圓筒形件拉延與反拉延成形數(shù)值模擬研究

李海娟，黃昭明，陶 磊

(1.安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械與汽車工程系，安徽 淮南 232007；2.河海大學(xué)文天學(xué)院機械工程系，安徽 馬鞍山 243031)

0 引言

拉延成形是轎車車身覆蓋件成形的關(guān)鍵工序也是多工序板料成形的第一工序，對車身覆蓋件的最終成形影響較大。為此，針對圓筒形件拉延成形時常會發(fā)生拉裂與起皺兩個方向的成形性問題[1-4]，以模擬結(jié)果的成形性為依據(jù)，以典型的深度拉延特征件圓筒形件為研究對象，綜合應(yīng)用CATIA與AutoForm軟件[5]對其拉延成形的工藝過程進行數(shù)值模擬分析[6-7]，通過拉延成形關(guān)鍵工藝參數(shù)的計算確定了拉延系數(shù)、拉延次數(shù)以及拉延力和壓料力大小，并建立其模具的有限元仿真模型，對拉延凹模圓角半徑R、初始料片形狀和沖壓工藝方案進行深入研究，以探索圓筒形件的模具工藝參數(shù)、沖壓工藝方案與拉延成形之間的關(guān)系[8- 9]。

1 拉延成形工藝參數(shù)與計算方法

1.1 材料特性與拉延分析

圓筒形件尺寸外形直徑152 mm，高度35 mm，板料厚度0.8 mm。材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼10，材料主要力學(xué)性能參數(shù)為抗拉強度σb≥335 MPa，屈服強度σs≥205 MPa，伸長率δ≥31%，斷面收縮率ψ≥55%。圓筒形件三維CATIA數(shù)模，如圖1所示。其拉延深度為35 mm、拉延凹模圓角半徑R為3 mm，反拉延臺階為8 mm、反拉延圓角半徑R為3 mm。按工程經(jīng)驗，初定成形工藝方案為OP20拉延、OP30反拉延、OP40整形、OP50切邊。其中OP20的拉延工序的拉延系數(shù)與拉延次數(shù)需要計算確定。

圖1 圓筒形件三維CATIA數(shù)模

1.2 拉延成形主要參數(shù)計算

1.2.1 拉延系數(shù)與拉延次數(shù)計算

有凸緣的拉延件拉延時遵循以下原則：第1次拉延的最大拉延相對高度h/d1大于拉延相對高度h/d時，可以一次拉延出來，否則需要2次或多次拉延。毛坯直徑計算如下：

(1)

式中：D為毛坯直徑(mm)；dφ為拉延后的凸緣直徑(mm)；d為拉延件直徑(mm)；h為拉延高度(mm)；r為拉延件圓角半徑(mm)。

拉延件如圖2所示，通過CATIA數(shù)模測量與計算得到：h=35 mm，dφ=164.3 mm，d=54 mm，R=r=3 mm。應(yīng)用式(1)求得毛坯直徑D為184.4 mm。根據(jù)毛坯相對厚度S/D×100=0.43，凸緣相對直徑dφ/d=3.04，查表得第1次拉延最大拉延相對高度h/d1=0.12～0.15，第1次拉延系數(shù)m1=0.33。拉延相對高度h/d=0.64，故h/d>h/d1，所以核定圖2用一次拉延出不來。根據(jù)毛坯相對厚度S/D×100=0.43，查表得第2次拉延系數(shù)m2=0.78。

計算各次拉延直徑：d1=m1D=60.85 mm；d2=m2d1=47.46 mm。采用2次拉延1次反拉延，對拉延系數(shù)做適當修正。修正后的各次拉延系數(shù)為m1=0.36，m2=0.81。m1是否適當，須核對h/d1后而定。計算修正后兩次拉延直徑：d1=m1D=66.38 mm；d2=m2d1=53.77 mm。

