輪罩外板的沖壓數(shù)值模擬與拉延筋優(yōu)化

沙 海，胡建華，羅 昱，陳 昶

（武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

輪罩外板的沖壓數(shù)值模擬與拉延筋優(yōu)化

沙 海，胡建華，羅 昱，陳 昶

（武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

以某型汽車的輪罩外板為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行沖壓模擬仿真，發(fā)現(xiàn)在其法蘭部分存在起皺風(fēng)險(xiǎn)，在拉延深度較大的內(nèi)弧側(cè)存在拉裂風(fēng)險(xiǎn)。采用增設(shè)拉延筋的方式對(duì)成形過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)分析對(duì)比整圈拉延筋和分段拉延筋兩種形式，得出分段拉延筋更有利于零件成形。對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使零件缺陷消失，成形質(zhì)量良好，為輪罩外板的模具設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

拉延成形；輪罩外板；數(shù)值模擬；起皺；拉裂；分段拉延筋

輪罩外板位于車輪部位的車身外側(cè)，起到減少風(fēng)阻系數(shù)的作用，使車輛行駛更平穩(wěn)[1]。它屬于結(jié)構(gòu)件，對(duì)外觀表面的要求不很高，但對(duì)零件尺寸精度和強(qiáng)度要求比較高。輪罩外板由于自身結(jié)構(gòu)原因存在成形困難的部位。本文利用AutoForm軟件模擬預(yù)測(cè)成形中的缺陷，分析出各種工藝參數(shù)對(duì)零件成形質(zhì)量的影響，并針對(duì)缺陷問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)。結(jié)果用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率。

1 沖壓工藝分析

輪罩外板零件圖如圖1所示，所用材料為深沖用鋼DC05，抗拉強(qiáng)度高，韌性好，適用于汽車零部件要求較高的部位。材料性能參數(shù)表如表1所示。料厚為0.7 mm，零件的外形輪廓尺寸為910 mm×580 mm×160 mm。

圖1 輪罩外板零件

表1 DC05材料性能參數(shù)

輪罩外板零件形狀較復(fù)雜，考慮到空氣流體力學(xué)[2]，在設(shè)計(jì)輪罩外板時(shí)在板料形狀的拱形弧線向外有突出，拉延傾斜角較大，零件的內(nèi)弧側(cè)A處拉延深度較大，此部位可能產(chǎn)生拉裂；在零件的外側(cè)法蘭邊界位置B處拉延深度較小，可能產(chǎn)生起皺缺陷。此部位屬于零件成形較困難的部分。

輪罩外板在零件邊緣分布有14個(gè)孔，內(nèi)弧側(cè)有兩處翻邊，經(jīng)分析可通過(guò)拉延－修邊沖孔－斜楔沖孔－翻邊整形4步工序成形，而第一步拉延工序的設(shè)計(jì)合理與否往往決定了后續(xù)零件的成形質(zhì)量好壞，需要對(duì)其重點(diǎn)研究。

2 沖壓模擬仿真

2.1 壓料面和工藝補(bǔ)充面的確定

為實(shí)現(xiàn)零件拉延成形，需將零件的孔洞進(jìn)行填充，使零件的壓料面、工藝補(bǔ)充面、零件組成封閉的形狀[3]。壓料面要盡可能平順與零件外形一致，保證進(jìn)料不發(fā)生皺疊；而工藝補(bǔ)充面在后續(xù)工序中要切除掉，所以要盡可能的減少。

以該零件的法蘭面作為壓料面進(jìn)行延伸擴(kuò)展，法蘭面的局部凹形處進(jìn)行平滑過(guò)渡[4]，工藝補(bǔ)充面在零件的內(nèi)弧側(cè)隨凹口形狀平順設(shè)計(jì)，補(bǔ)充完畢的拉延造型圖如圖2所示。

2.2 模擬結(jié)果與分析

進(jìn)行沖壓模擬仿真時(shí)的板料設(shè)計(jì)如圖3所示。在矩形板料的基礎(chǔ)上對(duì)法蘭部分進(jìn)行弧狀延伸，對(duì)零件的內(nèi)弧側(cè)進(jìn)行弧狀剪切，保證弧側(cè)的板料流動(dòng)，防止內(nèi)弧側(cè)拉延深度較大部位產(chǎn)生破裂。壓邊力經(jīng)計(jì)算為750kN，摩擦系數(shù)為0.15。首先采取無(wú)拉延筋的形式，初步模擬結(jié)果如圖4所示。

圖2 工藝補(bǔ)充面和壓料面造型圖

圖3 板料形狀尺寸

圖4 模擬結(jié)果

由圖4可以看出，零件幾乎沒(méi)有破裂風(fēng)險(xiǎn)，但零件四周的起皺現(xiàn)象比較嚴(yán)重，特別是零件的拱形弧側(cè)和法蘭部分，僅憑壓邊力的作用不足以使零件成形質(zhì)量良好[5]，而通過(guò)添加拉延筋的方式可以控制和減輕零件的起皺。拉延筋可以通過(guò)調(diào)整局部的拉應(yīng)力進(jìn)而調(diào)節(jié)進(jìn)料阻力的大小，改善板料的流動(dòng)情況。

