汽車手剎固定板成形工藝數(shù)值模擬研究

滕海灝，彭夢霞

重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（重慶 400044）

1 引言

汽車覆蓋件沖壓成形是一類特殊而又典型的板料成形工藝過程。汽車覆蓋件在成形過過程中，受力情況復(fù)雜多變，塑性變形程度大，毛坯在各個工序中都會產(chǎn)生撓度巨大的塑性流動，極易產(chǎn)生各類缺陷[1]。這些涉及復(fù)雜數(shù)理模型的問題顯然無法用單一、靜態(tài)的算法準(zhǔn)確地描述，這時，有限元算法的提出和應(yīng)用以及計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，為解決這些問題提供了新的可能。通過對一些具體的汽車覆蓋件進行數(shù)值模擬分析，工作人員可以加深對有限元原理的理解，深刻體會有限元算法和計算機技術(shù)在實際生產(chǎn)中的巨大優(yōu)越性。

同時，根據(jù)模擬分析的結(jié)果，還可以用精確的計算代替?zhèn)鹘y(tǒng)的經(jīng)驗判斷，合理預(yù)測制件成形效果，有效優(yōu)化各類工藝參數(shù)，顯著減少試模的時間成本，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。汽車手剎固定板是卡車中的一個典型的部件，該制件尺寸不大、拉伸深度較淺但形狀比較復(fù)雜，拉伸過程中存在的大面積拉伸不足、過度減薄以及破裂問題[2]。本課題利用高效的計算機輔助技術(shù)，使用數(shù)值模擬軟件AutoForm對汽車覆蓋件的沖壓過程進行精確的數(shù)值模擬計算，在適當(dāng)?shù)奈恢煤侠硖砑永旖?，分析比較摩擦系數(shù)、壓邊力等不同工藝參數(shù)對汽車手剎固定板成形質(zhì)量的影響，歸納總結(jié)成形規(guī)律。同時，根據(jù)軟件計算結(jié)果的反饋。采用優(yōu)化設(shè)計方法，初步分析得出沖壓生產(chǎn)工藝參數(shù)的最優(yōu)解，預(yù)判制件成形質(zhì)量，改進模具設(shè)計，壓縮資源成本，這些工作對手剎固定板的模具設(shè)計、工藝方案優(yōu)化、規(guī)?；懂a(chǎn)具有重要的參考和指導(dǎo)意義。

2 汽車手剎固定板成形工藝分析

2.1 汽車手剎固定板工藝性分析

汽車手剎固定板具有汽車覆蓋件的典型特征（見圖1），與其它沖壓件不同的是，該制件尺寸不大、材料厚度小、拉伸深度較淺但空間結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對成形質(zhì)量要求高，拉伸過程中各部位應(yīng)力應(yīng)變分布不均勻[3]，可能存在大面積拉伸不足、過度減薄以及破裂等缺陷。根據(jù)該覆蓋件的結(jié)構(gòu)特點，可確定第一道工序為拉伸，由于拉伸深度較淺，采用一次拉伸成形。隨后進行修邊工序，將多余的坯料切除。再根據(jù)各孔洞尺寸大小完成沖孔工序，最后對局部結(jié)構(gòu)進行翻邊，即可得到最終制件。汽車手剎固定板成形設(shè)計流程如圖2所示。本文主要針對拉伸工序進行詳細探究。

圖1 汽車手剎固定板三維圖

圖2 汽車手剎固定板成形設(shè)計流程

2.2 沖壓方向的確定

在確定拉伸工藝方案時，首先面臨的問題是確定拉伸方向。拉伸方向既能影響汽車制件的成形質(zhì)量，也會改變型面設(shè)計的參數(shù)。因此，擬定拉伸方向是拉伸工序乃至整個工藝方案的關(guān)鍵基礎(chǔ)[4]。