圖2 拉延件圖

按照圖2拉延件圖計算兩次拉延高度h1和h2，其中r1=r2=r=3 mm；防止凹模圓R角坯料被拉裂，先將第1次拉延凹模圓角放大至10 mm，然后第2次拉延到位，則R1=10 mm，R2=R=3 mm，計算如下：

(2)

(3)

經(jīng)計算得到h1=31.8 mm，h2=35 mm，滿足拉延件高度h=35 mm的要求，表明制件能夠被拉延出來。確定制件成形工藝方案為OP20拉延、OP30 2次拉延、OP40反拉延、OP50整形、OP60切邊，其拉延尺寸工藝參數(shù)整理見表1。

表1 OP20拉延與OP30 2次拉延的尺寸工藝參數(shù) 單位：mm

1.2.2 最大拉延力和最大壓料力計算

計算最大拉延力有兩種方法：一是根據(jù)塑性力學(xué)定律求得某一拉延階段的實際應(yīng)力的理論方法，這種方法計算比較復(fù)雜；二是根據(jù)簡化的公式來近似計算的實用方法。企業(yè)中用后一種方法來近似計算最大拉延力，用于核定該工件的拉延力是否超過機床負荷，然后選擇壓力機。

制件最大拉延力可以根據(jù)式(4)近似計算確定。

P=πnlsσb，

(4)

式中：P為最大拉延力(kg)；n為系數(shù)，范圍為0.9～1.10；l為拉延凹模直徑(mm)；S為料厚(mm)；σb為抗拉強度(kg/mm2)。作為普通內(nèi)板件，n取1.0，抗拉強度σb取33.5 kg/mm2，查表得拉延件一次拉延的拉延間隙A為1.3S+δs，其中δs為料厚上偏差，計算l為96.08 mm。應(yīng)用式(4)求得P為8 085 kg。

制件最大壓料力可根據(jù)式(5)近似計算確定。

(5)

式中：Q為最大壓料力(kg)；K為系數(shù)，取1.1～1.4；D為毛坯直徑(mm)；l為拉延凹模直徑(mm)；r凹為凹模圓角半徑(mm)；q為壓料單位面積壓力(kg/mm2)。作為普通內(nèi)板件，K取1.2，查表得r凹為6 mm，鋼性材料q為0.25 kg/mm2。應(yīng)用式(5)求得最大壓料力Q為4 421.3 kg。

2 制件成形數(shù)值模擬與分析

2.1 拉延成形模擬與分析

通過計算確定制件成形工藝方案數(shù)模，如圖3。

OP20拉延工位定義：選擇CATIA模型文件，網(wǎng)格劃分參數(shù)為：容錯公差0.05 mm、最大邊長30 mm；在AutoForm中，依次導(dǎo)入CATIA模型文件零件模型Part、拉延數(shù)模OP20、反拉延數(shù)模OP30以及2D切邊線OP40；工藝過程設(shè)置為：增量法、雙動拉延與1 mm料厚、參考凹模側(cè)；料片定義為：導(dǎo)入定制材料10，壓料力為45 kN；控制參數(shù)設(shè)置為：10 mm初始單元、5級細化等級、殼單元，其他參數(shù)為缺省設(shè)置，至此OP20設(shè)置完成。OP20拉延成形模具有限元模型如圖4(a)所示。該工步有重力Gravity、閉合Closing和拉延Drawing共3個動作。重力動作下，料片blank作用于凹模；壓邊圈binder向下運動500壓住料片，完成閉合動作；然后凸模punch向下運動500與凹模Die閉合，完成拉延動作。OP30二次拉延工位定義方法與OP20相同，其有限元模型，如圖4(b)所示。