3 改進(jìn)與優(yōu)化

3.1 整圈拉延筋

因?yàn)檎咏钜子谥圃?，方便修模，所以在設(shè)計(jì)拉延筋時(shí)首先選擇整圈拉延筋。拉延筋的設(shè)計(jì)方式如圖5所示，成形結(jié)果如圖6所示，零件的減薄率分布圖如圖7所示。

從圖6可以看出，經(jīng)過(guò)整圈拉延筋設(shè)計(jì)后零件的整體起皺情況得到改善，法蘭區(qū)域B部分的灰色和藍(lán)色區(qū)域減少，拱形弧側(cè)的起皺趨勢(shì)也得到抑制，而且增大這些區(qū)域的拉延筋阻力可以取得更好的減少起皺的效果。但是從圖7可以看出零件的內(nèi)弧側(cè)右邊緣部位減薄率過(guò)大，可能發(fā)生破裂，最大減薄率為30.8%，遠(yuǎn)大于安全標(biāo)準(zhǔn)要求的25%的范圍，這是因?yàn)榇宋恢锰幚由疃容^大，零件的外形與板料的收縮形狀不一致，導(dǎo)致了板料流動(dòng)困難，造成此位置處的減薄率過(guò)大，因此可以減少此處的拉延筋阻力或者不設(shè)置拉延筋來(lái)減少及消除此位置的破裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 拉延筋的布局

圖6 整圈拉延筋的成形結(jié)果

圖7 零件的減薄率分布

3.2 整圈拉延筋的改進(jìn)

根據(jù)上述分析，對(duì)整圈拉延筋進(jìn)行分段優(yōu)化，將法蘭部位的阻力系數(shù)從0.15增大到0.3，即拉延筋阻力由31.4 N/mm增大到73.4 N/mm；而內(nèi)弧側(cè)的拉延筋阻力系數(shù)則從0.15減少到0.05，即拉延筋阻力減少至10.5 N/mm。改進(jìn)后的拉延筋設(shè)計(jì)如圖8所示，成形結(jié)果和零件的減薄率如圖9和10所示。

圖8 整圈拉延筋改進(jìn)

由圖9可以看出，對(duì)整圈拉延筋改進(jìn)后零件法蘭部分的起皺基本消失，拉延筋阻力變大后控制法蘭部位流動(dòng)的能力變強(qiáng)；從圖10可以看出，減少右側(cè)內(nèi)弧的拉延筋阻力后，板料的減薄率有所下降，但最大減薄率為27.1%，也超過(guò)安全范圍25%，因此必須繼續(xù)減少直至完全去掉此位置處的拉延筋，而零件的左側(cè)內(nèi)弧沒(méi)有減薄率過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn)，考慮到加工拉延筋的方便與加工成本[6]，可以去掉內(nèi)弧側(cè)整段的拉延筋，將拉延筋整圈改為分段拉延筋來(lái)成形。

圖9 改進(jìn)后的的成形結(jié)果

圖10 改進(jìn)后的零件減薄率分布

3.3 分段拉延筋的設(shè)計(jì)

分段拉延筋的設(shè)計(jì)分為3段，1處的拉延筋阻力系數(shù)為0.35，法蘭部分形狀有凹陷所以將其分為2和3兩段，且增大此處的拉延筋阻力，拉延筋阻力系數(shù)分別設(shè)置為0.45和0.5，分段拉延筋的布局如圖11所示，成形結(jié)果和零件的減薄率分布如圖12和圖13所示。

圖11 分段拉延筋的布局

圖12 分段拉延筋的成形結(jié)果

圖13 零件的減薄率分布

從圖12可以看出，去除零件內(nèi)弧側(cè)的拉延筋后零件的成形質(zhì)量反而變差，這說(shuō)明多段拉延筋之間是相互影響的，不能單獨(dú)認(rèn)為成形質(zhì)量好就不需要設(shè)置拉延筋。去除內(nèi)弧側(cè)的拉延筋后即使加大法蘭部分的拉延筋阻力，零件的起皺部分依然很大，料片還是會(huì)發(fā)生竄動(dòng)[7]。而從圖13可以看出零件兩側(cè)的減薄率變大，最大減薄率分別為27.8%、29.5%，超過(guò)允許范圍，內(nèi)弧側(cè)沒(méi)有拉延筋的牽制只靠法蘭部分的拉延筋控制，使得料片在這兩個(gè)位置集聚，板料的流動(dòng)性能變差，造成了過(guò)度減薄風(fēng)險(xiǎn)，因此綜合考慮需要在內(nèi)弧側(cè)增加拉延筋來(lái)改善成形結(jié)果。

