基于Dynaform的油底殼一次拉深成形探究

覃 天，胡建華，蘇廣才，呂超珍

（1.廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械系，廣西 南寧 530001；2.柳州五順汽車配件廠，廣西 柳州 545005；3.廣西大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

CN100 汽車發(fā)動機油底殼，是非常典型的“龍門口”類型的板料沖壓拉深零件（如圖1所示）。這種類型的零件變形程度大，尺寸精度高，拉延深度深為145 mm。拉深變形時的受力情況、金屬變形情況以及流動規(guī)律都極為復(fù)雜[1]，而且金屬板料沖壓的時候，容易出現(xiàn)起皺、破裂、減薄、未充分拉深和出現(xiàn)回彈量過大的問題[2]。在油底殼成形工序中，拉深是其中最為關(guān)鍵與最核心的部分。

圖1 油底殼零件結(jié)構(gòu)示意圖

由于CN100汽車發(fā)動機油底殼是典型的“龍門口”類型的板料沖壓拉深零件，拉深次數(shù)的多少，與企業(yè)的生產(chǎn)成本是直接關(guān)聯(lián)的。因此，為了得到CN100 汽車發(fā)動機油底殼最佳的拉深工藝方案，本文探討了一次拉深成形工藝方案的可行性。

1 展開獲得坯料輪廓線

合理地確定油底殼毛坯的尺寸及其形狀非常重要，像油底殼這種“龍門口”類型的零件，拉伸的時候各處變形的不均勻，會導(dǎo)致工件型腔進料的不均勻，所以零件的品質(zhì)相對是難以控制的[3]。因此，對零件的沖壓毛坯在大批大量生產(chǎn)之前，就應(yīng)該對其形狀進行優(yōu)化設(shè)計，提高板料的成型品質(zhì)[4]，獲得表面品質(zhì)高并且板厚變化均勻的零件。

Dynaform 發(fā)展到5..5的版本時，增加了“BSE”即“坯料工程”，可以幫助用戶準(zhǔn)確地預(yù)測出毛坯的外形尺寸，幫助用戶縮短計算毛坯的時間，縮短制造的周期[5]。零件展開后所得到的毛坯展開線，如圖2所示；毛坯的長度與寬度，如圖3所示。

圖2 毛坯展開輪廓線

2 工藝方案

此方案參照Dynaform“坯料工程”里面展開的坯料輪廓線，以該輪廓作為邊界做出板料拉深件的毛坯（如圖4所示），在理論上最合理，最省材料，最后沖壓得出的結(jié)果，切邊的外輪廓與零件成型的基本一致[6]，在理論上最可行。

工藝參數(shù)：板料厚度為1.5 mm，凸凹模間隙一般取板料厚度的1.1 t，所以凸凹模間隙1.65 mm，摩擦系數(shù)在Dynaform 中，鋼與鋼之間的摩擦系數(shù)采用的是0.125，虛擬沖壓速度2 000 mm/s。

圖4 方案毛坯

圖5 方案成形極限圖

圖6 方案板料減薄量圖

在油底殼的側(cè)面取節(jié)點70 887（如圖5），背面取節(jié)點64 885（如圖5），這兩個節(jié)點均為隨機選取，詳細(xì)探討引起油底殼大面積破裂的應(yīng)力因素。

圖8是節(jié)點70 887的正應(yīng)力分量σxx,σyy,σzz,在X，Y，Z方向上隨時間變化的曲線圖。追蹤節(jié)點70 887從沖壓開始到?jīng)_壓結(jié)束的運動軌跡（如圖7所示）。

圖7 節(jié)點70 887 軌跡圖

圖8 節(jié)點70 887 在XX、YY、ZZ方向的正應(yīng)力

在成形極限圖中觀測該節(jié)點，發(fā)現(xiàn)當(dāng)動畫運行到第9 幀的時候（如圖9所示），時間點為0.013 108 s（表1），油底殼側(cè)面還沒有裂，只是有破裂的趨勢，而當(dāng)動畫運行到第10 幀（如圖10），時間點為0.016 641 s（表1），發(fā)現(xiàn)油底殼側(cè)面已經(jīng)裂開，在圖8中觀測到在該時間點Z方向的應(yīng)力達到一個極大值，約為780 MPa，在該時間點X方向的應(yīng)力約380 MPa，在Y方向的應(yīng)力約為30 MPa，在X、Y、Z 這3個方向上的應(yīng)力關(guān)系為根據(jù)此可推斷Z方向的應(yīng)力是油底殼產(chǎn)生破裂的主要因素。