經(jīng)綜合考慮，將此汽車手剎固定板的沖壓方向選定為與平面法蘭垂直的方向，即為中箭頭方向，原因如下：

（1）該沖壓件具有復(fù)雜的三維輪廓，凸模在工作過程中難以完全接觸凹模，出現(xiàn)“死區(qū)”[5]。該拉伸方向能最大程度地保證模具順利拉伸件的順利貼合，一次成形全部空間形狀。

（2）該沖壓方向較好地滿足了初始階段凸模與坯件間的接觸條件：較大的接觸表面且作用點均勻，將局部坯料的脹形程度限制在合理的范圍，避免局部坯件的錯位，消除破裂隱患；大致相等的的凸模包容角利于各區(qū)域法蘭內(nèi)的原始坯料在成形過程中流動均勻，減少工件的表面缺陷。

圖3所示為汽車手剎固定板沖壓方向。

圖3 汽車手剎固定板沖壓方向

2.3 壓料面的設(shè)計

汽車覆蓋件往往輪廓復(fù)雜，受力不均，為了改善拉伸工序沖壓件的成形條件，提高制件塑性剛度，往往需要在最終制件上補充一部分結(jié)構(gòu)，這部分結(jié)構(gòu)稱為工藝補充[6]。工藝補充的好壞將會對拉伸件成形質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。大部分汽車覆蓋件都需要先添加工藝補充部分，然后根據(jù)所設(shè)計的拉伸件才能進行沖壓成形。

模擬計算先進行拉伸工序分析，對汽車手剎固定板進行合理的工藝補充，得到利于高質(zhì)量拉伸成形的型面?？傊?，工藝補充的設(shè)計方案，將決定各類工藝參數(shù)的取值，深刻影響了整個沖壓過程的成形效果。因此，必須兼顧工藝補充設(shè)計原則，優(yōu)化工藝補充方案，并充分考慮后面修邊、沖孔、整形、翻邊等工序的工藝內(nèi)容，為后序工藝順序進行奠定良好基礎(chǔ)[7]。

壓料面是制件工藝補充的關(guān)鍵構(gòu)成，指凹模圓角外側(cè)的區(qū)域。合適的壓料面設(shè)計方案，可以有效控制原始坯料的變形程度，合理調(diào)節(jié)壓料面的毛坯材料向凹模內(nèi)的流動速度，改善其流動條件，有效避免回彈、拉裂等缺陷的產(chǎn)生。壓料面的形狀有兩種情況：一種是直接使用工藝補充型面；另一種壓料面既包括工藝補充，同時也加入了工件的法蘭面。本次拉伸工序選擇前者，圖4所示是汽車手剎固定板的壓料面設(shè)計方面CAD模型。

圖4 壓料面設(shè)計方案

該設(shè)計的理由如下：

（1）該壓料面為水平壓料面，形狀簡單，平面高度變化平緩，原始坯料流動順暢，利于調(diào)節(jié)阻力大小浮動情況，使塑性變形分布均勻，有效避免拉伸成形過程中各種缺陷，保證了良好的拉伸條件。

（2）在調(diào)模過程中，該方案可以優(yōu)化壓料面所受的阻力狀態(tài)，利于探究最優(yōu)成形條件，提高成形質(zhì)量。

（3）如圖5所示，該壓料面的斷面曲線長度l0與拉伸件內(nèi)部斷面曲線長度l1滿足數(shù)量關(guān)系：l0＜0.97l1。同時，壓料面的仰角α與凸模仰角β滿足：β＜α。這些參數(shù)保證了制件各截面上的延伸率高于3%，減少余料，避免松弛、皺折等缺陷。

