基于Dynaform的鋼制車輪輪輻沖壓成形有限元模擬

孫騰

（欽州學(xué)院，廣西欽州535011）

基于Dynaform的鋼制車輪輪輻沖壓成形有限元模擬

孫騰

（欽州學(xué)院，廣西欽州535011）

板料成形技術(shù)是工業(yè)領(lǐng)域中最重要的一種金屬加工方式。利用“分解-綜合”原理，對反拉深成形工步進(jìn)行工藝分析，在對預(yù)拉深成形型面進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)，改進(jìn)了輪輻沖壓成形工藝方案?；贒ynaform沖壓成形軟件，建立了汽車輪輻反拉深有限元模型，并對有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證了優(yōu)化過的模具型面和新工藝路線的合理性和可行性。最后，針對輪輻翻孔成形減薄嚴(yán)重，設(shè)計(jì)了四因素、四水平的正交試驗(yàn)表，通過極差分析找到了一組輪輻軸孔翻邊成形最佳工藝參數(shù)。

輪輻沖壓成形；工藝分析；有限元；正交試驗(yàn)

板料成形技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，其成形過程中通常伴隨著大位移、大變形[1]。大多數(shù)沖壓件成形過程都較為復(fù)雜，其成形過程大都需要反復(fù)試驗(yàn)，造成生產(chǎn)周期過長和人力財(cái)力的大量浪費(fèi)[2-4]。隨著有限元技術(shù)發(fā)展日趨成熟，將制定工藝流程與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合，有利于節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率。高蔚然等人[5]建立了沖壓輪輻三維有限元模型，對輪輻翻孔成形的關(guān)鍵工序進(jìn)行了有限元模擬，驗(yàn)證了有限元模型的可靠性。焦明成等人[6]利用高強(qiáng)度鋼對鋼圈輪輻的成形參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并通過有限元模擬與實(shí)際生產(chǎn)測試結(jié)果相比較，驗(yàn)證了工藝參數(shù)的合理性。路平等人[7]利用ABAQUS軟件建立輪輻三旋壓的錯(cuò)距強(qiáng)力旋壓過程彈塑性有限元模型，并對成形過程進(jìn)行了分析。

汽車輪輻作為汽車車輪中最重要的沖壓件，如果在成形過程中出現(xiàn)成形缺陷，將對汽車整體的可靠性產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。本文基于Dynaform軟件對廣西某廠的汽車輪輻成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并尋找最佳成形參數(shù)，對提高汽車輪輻的成形質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有重要的指導(dǎo)意義。

1 輪輻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其成形工藝分析

1.1 輪輻的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

如圖1所示為某廠汽車輪輻沖壓件，該輪輻形狀輪廓較為復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)具有形狀尺寸大、空間曲面多的特點(diǎn)。為了得到輪輻沖壓件的預(yù)拉深型面和反拉深型面，通過在三維軟件中對輪輻軸孔、螺栓孔等部位進(jìn)行工藝填充，經(jīng)過逆向反推最終得到了模具的CAD型面圖，如圖2和圖3所示。其成形部分可以看成由若干個(gè)直壁、曲面軸對稱形狀構(gòu)成。其成形過程拉深與局部拉延同時(shí)存在，這也是輪輻成形過程中，產(chǎn)生各種變形缺陷的原因。

圖1 輪輻結(jié)構(gòu)圖

圖2 預(yù)拉深模具型面圖

圖3 反拉深模具型面圖

1.2 輪輻成形工藝分析

根據(jù)汽車輪輻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以得出，通過一次拉深成形并不能得到該復(fù)雜形狀的輪輻沖壓件。其沖壓過程主要經(jīng)過預(yù)拉深-反拉深兩步成形，其中反拉深成形過程是否成功，關(guān)系到輪輻沖壓件質(zhì)量是否合格。因此，對汽車輪輻沖壓件采取“分解——綜合”方法進(jìn)行變形分析。

