壓邊力對消除后圍板拉深成形缺陷的研究

柳亞輸，王 榮

拖拉機(jī)覆蓋件具有材料薄、形狀復(fù)雜、自由曲面多、結(jié)構(gòu)尺寸大、表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。一個(gè)覆蓋件的成形往往需要拉深、沖孔、修邊整形等多道工序才能最后完成。拉深是拖拉機(jī)覆蓋件沖壓成形中最為關(guān)鍵的工序。壓邊力是板料拉深成形過程的重要工藝參數(shù)之一,合理控制壓邊力的大小,可以避免起皺、拉裂等缺陷[1]。壓邊力太大會導(dǎo)致拉裂或嚴(yán)重減薄；壓邊力太小則防皺效果不好。

目前，由于數(shù)值模擬軟件可廣泛應(yīng)用于鈑金，沖壓模具領(lǐng)域等而受到企業(yè)青睞[2-4]，很多高校都在進(jìn)行這方面的研究[5-7]。但是我國起步較晚，對于壓邊力對大型覆蓋件拉深成形方面的數(shù)值模擬分析報(bào)道較少。本文對拖拉機(jī)后壁板在不同壓邊力下的拉深成形進(jìn)行數(shù)值模擬，研究如何通過壓邊力消除拖拉機(jī)覆蓋件的起皺、破裂缺陷。

1 數(shù)值模擬流程

本文采用DYNAFORM軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。該軟件可以顯著減少模具開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)間及試模周期，可預(yù)測成形過程中板料的裂紋、起皺、減薄，評估板料的成形性能，從而為板料成形工藝及模具設(shè)計(jì)提供幫助。DYNAFORM采用業(yè)界非常著名的LS-DYNA做求解器，計(jì)算穩(wěn)定，效率高；在完成沖壓分析后，自動(dòng)切換到隱式求解器進(jìn)行回彈分析。在回彈分析過程中，可以采用大的時(shí)間步長，提高回彈的計(jì)算效率。

數(shù)值模擬分析過程分為前置處理和后置處理兩個(gè)部分，其流程見圖1。

首先讀入構(gòu)建的零件數(shù)學(xué)模型（DYNAFORM可以直接導(dǎo)入U(xiǎn)G、CATIA和proe/E等軟件創(chuàng)鍵的數(shù)學(xué)模型。）利用DYNAFORM對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，檢查和優(yōu)化，之后檢查模型的邊界、單元法向是否一致、能否合模等。再依據(jù)工藝和實(shí)際加工確定拉深方向，并構(gòu)建凹模和壓料面，進(jìn)行工藝補(bǔ)充，滿足拉深成形的需要，同時(shí)在壓料面上創(chuàng)建拉延筋。展開凹模和工藝補(bǔ)充部分，得到坯料毛坯的原始形狀，優(yōu)化后劃分有限元網(wǎng)格。定義凹模、凸模、壓料面和毛坯等部件，定義拉延力、摩擦系數(shù)和等效拉延筋，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化工藝參數(shù)，確定最優(yōu)的工藝方案。通過以上步驟就完成了數(shù)值模擬的全部過程。

2 拉深成形數(shù)值模擬的前處理

采用典型的東方紅拖拉機(jī)后壁板件進(jìn)行拉深成形的數(shù)值模擬，該工件尺寸為長886mm，寬660mm，厚度為1.5±0.05mm四周圓角半徑為30mm，凸包處為20×45omm，尺寸較大；形狀復(fù)雜，屬復(fù)雜大型薄壁覆蓋件成形。其工藝流程為，采用矩形毛坯一次拉深成形，然后進(jìn)行修邊、沖孔、沖缺口等其他工序。為防止毛坯產(chǎn)生折皺扭曲現(xiàn)象，要使用壓邊圈壓住毛坯，為了使毛坯變形均勻，需要在壓料面上設(shè)置拉延筋。其中拉深工序是最重要的工序，直接決定制件的最終質(zhì)量，故本文中只模擬板料的拉深過程中壓邊力對板料成形質(zhì)量的影響。

前處理過程為：首先導(dǎo)入利用Pro/E軟件中創(chuàng)建的后壁板模型，然后根據(jù)后壁板模型在Pro/E軟件中創(chuàng)建拉深凹模模型。在本文中，毛坯的尺寸為1240×950mm，凹模圓角半徑為30它的工具圓角半徑值定為6.0mm。凹模在曲面網(wǎng)格化的時(shí)候，其網(wǎng)格參數(shù)最大尺寸設(shè)為30.0mm，角度設(shè)為20.0mm。在DYNAFORM中導(dǎo)入板料和凹模曲面模型，然后通過偏置等處理自動(dòng)生成相應(yīng)的凸模和壓邊圈。選擇自動(dòng)設(shè)置，軟件根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)給出壓邊力、摩擦系數(shù)、凸模和壓邊圈的相對位置等。