圖9 節(jié)點70887 第9 幀的成形極限圖

圖10 節(jié)點70 887 第10 幀的成形極限圖

圖12是節(jié)點64 885的正應(yīng)力分量σxx,σyy,σzz,在X、Y、Z方向上隨時間變化的曲線圖。追蹤該節(jié)點64 885 從沖壓開始到?jīng)_壓結(jié)束的運動軌跡(如圖11)。在成形極限圖中觀測該節(jié)點，發(fā)現(xiàn)當(dāng)動畫運行到第9 幀（如圖13所示），時間點為0.013 108 s（如表1所示），油底殼側(cè)面還沒有裂，也只是有破裂的趨勢，而當(dāng)動畫運行到第10 幀（如圖14所示），時間點為0.016 641 s（如表1所示），發(fā)現(xiàn)油底殼側(cè)面已經(jīng)裂開，在圖12中觀測到在該時間點Z方向的應(yīng)力，約為700 MPa，而在該時間點X方向的應(yīng)力約100 MPa，在Y方向的應(yīng)力約為420 MPa，在X、Y、Z 這3個方向上的應(yīng)力關(guān)系為根據(jù)此可推斷，Z方向的應(yīng)力是油底殼產(chǎn)生破裂的主要因素。

圖11 節(jié)點64 885 軌跡圖

圖12 節(jié)點64 885 在XX、YY、ZZ方向的正應(yīng)力

圖13 節(jié)點64885 第9 幀的成形極限圖

圖14 節(jié)點64885 第10 幀的成形極限圖

表1 成形極限圖每一幀圖所對應(yīng)的時間

3 結(jié)束語

從各節(jié)點3個方向的應(yīng)力曲線圖可以看出，造成零件材料破裂的主要應(yīng)力，是來自各個節(jié)點Z方向的應(yīng)力，分別為780 MPa、700 MPa。另外一個原因，是最大應(yīng)力與最小應(yīng)力相差懸殊，從而引起破裂。從表2可以看出，在破裂的瞬間，節(jié)點70 887 Z方向的應(yīng)力比最小的應(yīng)力大750 MPa，節(jié)點64 885 Z方向的應(yīng)力比最小應(yīng)力大600 MPa。

表2 節(jié)點在3個方向的應(yīng)力

在本方案明顯可以看出，油底殼一次性沖壓成形的可能性微乎其微，因為成形過程中破裂太嚴(yán)重，破裂的主要區(qū)域來自深盒區(qū)域，而且出現(xiàn)大面積拉裂的部位，基本是出現(xiàn)在深盒中段部位，改良的前景不太樂觀，所以否決了油底殼的一次拉深成形的方案。

考慮采用二次拉深成型的可行性。在二次成形的結(jié)果，要重點考慮深盒部分，深盒容易拉裂，因為其深度達到145 mm。在考慮拉深工藝的時候，首先把深盒部分先拉出一部分，這個作為第一步，然后第二次拉深的時候，再完整第把整個油底殼完整的拉出來，以此作為拉深工藝的初步設(shè)想。

[1]龔紅英，何丹農(nóng)，張質(zhì)良.計算機仿真技術(shù)在現(xiàn)代沖壓成形過程中的應(yīng)用[J].鍛壓技術(shù)，2003，（5）：35-38.

[2]汪 銳，鄭曉丹，等.復(fù)雜零件多道次拉深成形的計算機數(shù)值模擬[J].塑性工程學(xué)報，2001，（6）：17-19.

[3]J Woodthorpe，R Pearce.The Anomalous Behavior of Aluminum sheets under Balanced Biaxial Tension [J].International Journal of Mechanical Science，1970，（12）：341-360.

[4]R Hill.Plasticity Theory of Textured Aggregates [J].Proceeding of Camb.Phil.,1979，（85）：150-179.

[5]彭穎紅.金屬塑性成形數(shù)值模擬技術(shù)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1999.

[6]鐘志華，李光耀，等.薄板沖壓成型過程的計算機數(shù)值模擬與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.