圖5 壓料面剖面和拉伸件剖面內(nèi)長度

（4）其中針對制件兩側(cè)存在高低差而造成拉伸深度不同，從而可能影響制件成形性的問題，在工藝補充時將壓料方式設(shè)計成特殊的曲面壓力，降低高度差

2.4 拉伸筋的設(shè)置

在汽車覆蓋件拉伸成形過程中，一個大小合理、分布均勻的拉力能改變坯件的流動條件，改善成形效果。這個拉力可以由沖壓設(shè)備提供，又能通過壓料面擠壓或坯件法蘭部分的變形得到。坯件在成形過程受到壓料面擠壓產(chǎn)生的壓邊力，由此與工具體間存在一定的摩擦力，但是這個摩擦力不大，不足以改變材料的流動條件，影響坯件的塑性變形程度。此時，拉伸筋的設(shè)置就顯得尤為重要，它對對坯件的較大阻力夠補充拉力條件的不足，顯著改善拉伸效果。拉伸筋的設(shè)計由此成為沖壓過程的關(guān)鍵。這一小節(jié)主要研究的問題是：是否布置拉伸筋、如何布置、采用何種方式布置拉伸筋。

該覆蓋件采用如圖6所示的布置形式：①A處為凸出的弧形輪廓，材料所受塑性流動阻力大，故在此處不采用拉伸筋；②B處形狀內(nèi)凹，坯料所受變形阻力不大，容易在此處堆積增厚，為減少起皺幾率，在此處布置一條長拉伸筋；③C處輪廓形狀為直線，材料流動順暢，易導(dǎo)致厚度不均，根據(jù)直線輪廓的長度，在此采用一條長拉伸筋；④D處制件結(jié)構(gòu)向內(nèi)凹圓弧，材料隨工具體擠壓容易從兩側(cè)涌入，導(dǎo)致拉伸程度不足，為此于該處設(shè)置一條長拉伸筋，以增加翻邊區(qū)域的材料流動阻力，控制小范圍板料流動方向，減少起皺與拉伸不足；⑤E處結(jié)構(gòu)外凸，坯料變形所受阻力過小，于是在此布置一條深長筋，如圖6所示。

圖6 拉伸筋的布置

3 汽車手剎固定板成形仿真模擬

3.1 仿真過程參數(shù)設(shè)定

經(jīng)綜合考慮，將汽車手剎固定板拉伸成形的一些工藝參數(shù)做如下設(shè)置：

（1）摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)直接影響了坯料在型腔內(nèi)流動中所受的阻力，適當(dāng)?shù)哪Σ料禂?shù)能有效提高汽車手剎固定板的表面質(zhì)量，為此，本次模擬初選摩擦系數(shù)大小為0.13。在AutoForm中，摩擦系數(shù)可以有兩種設(shè)置方法：一種是在“process”項目下，點擊當(dāng)前拉伸工序“D-20”，在“Lube”分項中設(shè)置本次拉伸工序的摩擦系數(shù)為0.13；另一種方法可以一次設(shè)定整個成形工藝所有工序的摩擦系數(shù)，即在“process”項目下的“PL”模塊，設(shè)定摩擦系數(shù)為0.13，該數(shù)值可以為后面各工序共享。

（2）活動距離和沖壓速度。在保證模擬精度和成形質(zhì)量的前提下，適當(dāng)提高沖壓的速度，可以減少計算時間，提高工作效率。初選活動距離為700mm，沖壓速度為233mm/s，因而凹模運動時間為3s。設(shè)置方法為在“PL”模塊下手動輸入“Stroke”、“velocity”的值。

（3）模具間隙。模具間隙會影響汽車手剎固定板的對表面質(zhì)量，為滿足其成形質(zhì)量要求，初選模具間隙值為3mm，以凸模作為基準(zhǔn)側(cè)。設(shè)置方法為在“Tool”下的“Punch”分項中設(shè)定模具間隙“Clearance”的值為3mm。

（4）壓邊圈緩沖行程和壓邊力。壓邊力在實際生產(chǎn)中由單動壓力機提供，并受液壓彈性裝置的限制，它能限制原始坯料流動，改變材料所受變形阻力，其參數(shù)值的大小深刻影響這汽車覆蓋件的成形效果。根據(jù)前文所述的工藝分析和壓料面的尺寸大小，初步確定壓邊力為570kN，壓邊圈緩沖行程距離為200mm。設(shè)置步驟為：在“D-20”工序下的“Tool”模塊中點擊“Binder”進入壓邊圈設(shè)置界面，設(shè)定“Cushion Stroke”為 200mm，“ConstantForce”為570kN。