OP40反拉延工位定義：在Process generator中添加OP40工序，二次拉延類型、模型修改為OP30；修改OP40拉延模具狀態(tài)，參考OP40 CATIA數(shù)模，并按圖4(c)選擇模具模面；模具與壓力腔閉合，其他參數(shù)為缺省設(shè)置。OP40反拉延成形模具有限元模型如圖4(c)所示。該工步模具的位置與工步過程由第1次閉合Closing1、第2次閉合Closing2和拉延Drawing共3個動作。首先壓料板Pad向下運動500壓住OP20制件Part，完成第1次閉合動作；然后凹模Die向下運動693與壓料板Pad接觸，完成第2次閉合動作；最后凹模Die向下運動與凸模Punch閉合，完成反拉延動作。OP50整形工位有限元模型如圖4(d)所示。OP60切邊工位定義：添加OP50切邊工序，添加零件輪廓線并選擇其作為參考，以輪廓線作為切邊線。該工步模具的工步過程由2D模具切邊完成切邊動作。

(a)OP20拉延 (b)OP30 二次拉延 (c)OP40反拉延 (d)OP50整形 (e)OP60切邊1、2、3、4—凹模圓角半徑R；5—切邊線圖3 計算后確定的工藝方案CATIA數(shù)模

(a)OP20拉延成形 (b)OP30二次拉延 (c)OP40反拉延成形 (d)OP50整形1.OP20壓邊圈；2.OP20凸模；3.OP20凹模；4.OP10料片；5.OP30凹模；6.OP30壓邊圈；7.OP30凸模；8.OP40凹模；9.OP40壓料板；10.OP40壓邊圈；11.OP40凸模；12.OP50凸模；13.OP50凸模；14.OP50凹模圖4 OP20～OP50模具有限元模型

按照計算后確定的工藝方案計算獲得的數(shù)值模擬結(jié)果，如圖5所示。由圖5(f)知，制件最小厚度為0.874 mm，制件未開裂，但由成形極限圖5(g)知，制件存在拉裂風(fēng)險，需要工藝優(yōu)化。

2.2 工藝方案優(yōu)化

制件在拉延過程中存在各向異性現(xiàn)象，即0°、45°和90°方向上的r值不一樣，故會造成材料流入量不一樣的“凸耳”現(xiàn)象，如圖5(a)所示。

“凸耳”現(xiàn)象，可以利用Trim切邊線優(yōu)化模塊模擬現(xiàn)場多次取樣過程。通過定義產(chǎn)品邊界線定義為目標界線，應(yīng)用Trim模塊進行多次自動迭代計算，使拉延后產(chǎn)品邊界不斷逼近產(chǎn)品邊界線，直至達到預(yù)定產(chǎn)品邊界的公差要求。具體操作為：創(chuàng)建trim模塊，選擇初步方案中的規(guī)則圓形料片為目標料片OP10，以零件邊界為參考、以切邊邊界為基礎(chǔ)擴大3 mm作為料片邊界添加目標邊界線，優(yōu)化后的料片如圖6所示，對應(yīng)的切邊優(yōu)化后的數(shù)值模擬結(jié)果與FLD如圖7所示。顯見圓筒形件的開裂現(xiàn)象已經(jīng)得到了較好解決，最終優(yōu)化成功。

圖5 計算后確定的工藝方案數(shù)值模擬結(jié)果與分析

圖6 切邊優(yōu)化后的料片

3 結(jié)語

1)通過計算與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法指導(dǎo)轎車車身鈑金件成形性分析能夠有效減小失敗的概率，可以縮短車身覆蓋件模具的開發(fā)周期。

2)通過拉延成形主要參數(shù)計算得到圓筒形件的拉延分為兩次參數(shù)值分別為：d1=66.38 mm、h1=31.8 mm、r1=3 mm、R1=10 mm，d2=53.77 mm、h2=35 mm、r2=3 mm、R2=3 mm；最大拉延力和最大壓料力分別為：P=8 085 kg，Q=4 421.3 kg。

圖7 切邊優(yōu)化后的模擬結(jié)果與FLD

3)通過圓筒形件仿真計算，獲得的合理工藝方案為：OP10料片，切邊線優(yōu)化；OP20拉延，放大凹模圓角半徑R；OP30二次拉延，減小凹模

圓角半徑R；OP40反拉延，放大凹模圓角半徑R；OP50整形，減小凹模圓角半徑R；OP60切邊。

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