖如圖10所示。零件凸緣處起皺明顯，但增厚最大值1.976mm，大于板坯1.5mm 厚度的30%，可以接受。零件底部圓角處，圖10(a)黃色小區(qū)域所指示位置，壁厚值0.967mm，開裂風險較小。

圖10 拉深參數(shù)優(yōu)化后零件拉深成形極限圖和厚度變化圖

結束語

本文針對某除草機底盤拉深過程中出現(xiàn)的起皺、破裂現(xiàn)象，利用 Dynaform 沖壓軟件研究了影響零件成形的壓邊力、沖壓速度、摩擦系數(shù)和壓邊圈阻力系數(shù)，研究結果表明：隨著壓邊力增大，零件成形質量有逐漸提高的趨勢，起皺程度減小，但破裂風險增大；較小的沖壓速度對零件成形質量影響較小，破裂的風險不大，沖壓速度較大時，起皺程度增大；隨著摩擦系數(shù)增大，底部開裂風險趨勢明顯加大，而凸緣起皺呈下降趨勢；采用拉延筋能夠提高零件成形質量，拉延筋阻力系數(shù)增大，零件底部開裂風險升高。