液壓機(jī)進(jìn)行拉深成形速度比較慢，一般采用實(shí)際沖壓速度的三倍作為虛擬沖壓速度。在此，將拉延類型設(shè)為Double Action，把沖裁方向設(shè)為Y方向，接觸間隙定為1.6mm，沖壓速度定為10000mm/s，行程設(shè)1110mm，壓邊力用公式計(jì)算為1300KN，預(yù)設(shè)壓邊力為19000KN，然后前處理器輸出dyn和mod格式的文件進(jìn)行計(jì)算求解。

3 不同壓邊力拉深成形的數(shù)值模擬結(jié)果

計(jì)算凸模的運(yùn)動(dòng)行程是1110mm(DYNAFORM自動(dòng)算出的)，根據(jù)公式壓邊力為1400KN，系統(tǒng)自動(dòng)給出的壓邊力為19000KN，取凹模運(yùn)動(dòng)速度為5000mm/s，壓邊圈與凹模之間的間隙1.0mm，摩擦因數(shù)0.1。在保證其他參數(shù)不變的情況下，調(diào)整壓邊力來研究其對制件拉深質(zhì)量的影響。

(1)設(shè)定壓邊力為19000KN，對拉深過程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖3、圖4所示。制件的周邊與圓角相接位置出現(xiàn)了破裂，中間凹槽部位出現(xiàn)輕微的皺縮傾向，制件局部的某些點(diǎn)出現(xiàn)了嚴(yán)重的皺縮現(xiàn)象；在厚度分布圖上（如圖4示），制件的最小厚度為0.829369mm，制件實(shí)際減薄了0.67063mm，變薄率為44.71%；最大厚度為1.641279mm實(shí)際增厚為0.141279mm，增厚率為5.89%，制件出現(xiàn)了局部厚度小于1mm的極薄情況。一般認(rèn)為在成形部分，制件增厚不超過6%,減薄不超20%,都是可以接受的；顯然，壓邊力過大會使制件出現(xiàn)破裂和皺縮傾向，不利于制件的成形。

(2)壓邊力為1250KN時(shí)，對覆蓋件拉深過程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖5、圖6所示。制件局部有輕微的皺縮趨勢，在凹槽處有些微的起皺傾向。制件的最小厚度為1.249457mm，最大厚度為1.597682mm，其變薄率和增厚率分別為19.39%和3.18%，厚度分布非常的均勻，制件合格，壓邊力接近理論壓邊力可以消除破裂、皺縮的缺陷。

(3)壓力為2000KN時(shí)，進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖7、圖8所示。制件上出現(xiàn)局部幾點(diǎn)有破裂傾向，且出現(xiàn)大面積的皺縮；在周邊出現(xiàn)嚴(yán)重起皺現(xiàn)象，凹槽端部周邊出現(xiàn)局部過厚現(xiàn)象，厚度達(dá)到3.154228mm。制件整體減薄嚴(yán)重，制件的最小厚度為1.323929mm，減薄率11.74%，增厚率110.28%；壓邊力比理論壓邊力稍大，導(dǎo)致制件上出現(xiàn)嚴(yán)重的皺縮和減薄的缺陷。

綜上所述并對比(1)、(2)、(3)可知制件破裂的根本原因在于壓邊力過大，使得局部拉深變形抗力大于制件開裂處的材料實(shí)際有效抗拉強(qiáng)度，所以(1)中破裂最嚴(yán)重，(2)沒有破裂，(3)壓邊力接近理論值，只在局部幾點(diǎn)出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。

起皺現(xiàn)象：(3)最為嚴(yán)重，(2)輕微起皺，(1)幾乎無起皺；主要是由于大部分壓邊力集中在金屬變厚的拐角處，直角邊不能得到足夠的壓力來限制金屬流動(dòng)和阻止金屬起皺，所以導(dǎo)致制件起皺大多出現(xiàn)在邊緣區(qū)域。

4 結(jié)語

通過對拖拉機(jī)后壁板在不同壓邊力時(shí)的拉深成形進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)可以通過適當(dāng)減小壓邊力來消除覆蓋件的破裂缺陷，適當(dāng)增大壓邊力可以消除覆蓋件的皺縮、起皺、減薄問題。采用數(shù)值模擬壓邊力可以加快模具設(shè)計(jì)的進(jìn)程，為數(shù)字化優(yōu)化模具設(shè)計(jì)提供參考。

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