Autoform在拉延筋快速修磨中的應用

■中國重汽集團濟南卡車股份有限公司 （山東濟南 250000） 楊延亮 王 磊 吳東哲

在當前商用車領域，針對生產過程中出現的質量問題，技術人員需要對模具的維修方案進行反復研討、論證、調試和試生產，特別是對于開裂、隱裂和褶皺等產品型面變化及外觀類問題，由于問題產生原因的復雜性和沖壓行業(yè)本身的特點，主要依賴于技術人員在生產實踐中長期積累的經驗，如果經驗與實際出現偏差，就會造成大量人力、財力和物力的浪費，大大延長了生產周期。隨著計算機技術、仿真技術的發(fā)展和應用，目前廣泛采用的塑性成形理論、數值分析技術、沖壓技術和計算機技術為分析沖壓成形過程提供了更直觀、更便利的方法，為直觀快捷地查找沖壓質量問題原因、解決沖壓產品關鍵質量問題提供了可能。

1. 沖壓拉延工序常見缺陷及原因分析

大型外覆蓋沖壓件拉延工序成形形狀很復雜，通常延周成形深度較大，內部存在較多造型、加強筋等，由于成形面積大、成形深度不同，內部型面很大程度上依賴于材料塑性變形，對材料成形性能有較高要求。此外，由于成形深度深、形狀復雜，容易出現制件翹曲變形、表面擦（拉）傷、拉裂及褶皺等質量缺陷。

2. 仿真分析模型的建立與驗證

（1）拉延筋布置 在沖壓成形中，為了限制板料的流動，需要設置各種形狀的拉延筋。Autoform中不需要建立實際的拉延筋有限元模型，而是采用一些曲線來模擬拉延筋行為，當板料流過時，施加拉延筋阻力。本文采用等效拉延筋方式（見圖1），在分析時可以很方便地調整拉延筋阻力，節(jié)省分析時間，分析完成后再根據相應的拉延筋阻力系數來確定真實拉延筋的幾何形狀。

圖1 等效拉延筋方式示意

（2）仿真分析模型的建立 某商用車車型后圍外板C A D 模型如圖2 所示，依據此模型建立仿真分析模型。根據生產中的實際情況，設定壓邊力為165t，摩擦系數為0.17，拉延筋設置為阻力系數0.6 5的均勻拉延筋，板料尺寸為2 530mm×1 800mm×0.9mm，材料為寶鋼D C 0 4-0.9-Q/BQB403，沖壓材料的特性見表1。其他采用默認設置，未進行優(yōu)化。初步模擬的后圍外板仿真分析模型如圖3所示，模擬完成之后，重新打開設計文件即可看到模擬結果，點擊視圖界面的進度條可清楚查看拉延過程中每一瞬時的成形情況。

圖2 后圍外板CAD模型

圖3 后圍外板仿真分析模型

初步模擬結果中出現的開裂如圖4所示，實際生產中出現的開裂如圖5所示。成形極限圖（見圖6）用不同顏色表示零件的成形情況，點擊不同顏色區(qū)域可以定位到當前零件處于該顏色所代表的狀態(tài)的位置，從而直觀地了解板料在沖壓過程中材料的流動情況，方便根據所產生的問題進行修?；蛘{整參數。

3. 拉延筋的改良及仿真分析

在圖4所示后圍外板初步模擬結果中，不但出現了與實際生產中相符合的開裂缺陷，而且可以看出零件的上側和右側存在張拉不充分的現象，張拉不充分會使零件的剛度降低。當兩種問題同時存在時，是無法只通過對模具的整體調節(jié)（調整壓邊力、改變模具與板料的摩擦系數等）來排除缺陷的，必須調整拉延筋，才有可能排除這兩種缺陷。

Autoform仿真模擬為局部位置的拉延筋處理提供了一個有效的方法來較直觀地判斷處理效果，同時也為處理過程提供了方法依據。設置拉延筋比增大壓邊力的調整更加靈活，可以根據需要設置拉延筋形狀及阻力系數，如圖7所示。合適的拉延筋狀態(tài)是沖壓件拉延工序產品質量狀態(tài)得到保證的重要前提。

調整拉延筋各段阻力系數后，再次進行仿真模擬，得到的結果如圖8所示。從新的模擬結果及過程動畫中可以看出，拉裂缺陷消除，零件各部分的進料速度趨于均勻，張拉不充分的面積明顯消失，零件的強度得到了提高，成形過程中的起皺消失，說明該調整是合理的。

