不銹鋼地鐵車輛側墻內板成形模擬研究

鄭勇福 王俊元 王嘉鶴 王 博 宋衛(wèi)光 張 洋 張雪峰

(中車長春軌道客車股份有限公司工程技術中心，130062，長春//第一作者，正高級工程師)

SUS301L系列不銹鋼板具有優(yōu)良的耐腐蝕性、延展性、抗疲勞能力以及全生命周期成本低等特點，已經廣泛應用于國內外地鐵車輛車體鋼結構中[1]。本文的研究對象是某型號地鐵車輛不銹鋼車體側墻內板，該部件使用在側墻內部，對側墻板進行剛性補強，以提高無涂裝不銹鋼車體側墻的平面度。側墻內板使用的材料為厚0.8 mm的SUS301L-DLT不銹鋼板。該零件板薄、拉延深度大且長寬比較大，拉延成形后局部材料易于流動部位過度減薄甚至開裂，難于流動的部位易拉延不足[2]。材料的過度減薄降低了側墻內板的抗沖擊性能，甚至拉裂報廢；拉延不足致使回彈量加大，對輪廓精度的穩(wěn)定性產生不利影響。

因此，在不銹鋼側墻內板成形工藝分析過程中和模具設計前,有必要通過模擬仿真方法對零件成形中出現的拉裂風險和拉延不足等問題開展研究，分析結構形狀尺寸和工藝參數對其成形性的影響，得出產生缺陷的原因和解決方案，獲得最佳成形參數，從而優(yōu)化模具結構。

1 不銹鋼地鐵車輛側墻內板制定成形方案

不銹鋼地鐵車輛側墻內板零件是帶凸緣拉延脹形復合成形件，其三維模型如圖1所示。該零件內部包含3個大凹坑，凸緣半徑為15 mm。實際拉延成形中，凹坑位置材料流動劇烈，易于過度減薄甚至開裂。如圖2所示，該零件長寬比近2.5…1，拉延成形時材料流動極不均勻，因此易出現成形缺陷。

圖1 不銹鋼地鐵車輛側墻內板三維模型

圖2 內板零件幾何尺寸

針對該零件的結構特點及工藝性能，制定了拉延、修邊、壓周邊臺階和手工整形等4工序的工藝方案。本文對該零件拉延成形工序進行了數值模擬分析，解決了拉裂風險和拉延不足產生的缺陷問題。研究中使用的軟件為通用有限元分析軟件Autoform。

2 車輛側墻內板有限元仿真模型

有限元前處理是一個關聯性的系統工程，在保證符合基本理論原則的情況下，許多要素要依據實際生產經驗，并結合模擬結果不斷進行優(yōu)化設置。

將圖3所示的實際產品模型導入Autoform中，沖壓中心選取重力中心，沖壓方向選取平均法向；本著使零件各部分流料盡量均勻一致的原則，繞坐標軸進一步旋轉微調沖壓方向至需要的角度。

圖3 內板拉延模面構成

矩形毛坯料尺寸的設定要保證拉延結束后收料邊線距離拉延筋外圍5 mm以上，故設置坯料尺寸為782 mm×415 mm。選取零件上表面，沿其凸緣曲率方向進行延伸，并連同凸緣一同作為工藝補充壓料面。在Catia中創(chuàng)建模面，模面邊緣較料片線外延20 mm，最終模面如圖3所示。在Autoform過程控制器工具體選項中通過拾取模面完成上模、下模以及壓邊圈的創(chuàng)建，并設定各工具體的相對位置，如圖4所示。

圖4 內板拉延成形有限元模型

本文所研究的模型采用四邊形網格;由于側墻內板零件有小圓角存在，故模型網格設置0.05 mm的容錯公差和10 mm的最大邊長。針對模型網格，設定了較高的精度值：半徑穿透值為0.22 mm，最大單元角度為22.5°，最大細化級別為6。

SUS301L-DLT板材力學性能測試數據為：抗拉強度σb為 50 MPa，屈服強度σs為 450 MPa，延伸率ψ為44%，硬化指數n為0.372，各項異性平均系數rm為0.95。硬化曲線采用Swift/Hockett-sherby模型，屈服曲線采用Hill模型，成形極限曲線采用表格輸入模式。將測得的試驗數據導入Autoform中，生成.mtb格式的材料模型文件用于后續(xù)模擬。

