農用卡車油箱下殼拉深工藝分析及優(yōu)化

柳亞輸

（泰州職業(yè)技術學院機電學院，泰州 225300）

0 引言

農用卡車作為最常見的農業(yè)機械，應用范圍非常廣泛，遍布大江南北。油箱是卡車上最重要的部件之一，其質量好壞直接決定著卡車的質量。農用卡車油箱由上下兩個盒形殼體焊接組成，上下盒形殼體采用板料拉深成形的生產工藝。盒形件拉深成形時，經常有起皺和減薄缺陷，這主要是由壓邊力造成的。因此，確定合適的壓邊力成為拉深成形過程中最需要解決的問題。傳統(tǒng)做法是憑經驗制造模具，然后反復試沖、修模，這通常要花費大量的時間、人力和財力；而利用CAE軟件Dynaform5.9對壓邊力進行優(yōu)化，可以大大縮短模具制造的過程，降低模具制造的成本。

1 拉深工藝分析

油箱下殼屬典型的矩形盒形件，形狀簡單，沒有急劇的輪廓變化，各部分的尺寸比例恰當。如圖1所示的下殼體，凸緣的寬度為25 mm，其中10 mm為留下的拉深余量，要切割掉；剩余15 mm為焊接邊，要和油箱上殼進行焊接。零件材料為08鋼，厚度為（1.2±0.1）mm，拉深的深度為100 mm，底部與壁部的圓角半徑R為40 mm，屬于圓角半徑較小的盒形件。

圖1 油箱下殼

1.1 成形性分析

08鋼是優(yōu)質碳素結構鋼，塑性好，適合彎曲、拉深、沖孔等工藝，時效敏感，切削加工性良好，焊接性能優(yōu)良。油箱從形式上屬于盒形件，參考《沖壓手冊》拉深件的工藝性判定條件[1]179，油箱下殼底部與壁部圓角半徑R1（R1=40 mm）應大于1倍的料厚；凸緣與壁部圓角半徑R2（R2=10 mm）應大于2倍料厚；四壁間圓角半徑R3（R3=42 mm）應大于3倍料厚，均滿足拉深要求。底部的2個孔直徑為18 mm，滿足沖孔最小尺寸要求，其孔與孔之間、孔與邊緣之間的距離以及孔壁與制件直壁之間的距離均滿足要求[1]。綜上所述，該制件的模具加工比較容易，成形工藝性也較好。

1.2 確定毛坯尺寸

計算盒形件毛坯尺寸時，首先判斷是否可以一次拉深成形，然后根據(jù)是一次拉深還是多次拉深選擇相應的計算方法，計算結果加上相應的加工余量，最終確定毛坯的尺寸。

根據(jù)《模具設計與制造》拉深相對高度計算公式[2]103：

式中 r為角部圓角半徑，mm；B為制件寬度，mm；H為工件高度，mm。

根據(jù)計算結果可知0.19＜0.22，屬于角部半徑較小的低盒形件，一般一次可以拉成。該制件從形狀上屬于矩形拉深件，可以采用作圖法計算毛坯[1]，做出如圖2所示毛坯圖。

圖2 毛坯展開圖

根據(jù)《沖壓手冊》一次拉深成形的盒形件毛坯計算[1]227，計算毛坯的尺寸如下：

1）按壓彎計算壁部展開長度。

式中 H為制件高度，mm；L凸為凸緣寬度，mm；r凸為凸緣圓角半徑，mm；r底為制件底部圓角半徑，mm；r為角部圓角半徑，mm。

代入數(shù)值計算

2）按拉深計算角部毛坯半徑。

3）首先將盒形件的直邊（圖2中AB和EM）按彎曲變形，而圓角部分按四分之一圓筒拉深變形在盒形件底部的平面上展開得到圖2中的毛坯外形ABCDEM，這樣的毛坯不具有圓滑過渡的輪廓，必須進行修正。由BC和DE的中點G和H做圓弧R（圓弧R的半徑由工件圓角部分按圓筒拉深成形的毛坯展開方法得到）的切線，并用圓弧將G和H點出發(fā)的切線與直邊展開線AB和EM連接，便得到了修正后的毛坯外形ALGHM，如此得到所要的坯料形狀和尺寸。

4）計算毛坯長度。

式中 r為角部圓角半徑，mm；B為工件寬度，mm；l 為壁部展開長度，mm。

通過計算初步算出大概輪廓，合適尺寸要經過反復修整毛坯邊緣及四角半徑才能確定。這里考慮加工余量，將毛坯尺寸定為550 mm×550 mm。

1.3 確定拉深次數(shù)

矩形盒形件初次拉深極限變形程度用相對高度h/r表示（h為拉深件高度，mm；r為角部圓角半徑，mm）。平板一次拉深成矩形盒。若制件的h/r不超過極限值6，則可一次拉深成形，否則需多次拉深[3]。代入具體數(shù)值，h/r=100/42=2.38＜6，所以該制件可一次拉深成形。