圖7 調整后的拉延筋形狀及阻力系數

圖4 初步模擬結果中的開裂

圖8 拉延筋調整后的模擬結果

圖5 實際生產中的開裂

圖6 初步模擬成形極限圖

4. 拉延筋改良的現場操作

將圖7中拉延筋的形狀及阻力系數應用在實際模具上，拉延筋分布位置如圖9所示。根據阻力系數的不同確定各位置拉延筋高度。

模型仿真結果如圖10所示，存在開裂問題。在成形過程中開裂位置材料流動阻力過大，導致材料塑性變形因超過其延伸率而造成開裂。由于開裂位置成形結構復雜，成形深度較深，該位置壓邊圈垂直于材料流動方向設置有阻力系數為0.5的均勻拉延筋，拉延筋對材料法向產生流動阻力，該法向阻力是影響材料流動性的重要因素。根據分析，開裂位置所需材料由區(qū)域A材料流動補充，由于該區(qū)域受到的拉延筋阻力過大，造成材料因流動性差而出現開裂。減小區(qū)域A拉延筋阻力系數會增加材料在該區(qū)域的流動性，產品開裂狀態(tài)會有所改善。根據分析，減小該位置仿真模型拉延筋阻力系數至0.35。在仿真模型拉延筋優(yōu)化改善的位置采用降低拉延筋高度的方法進行處理，利用砂輪機對后圍外板對應位置的拉延筋進行打磨，降低其高度。處理前模具拉延筋為四周整體拉延筋，測得區(qū)域A拉延筋高度為6.3mm，調整后區(qū)域A的高度為5.0mm，減小了材料拉延成形時對應位置的流動阻力。

表1 沖壓材料特性

圖9 拉延筋分布位置

圖10 模型仿真結果

模型拉延筋阻力系數優(yōu)化調整后，再次進行仿真模擬，成形極限圖如圖11所示，材料厚度分析如圖12所示，成形性分析如圖13所示。分析結果，安全區(qū)域、張拉不充分區(qū)域、壓縮區(qū)域和增厚區(qū)域面積總體變化不大，表明拉延筋局部位置的調整對產品件其他區(qū)域成形狀況影響不大。

圖11 調整后的成形極限圖

圖12 材料厚度分析

圖13 成形性分析

根據仿真結果，對局部位置拉延筋阻力系數進行優(yōu)化后，開裂位置狀態(tài)顯著好轉（見表2）。由表2可看出，開裂面積變小，由0.04%下降為0.02%，產品件變薄的面積也由0.06%下降至0.02%，部分位置由開裂轉變?yōu)殚_裂風險，表明區(qū)域A拉延筋阻力系數對后圍外板開裂問題存在一定的影響，減小該位置拉延筋阻力可以有效改善開裂問題。

根據圖1 2 所示材料厚度分析圖，除開裂位置以外，仍存在其他局部位置變薄面積較大的狀況，對于變薄位置需要控制其面積占比，盡量減小變薄面積，并將其對應位置納入質量控制文件作為重點監(jiān)控點。由于過多減小局部拉延筋阻力系數存在造成延周其他位置材料堆積的風險，所以區(qū)域A仿真模擬拉延筋阻力系數優(yōu)化為0.35，開裂問題的持續(xù)改善通過調整其他影響因素進行處理。根據仿真模擬結果，現場模具維修可以對區(qū)域A拉延筋進行處理，減小拉延筋高度、增大拉延筋R角，從而減小該位置拉延筋對材料的法向流動阻力。

5. 結語

拉延筋對沖壓產品件拉延成形過程特別是對產品開裂、褶皺的發(fā)生和抑制有重要影響。尤其是在因產品成形深度較深、成形受力復雜等容易出現局部開裂、減薄等缺陷的風險位置，可以通過靈活調整拉延筋的狀態(tài)調節(jié)材料流動性，保證材料成形過程中的流動穩(wěn)定性，保證產品質量。此外，在模具維護和拉延工序質量控制過程中，對拉延筋的處理也是重要手段。但由于對拉延筋打磨、焊補及造型處理等需要較長時間，并且拉延筋處理后可能造成難以預知的狀況，所以在實際操作中對拉延筋的處理要非常謹慎，大范圍調整拉延筋狀態(tài)不是生產過程中處理問題的首選，局部靈活調整、充分驗證是拉延筋狀態(tài)調整的合理方式。

表2 優(yōu)化前后模型不同狀態(tài)面積占比 （%）