（5）拉伸筋。本次模擬采用虛擬拉伸筋，將提前在catia中繪制完成的拉伸筋線條導(dǎo)入AutoForm中?？紤]到拉伸工件各部位深度不一，將各個拉伸筋系數(shù)都設(shè)為0.5，設(shè)置的步驟是在“D-20”工序下選擇拉伸筋設(shè)置模塊“Drawbeads”，依次導(dǎo)入各條虛擬拉伸筋后，將各拉伸筋的系數(shù)Force Factor設(shè)為0.5。

3.2 各工藝參數(shù)對拉伸成形的作用規(guī)律

3.2.1 摩擦系數(shù)的影響規(guī)律

摩擦系數(shù)是決定汽車手剎固定板模擬成形計算效果好壞的關(guān)鍵參數(shù)之一[8]。通過改變摩擦系數(shù)，可以有效控制原始坯料在模具型腔中流動的受力情況，改善沖壓制件的成形條件。

本節(jié)采用控制變量的研究方法，令其余影響因子恒定不變，僅改變摩擦系數(shù)，分別在0.10、0.12、0.14、0.15、0.16、0.17、0.19、0.21的摩擦系數(shù)取值條件下，模擬分析手剎固定板的成形過程，得到各摩擦系數(shù)下的拉伸制件FLD和成形效果云圖。在這些圖中，選出四個拉伸效果較為典型、具有臨界意義的的FLD及成形效果圖，它們的摩擦系數(shù)分別是0.10、0.15、0.17、0.21，見圖7～圖10所示。同時統(tǒng)計不同摩擦系數(shù)下各拉伸制件最大減薄率和最大增厚率，得到圖11所示。

圖7 摩擦系數(shù)為0.10時制件的FLD和成形效果云圖

圖8 摩擦系數(shù)為0.15時制件的FLD和成形效果云圖

圖9 摩擦系數(shù)為0.17時制件的FLD和成形效果云圖

圖10 摩擦系數(shù)為0.21時制件的FLD和成形效果云圖

圖11 最大減薄率和最大增厚率隨摩擦系數(shù)的變化趨勢

圖7 表示當(dāng)摩擦系數(shù)在一個較低的取值時，坯件拉伸程度存在較大面積的不足。局部材料明顯出現(xiàn)堆積，且這種增厚現(xiàn)象不僅出現(xiàn)在需要切除的工藝補充部分，也出現(xiàn)在了制件的工作表面，雖然不足以形成起皺，但仍值得警惕；圖8表示當(dāng)摩擦系數(shù)增大到0.17時，各區(qū)域拉伸深度得到較好改善，但拉伸件開始在標(biāo)注點出現(xiàn)拉裂的隱患；由圖9可見，當(dāng)摩擦系數(shù)增大到0.21時，表示破裂的紅色區(qū)域開始出現(xiàn)；而圖10表示摩擦系數(shù)為理論初算值0.15時，成形較為均勻，幾乎沒有明顯缺陷。圖11則呈現(xiàn)了坯件厚度隨摩擦系數(shù)改變所遵循的一些變化特性?？偨Y(jié)上述圖表，可歸納出以下規(guī)律：

（1）減小摩擦系數(shù)可以降低拉伸件過度減薄而導(dǎo)致的拉裂風(fēng)險，卻會伴隨著材料堆積，增大起皺的幾率。增加摩擦系數(shù)取值可以明顯提高綠色安全區(qū)域的占比，使拉伸充分，優(yōu)化拉伸質(zhì)量，但是也存在破裂臨界值。摩擦系數(shù)改變模擬結(jié)果質(zhì)量的機理是，它限制了坯件的受力狀態(tài)，在越小的摩擦系數(shù)下，坯料流動受阻越小，進入凹模更順暢，過多的坯料流入就會形成堆積，導(dǎo)致起皺。相反地，摩擦系數(shù)越大，坯件越難以充分填充工具體型腔，部分區(qū)域材料流入不足，產(chǎn)生破裂風(fēng)險。因此，為得到高質(zhì)量的拉伸件，需要以避免缺陷為前提，在特定的數(shù)值范圍內(nèi)，適當(dāng)?shù)卦龃竽Σ料禂?shù)。