首先依據(jù)汽車輪輻的成形特點(diǎn)將其劃分為三個(gè)單元，即輪輻軸孔凸臺，凸臺周圍的圓柱形小凸包及梯形凸包三個(gè)單元。在反拉深成形過程中，壓邊圈首先下行，壓住預(yù)拉深成形中的板料。凹模向下運(yùn)動(dòng)，對預(yù)成形的板料進(jìn)行反向拉延，直至反拉深沖壓過程結(jié)束。因此，從上述各單元的變形分析可知：輪輻反拉深沖壓成形過程中，三個(gè)變形單元均發(fā)生了不同程度的反向拉深，其中，在雙向拉應(yīng)力的作用下，四個(gè)梯形凸包、軸孔凸臺部分在預(yù)拉深的基礎(chǔ)上均反向拉延了較大的距離。特別是在四個(gè)梯形凸包和四個(gè)直壁小凸臺頂部的過渡圓角處，由于其過渡圓角曲率半徑較小導(dǎo)致材料流動(dòng)阻力過大，且與其它單元既相互制約又相互影響，在徑向和切向拉應(yīng)力作用下，產(chǎn)生雙向拉深形變，同時(shí)也受到彎曲變形，減薄尤為嚴(yán)重。

因此，基于以上變形分析，輪輻反拉深成形中的成形缺陷主要是由于超出了材料的極限拉深系數(shù)而導(dǎo)致輪輻軸孔側(cè)壁、四個(gè)梯形凸包以及輪輻周圍四個(gè)小凸臺的直壁和圓角處出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。連接三個(gè)單元之間的板料不會產(chǎn)生壓縮失穩(wěn)，主要防止拉延破裂。

2 輪輻成形有限元模擬

2.1 有限元模型的建立

隨著有限元理論以及材料本構(gòu)關(guān)系研究的日漸成熟，CAE技術(shù)也迎來了高速發(fā)展，沖壓成形分析軟件Dynaform、Autoform能夠在產(chǎn)品正式投產(chǎn)前就能對金屬板料成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，將產(chǎn)品生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的問題生動(dòng)形象的展現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員面前，很大程度上降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率[8-10]。根據(jù)該廠制定的工藝方案即首先對金屬板料進(jìn)行預(yù)拉深成形再進(jìn)行反拉深，在預(yù)拉深過程中凸臺部分首先拉深12 mm，反拉深成形在預(yù)拉深的基礎(chǔ)上繼續(xù)拉延。為了得到板料在成形過程中的成形信息，本文利用Dynaform軟件建立了汽車輪輻反拉深成形有限元模型。利用Belytschko-Tsay薄殼單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選取SAPH440熱軋鋼本構(gòu)關(guān)系，凸凹模間隙為1.1倍的板料厚度；壓邊力設(shè)定為20×104N，沖壓速為3 000 mm/s.建立反拉深成形有限元模型如圖4所示。

圖4 輪輻反拉深工步有限元模型

通過Dynaform軟件仿真可得板料成形極限圖和減薄圖如圖5中（a）、（b）所示，從反拉深的成形極限圖可知，輪輻在軸孔凸臺側(cè)壁、四個(gè)梯形凸包以及四個(gè)圓柱形小凸臺的過渡圓角處均有較大幅度減薄，其中在輪輻軸孔附近減薄率已達(dá)到91.79%，與廣西某廠實(shí)際生產(chǎn)中次品缺陷處出現(xiàn)的位置相同。根據(jù)“分解——綜合”原理，考慮到四個(gè)梯形凸包以及四個(gè)圓柱形小凸臺均有較大程度的反向拉延，且均與軸孔凸臺位置距離較近，采取先不對輪輻軸孔部位進(jìn)行拉深，采用“先沖孔——再翻邊”的工藝方式來實(shí)現(xiàn)軸孔凸臺翻邊工步。同時(shí)，為了增加材料的流動(dòng)性，將工廠的預(yù)拉深型面曲率半徑由62 mm變?yōu)?5 mm，為反拉深成形工步提供更大的成形裕度，如圖5所示。

圖5 預(yù)拉深型面改進(jìn)前后對比圖/mm

通過對改進(jìn)的模具型面和新的工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行有限元仿真，可以觀察到反拉深工序的成形極限圖和減薄圖，如圖6中（c）、（d）所示，減薄率由91.79%降到了25.23%.同時(shí)通過預(yù)沖孔，再翻邊的工藝也降低了四個(gè)梯形大凸包圓角過渡處、四個(gè)小圓柱形凸臺圓角處材料的流動(dòng)阻力，有效提高了反拉深工步中的輪輻成形的安全裕度，驗(yàn)證了新模具型面及工藝設(shè)計(jì)的合理性。