3.4 分段拉延筋的改進(jìn)

經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的拉延筋布局如圖14所示，原本3條拉延筋的阻力系數(shù)不變，增加一條阻力系數(shù)為0.25的拉延筋。改進(jìn)后的成形結(jié)果和零件的減薄率分布如圖15、圖16所示。

圖14 改進(jìn)后的拉延筋的布局

圖15 改進(jìn)后的的成形結(jié)果

圖16 改進(jìn)后的零件減薄率分布

由圖15可見(jiàn)，增加內(nèi)弧側(cè)的拉延筋后，零件的成形質(zhì)量大大提高，各部位拉延筋的共同作用使零件法蘭部分的起皺缺陷基本消除，零件的破裂風(fēng)險(xiǎn)消失。從圖16可以看出，零件位于內(nèi)弧側(cè)兩端的最大減薄率分別為24%和22.2%，都在25%的允許范圍內(nèi)，這是因?yàn)樵黾恿艘粭l內(nèi)弧側(cè)的拉延筋后改善了兩端的材料流動(dòng)，內(nèi)弧側(cè)板料的收縮性變好[8]，零件不會(huì)發(fā)生減薄率過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn)，成形質(zhì)量良好。

以此參數(shù)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)與實(shí)際生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)試模效果與模擬結(jié)果基本一致，產(chǎn)品符合零件的技術(shù)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

利用Autoform軟件對(duì)左后輪罩外板進(jìn)行沖壓模擬仿真，根據(jù)初步模擬情況對(duì)零件的起皺和拉裂缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析產(chǎn)生缺陷的原因，對(duì)拉延筋進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，通過(guò)調(diào)整拉延筋方式和拉延筋阻力使零件的缺陷消失，成形質(zhì)量得到改善。對(duì)實(shí)際的模具設(shè)計(jì)與生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

[1]賈 倫，王 蕾.基于 FASTAMP的汽車覆蓋件拉延模具設(shè)計(jì)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48（4）：69-71.

[2]胡道春.基于數(shù)值模擬的筒蓋沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2015，50（1）：76-78.

[3]肖良紅，羅慧娜，向俊仲，等.基于Autoform的轎車行李箱內(nèi)板成形工藝優(yōu)化[J].鍛壓技術(shù)，2014，39（6）：60-64.

[4]吳玉娟，程萬(wàn)軍，黃福天，等.基于Autoform的汽車左右側(cè)圍內(nèi)板前段成形的數(shù)值模擬[J].模具工業(yè) ，2013，39（9）：37-43.

[5]高 健，魏憲波，韋興民，等.汽車左右后輪罩外板成形性分析及工藝設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代制造工程，2013，（8）：64-67.

[6]李 英，焦洪宇，牛曙光.基于Autoform-Sigma的汽車頂蓋后橫梁沖壓工藝參數(shù)優(yōu)化[J].鍛壓技術(shù)，2015，40（9）：16-20.

[7]李 恩.汽車前輪罩拉深成形工藝研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

[8]郝紅艷.基于Autoform的汽車覆蓋件拉深成形數(shù)值模擬研究[J].模具工業(yè)，2009，35（1）：41-45.

[9]李春友.基于Autoform的加強(qiáng)板沖壓工藝仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].熱加工工藝 ，2013，42（3）：90-93.

[10]翁茂榮，李 強(qiáng)，曹淼龍.汽車前地板單動(dòng)拉延成形工藝分析與數(shù)值模擬[J].鍛壓技術(shù)，2015，40（5）：48-51.

Stamping numerical simulation and drawbead optimization for outer panel of wheel cover

SHA Hai,HU Jianhua,LUO Yu,CHEN Chang
（School of Materials Science&Engineering,Wuhan University of Technology, Wuhan 430070,Hubei China）

Taking the outer panel of wheel cover of some model of vehicle as the research object,the stamping simulation has been conducted.It is found that the wrinkle risk exists in the flange part and tension fracture risk occurs in inner arc side with bigger drawing depth.The drawbead has been added to improve the forming process.By comparative analysis of the whole circle drawbead and section drawbeads,it is obtained that the section drawbead is betterfor forming.The optimized design has been conducted to eliminate the part defects with good forming quality,which provides theoretical reference for tool design of outer panel for wheel cover.

Outer panel of wheel cover;Stamping simulation;Wrinkle;Tension fracture;Section drawbeads

TG386.1

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.025

1672－0121（2016）04－0081－04

2016－03－05；

2016－04－27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51475345）；華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金課題項(xiàng)目（P2015－01）作者簡(jiǎn)介：沙 海（1991－），男，碩士在讀，主攻板料成形數(shù)值模擬。E－mail：13307149718＠163.com