（2）坯件的最大減薄率與摩擦系數(shù)成正相關(guān)，當(dāng)摩擦系數(shù)增加到0.17以后，減薄率開始出現(xiàn)驟變，此摩擦系數(shù)臨界值恰好對應(yīng)于制件剛要破裂時的FLD，破裂處不再遵循相應(yīng)規(guī)律；同時，制件的最大厚度與摩擦系數(shù)呈負相關(guān)聯(lián)系，當(dāng)摩擦系數(shù)以高于0.15的取值逐漸增大時，最大厚度平緩降低，而摩擦系數(shù)在0.15以下減小時，最大增厚率以略大的幅度增加；

（3）由此得到本次拉伸模擬摩擦系數(shù)的合理范圍是0.14到0.16，最佳摩擦系數(shù)為0.15，模擬結(jié)果與理論計算值較為契合。

3.2.2 壓邊力的影響規(guī)律

除摩擦系數(shù)外，壓邊力同樣是決定拉伸件成形質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)[9]。壓邊力通常由壓力機上的壓邊圈提供，可以方面地調(diào)整其數(shù)值的大小，以探究壓邊力對沖壓件成形效果的影響規(guī)律。壓邊力對拉伸件質(zhì)量的影響機理在于，它能影響坯件由法蘭面流向凹模時的受力情況，調(diào)整坯料流動時與壓邊圈或工具體間的摩擦力，改變進料的難易程度，從而影響最終制件的拉伸質(zhì)量。此外，壓邊力的改變直接影響了工具體所受載荷的大小，更與設(shè)備的工作效果和使用壽命聯(lián)系緊密。

基于壓邊力的初始理論值600kN，分別模擬計算壓 邊 力 為 540kN、570kN、600kN、630kN、660kN、690kN、720kN、750kN時的成形效果。當(dāng)壓邊力取值為570kN、600kN、630kN、720kN時，成形性效果顯著，具有代表性特征，統(tǒng)計各壓邊力下的材料最大減薄率和最大增厚率，得到圖12所示結(jié)果。

圖12 最大減薄率和最大增厚率隨壓邊力的變化趨勢

4 結(jié)論

本次模擬先對汽車手剎固定板進行工藝分析，確立完整的成形工藝流程。再逐步確定拉伸方向、壓料面、工藝補充面、拉伸筋的設(shè)置方案，完成拉伸件的型面設(shè)計，然后利用AutoForm軟件對手剎固定板進行了沖壓成形數(shù)值模擬，研究了各工藝參數(shù)對拉伸成形質(zhì)量的影響規(guī)律，并分析了原因。最后采用正交試驗優(yōu)化設(shè)計方法，進一步優(yōu)化了工藝參數(shù)，得到以下結(jié)論：

（1）對于形狀不對稱、曲面復(fù)雜的手剎固定板，成形過程中易出現(xiàn)拉伸不足。缺陷產(chǎn)生的原因主要是在成形過程中，板料流動阻力不足，流動速度不均勻。

（2）減小摩擦系數(shù)、壓邊力，增大凸、凹模間隙、凹模圓角，這些參數(shù)的改變有利于減小材料流動阻力、變形阻力，使沖壓件出現(xiàn)材料堆積、增厚的趨勢，存在起皺、拉伸不足的風(fēng)險。反之，若增大摩擦系數(shù)或壓邊力，減小凸、凹模間隙或凹模圓角，則會增加材料流動、變形的困難，導(dǎo)致材料分布不均，局部區(qū)域過度減薄乃至破裂。