2 凹模設計

2.1 凹模工作尺寸計算

2.1.1 確定凸、凹模圓角半徑

圓角半徑值的選取要恰當，太小會增大拉深力，影響模具壽命，太大會減小壓力面積，制件易起皺，甚至拉裂。根據(jù)《沖壓工藝學》表4—79拉深凹模的圓角半徑數(shù)值可知[1]309，凹模圓角半徑rdmin=8 t=8×1.2=9.6，rdmax=13 t=13×1.2=15.6（t為拉深件厚度，mm）根據(jù)成型后零件的外形尺寸，取rd=10 mm。對本制件來說，凸模圓角半徑rp應與零件圓角半徑相同，即rp=40 mm。

2.1.2 凸、凹模間隙的確定

拉深模的間隙是指凸、凹模間橫向尺寸之差值。確定間隙大小的一般原則是：既考慮板料公差的影響，又考慮拉深件口部增厚現(xiàn)象[4]。因此間隙值一般比毛坯厚度略大一些。一般盒形件凸、凹模單邊間隙值為：

在本文中，材料厚度為（1.2±0.1）mm，所以間隙值取平均值1.42 mm。

2.1.3 凸、凹模工作尺寸及公差

根據(jù)《沖壓手冊》表4—75可知凸模尺寸計算公式如下[1]：

式中 dp為凸模尺寸，mm；dmax為制件最大外形尺寸，mm；△為制件制造公差[5]，mm；δp為凸模制造公差，mm。

代入數(shù)值

相對應的凹模尺寸計算公式如下：

式中 dd為凹模尺寸，mm；δd為凹模制造公差，mm。

代入數(shù)值

2.2 凹模設計

使用Dynaform模擬油箱下殼拉深時，只需導入凹模和板料模型即可，凸模和壓料板可直接由凹模生成，故模具部分只設計凹模及其相關部分。

2.2.1 凹模結構設計

凹模采用整體式，它的兩側各配有兩個吊耳作為起吊裝置，凹模底部設有頂出機構和排氣孔，上表面開設3個安裝定位銷的孔。凹模下底面尺寸為1 000 mm×850 mm，上底面尺寸為730 mm×730 mm，具體形狀如圖3—4所示。由于拉深模具的失效主要為粘附磨損和磨粒磨損，要求模具材料必須有較高耐磨性和抗粘附性能，以及足夠的強度。根據(jù)《模具設計指導》[6]表3—5，選用鉬鉻鑄鐵，其熱處理火焰淬硬HRC50～55。

圖3 凹模俯視圖

圖4 凹模側視

2.2.2 頂出機構設計

此拉深模由凹模底部的頂板頂出工件。當凸?；氐缴纤傈c時，由氣墊頂出分布在頂板底面四周的推桿。頂板材料為45鋼，其尺寸主要取決于凹模，具體數(shù)值為320 mm×320 mm×50 mm，結構如圖5所示。

圖5 頂出器

2.2.3 排氣裝置

為防止制件與凸模之間產生真空，使制件緊箍在凸模上或被凹模內壓縮空氣頂癟，應在凸、凹模上設計通氣孔，防止制件底部出現(xiàn)不平現(xiàn)象影響其精度，甚至損壞模具。根據(jù)凹模形狀，氣孔以圓形排布，數(shù)量為12個，由《沖壓手冊》表4—77可知氣孔直徑為9.5 mm[1]。

2.2.4 壓邊圈

拉深成形薄壁盒形件，容易出現(xiàn)起皺和減薄的情況，通?？梢酝ㄟ^增加壓邊圈提供壓邊力來消除這些缺陷。壓邊圈可通過Dynaform軟件根據(jù)凹模尺寸直接生成，因此只需要計算壓邊力即可。由《沖壓手冊》表4—81得[1]：

式中 A為壓邊圈下毛坯面積，m2；P為單位壓邊力，MPa。

由《沖壓手冊》表4—83[1]，查得P=3 MPa，根據(jù)毛坯形狀計算其面積A＝95 739.74 mm2，所以F壓=AP＝95 739.74×3＝287（kN）。

3 模擬優(yōu)化

本次設計中，運用Dynaform軟件對拉深過程進行數(shù)值模擬?？梢灶A測成形過程中板料的破裂、起皺、減薄、劃痕、回彈，評估板料的成形性能，從而為板料成形工藝及模具設計人員減少模具開發(fā)時間及試模周期[7]。應用Dynaform5.9軟件對沖壓成形進行數(shù)值模擬的基本步驟是：建立曲面模型→劃分單元網(wǎng)格→建立分析模型→模擬計算模擬結果后處理[8]。

3.1 建立曲面模型

對于拉深成形工藝，模擬零件只需通過Pro/E建立板料和凹模的曲面模型，然后導入Dynaform5.9中，通過偏置等處理生成凸模和壓邊圈，如圖6—8所示。

圖6 板料曲面

圖7 凹模曲面

圖8 裝配曲面

3.2 劃分單元網(wǎng)格

毛坯的工具圓角半徑值定為3.0 mm，它表示模型中最小半徑，半徑越小，坯料網(wǎng)格就越密；半徑越大，產生的網(wǎng)格越粗糙。凹模曲面網(wǎng)格化時，網(wǎng)格參數(shù)最大尺寸設為20.0 mm，角度設為10.0°，劃分后的網(wǎng)格如圖9所示。