圖6 改進(jìn)前后的反拉深工步成形極限圖與減薄圖

2.2 基于正交實(shí)驗(yàn)的輪輻軸孔翻邊成形

通過采用“預(yù)拉深-反拉深-沖孔-翻邊”的新工藝方案后，在一定程度上改善了軸孔凸臺側(cè)壁部位的拉裂現(xiàn)象，提高了車輪輪輻成形質(zhì)量，但由圖7中（a）、（b）所示，發(fā)現(xiàn)翻孔工序減薄率最大值為55.5%，雖較原有工藝方案相比有所降低，但仍不能達(dá)到實(shí)際工程要求的標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一步的研究。

正交試驗(yàn)是一種可以通過較少的試驗(yàn)次數(shù)就可以得到各水平最優(yōu)搭配的一種多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[11-13]。本文通過選取對輪輻軸孔成形影響較大的四個(gè)因素（沖壓速度A、預(yù)沖孔直徑B、預(yù)翻孔直徑C、模具間隙D）作為正交試驗(yàn)的四個(gè)影響因子，設(shè)計(jì)四因素、四水平的正交實(shí)驗(yàn)表。同時(shí)，在正交實(shí)驗(yàn)表的基礎(chǔ)上，利用Dynaform對不同工藝參數(shù)組合進(jìn)行數(shù)值模擬，并以Y值來表示仿真的輸出值，即減薄率，如表1所示。最后，利用公式（1）對正交試驗(yàn)表進(jìn)行極差分析來確定最佳成形參數(shù)，如表2所示。

表1 正交表實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 極差分析表

由極差分析表可知，最佳工藝參數(shù)組合為B4、A1、D2、C4，即：預(yù)翻孔33 mm；沖壓速度1.5 m/s；凸凹模間隙3.6 mm；預(yù)翻孔直徑45 mm.通過Dynaform模擬實(shí)驗(yàn)后得到成形極限圖、減薄圖如圖7中（c）、（d）所示，發(fā)現(xiàn)汽車翻孔成形減薄率為18.9%，所以優(yōu)化方案可行。

3 結(jié)束語

根據(jù)“分解——綜合”原理完成了汽車輪輻成形各單元變形分析，掌握每個(gè)單元的變形規(guī)律和特點(diǎn)，確定了沖壓成形時(shí)可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)部位，并設(shè)計(jì)了預(yù)拉深成形——反拉深成形——預(yù)沖孔——翻邊成形的新工藝方案。基于Dynaform軟件對對汽車輪輻的反拉深成形進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過修改預(yù)拉深模具型面、改善成形工藝解決了反拉深成形中板料容易拉裂的問題。最后，針對輪輻翻邊側(cè)壁開裂嚴(yán)重的問題，制定了四因素、四水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表，通過極差分析，找到了一組最佳成形翻邊參數(shù)。

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The Finite Element Simulation of Stamping Process for Steel Wheel Spoke Based On Dynaform

SUN Teng
（Qinzhou University，Qinzhou Guangxi 535011，China）

Sheet metal forming technique is one of the most important forming methods and is widely applied in industrial fields.Adopt“decomposition-comprehensive”method，stamping process and profile for predrawing are optimized.The finite element simulation of car spoke is established and simulated based on dynaform，the rationality and feasibility of the numerical simulation designs are verified.At last，in order to improve thinning and other defects in sheet metal forming，four factors and four levels orthogonal table is designed which has a practical significance for getting a set of parametres through range analysis to improve stamping process for hole flanging.

wheel spoke stamping；process analysis；the finite element；orthogonal experiment

TG386.1

A < class="emphasis_bold">文章編號：1

1672-545X（2017）05-0094-03

2017-02-01

廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（編號：KY2016LX435）；欽州學(xué)院教改項(xiàng)目（編號：2016QYJGB39）

孫騰（1988-），男，助教，研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD/CAM/CAE.