3.3 建立分析模型

1）網(wǎng)格劃分完畢并檢查后，通過偏置處理和復制方法生成凸模和壓邊圈。在等距偏移凸模時，偏移距離設為1.42 mm。該數(shù)值實際上就是凸、凹模的間隙值。

2）毛坯材料選擇Dynaform5.9材料庫中的CQ鋼Type24，它的彈性模量是2.07×105MPa，泊松比是0.28，屈服應力是150.50 MPa（該鋼性能最接近08鋼）。設置拉深類型為Single Action，接觸間隙定為1.2 mm，沖壓速度定為3 000 mm/s，行程設為100 mm，壓邊力設為230 kN。通過前處理器設置好的模型如圖10所示。

3.4 模擬計算

前處理器設置完成后，可通過與求解器LSDYNA的接口直接運行求解，如圖11所示。

3.5 模擬結果后處理

在盒形件拉深過程中，制件最容易出現(xiàn)的缺陷是圓角處的拉裂和法蘭處的起皺。壓邊力是板料拉深成形過程的重要工藝參數(shù)之一, 對金屬的塑性流動進行控制，合理控制壓邊力的大小, 可以避免起皺或拉裂缺陷[9]。保持其他工藝條件不變，通過多次調整參數(shù)模擬，最終選擇壓邊力為260 kN、300 kN、280 kN的三種情況，研究制件的成形情況。

圖9 曲面網(wǎng)格

圖10 定義后的模型

圖11 運算求解過程

1）如圖12和圖13所示是壓邊力為260 kN時成形極限圖和厚度變化圖。由圖12可看出，制件的凸緣處起皺十分明顯，并且在凸緣外緣處最為劇烈。這是由于拉深時毛坯法蘭的最大切向壓應力產生在毛坯法蘭外緣處，起皺首先從此開始。由圖13可看出，其最薄處厚度為0.93 mm，在安全范圍內，最厚處為1.87 mm。這是因壓邊力較小，凸緣處劇烈的起皺產生折疊，使局部變厚且制件底部出現(xiàn)大范圍壓不足現(xiàn)象。由于該制件要求有15 mm的焊接邊，凸緣處的起皺說明了該壓邊力較小，不能滿足要求。

圖12 成形極限圖

圖13 厚度變化圖

圖14 成形極限圖

圖15 厚度變化圖

2）如圖14和圖15所示是壓邊力為300 kN時的成形極限圖和厚度變化圖。由圖14可看出，制件凸緣處平整，起皺現(xiàn)象不明顯，但圓角靠近口處被拉裂。這是因直邊和圓角變形區(qū)內的材料受力情況不同，圓角處材料向凹模流動的阻力要遠大于直邊處，且圓角處材料的徑向伸長變形大，直邊處材料的徑向變形小，使變形區(qū)內兩處材料的位移量不同。壓邊力較大時，增大了材料向凹模流動的阻力，增加了危險斷面（圓角處）的拉應力，圓角處拉深變薄后又得不到足夠的材料補充，導致被拉裂。由圖15可看出，制件在圓角處變薄比較嚴重，說明壓邊力較大，不利于拉深成形。

圖16 成形極限圖

圖17 厚度變化圖

3）如圖16和圖17所示是壓邊力為280 kN的成形極限圖和厚度變化圖。由圖16可看出，該制件凸緣處較為平整，無明顯起皺現(xiàn)象。油箱下殼外緣所留15 mm焊接邊并沒有較高的精度要求，因此此種情況可滿足使用要求。由圖17可看出，最小厚度出現(xiàn)在圓角處，其值為0.87 mm。圓角處雖沒有出現(xiàn)被拉裂現(xiàn)象，但圓角處黃色區(qū)域分布較為明顯，有被拉裂的危險，所以實際生產中壓邊力取值應小于280 kN（實際生產時壓邊力取275 kN）。由此可知此時工藝參數(shù)可滿足要求，達到了較為理想的情況。

由上文可知，壓邊力計算值約為287 kN，而模擬后得出的理想壓邊力為280 kN。這是因Dynaform5.9材料庫采用美國的材料標準，該材料庫中沒有與08F性能接近的材料，并且在建立分析模型時，一些工藝參數(shù)（如摩擦系數(shù)）采用了缺省值，所以導致計算值與模擬結果有少許出入。

4 結論

通過對農用卡車油箱下殼的拉深工藝分析、模具參數(shù)的經驗計算與設計，并對其拉深成形過程進行模擬可知，無論壓邊力過大或過小都會在四周凸緣和靠近口部的圓角部位出現(xiàn)折皺或拉裂情況；只有當壓邊力接近經驗計算值時，才能生產出合格的制件。這對設定拉深過程中的壓邊力，控制和防止缺陷產生具有重要的借鑒意義。

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