3 車輛側墻內板零件成形缺陷分析及控制

3.1 調整潤滑方案改善成形

在拉延成形中，一般采用潤滑劑來降低零件和模具間的摩擦因數，用以改善板材的成形阻力。Autoform軟件默認狀態(tài)下采用0.15的摩擦因數，在摩擦因數為0.15的情況下，對數次調整拉延筋系數和壓邊力進行了模擬，發(fā)現拉裂和拉延不足缺陷難以同時控制。在摩擦因數為0.15、模具單邊間隙為1.05 mm 的條件下，若干不同拉延筋系數和不同壓邊力組合下的零件成形極限圖如圖5所示。

圖5中出現的拉延不足和拉裂缺陷(A點和B點處)，很難同時去協調控制，這是由于拉延時材料流動不均勻導致的。其原因有兩點：一是零件長寬比過大，平面局部和內部凹坑局部變形差異明顯；二是 0.15 的摩擦因數對于該零件的成形而言數值過大，極大地抑制了材料流動的均勻性。

圖5 不同拉延筋系數和壓邊力組合下零件的成形極限圖

為避免工件拉裂缺陷，在不變更側墻內板結構的前提下，只有從改善摩擦因數入手。因此本文考慮改變潤滑方式，引入聚氟乙烯薄膜作為潤滑介質墊置于不銹鋼板料與模具凸凹模、壓料板之間，來降低拉延成形時的摩擦因數[3-6]。據文獻介紹,聚氟乙烯薄膜作為潤滑介質時可使其摩擦因數只有原來的1/5。此外，聚氟乙烯薄膜所具備的潤滑介質的優(yōu)點還免去了拉延后的零件清洗工序。

圖6為在拉延筋系數為0.35、壓邊力為300 kN、模具間隙為1.05 mm 的條件下，應用聚氟乙烯薄膜潤滑成形的極限圖。

從圖6中可以看出，在應用聚氟乙烯薄膜進行拉延的情況下，零件成形后拉裂缺陷消除，且拉伸不足現象也得到顯著改善。因此,可以初步得出結論，應用聚氟乙烯薄膜進行拉延生產，可以改善潤滑條件，促進流料的均勻性，對該零件的成形性能產生有利影響。

圖6 應用聚氟乙烯薄膜潤滑后的零件成形極限圖

3.2 正交試驗協調控制缺陷

摩擦問題解決后，該零件的成形性還要受到拉延筋系數A、壓邊力B及模具間隙C等因素的交互制約[7]，因此需要從整體上考慮零件的成形性，尋求這些模具和工藝參數的良好配合。正交試驗是研究多因素、多水平，效率高且經濟的一種試驗設計方法。本文采用正交試驗法，以期獲得適合的模具和工藝參數組合，從而實現對側墻內板成形的良好控制[8]。

本文根據已有的模擬研究成果，選取聚氟乙烯薄膜作為潤滑介質?？紤]到零件結構復雜、板薄、模具制造精度等因素，適當加大模具間隙，以進行大間隙拉延成形。針對零件內部劇烈變形的矩形區(qū)域，選取是否出現破裂風險以及拉延不足的程度為評判參數。3因素4水平的正交試驗分配情況如表1所示。正交試驗表L16(34)如表2所示。

表1 正交試驗各影響因素的水平分布

表2 正交試驗表

基于表2進行工件拉延成形仿真，其結果如表3所示。由表3可以看出，第10組參數組合下的模擬結果中，工件成形后無破裂風險，拉延不足情況也較為輕微。因此，第10組的參數組合滿足要求，即在聚氟乙烯薄膜包繞毛坯板的條件下，拉延筋系數為0.35，壓邊力為300 kN，單邊模具間隙為1.20 mm。該參數組合下，拉延結束后的零件成形極限圖如圖7 a)所示，拉延到距板底3 mm時的成形極限圖如圖7 b)所示。

表3 正交試驗結果

從圖7 a)中可以看出，模面中部劇烈變形的矩形區(qū)域并未出現破裂風險；拉延不足區(qū)域和受壓區(qū)域不是很多，大部分處于安全狀態(tài)。Autoform軟件中，在拉延結束后的成形極限圖里，對于拉延結束后的一切缺陷均采取壓平狀態(tài)顯示。因此，在拉延結束后的成形極限圖中，起皺情況并不能有效顯現。本文采取拉延到距板底3 mm時的成形極限圖來評估起皺，如果有起皺情況出現，則在圖中將會顯示起皺波紋。從圖7 b)中拉延到距板底前3 mm的成形極限圖中可以看出，板料面并未有波紋產生，全部呈平滑狀態(tài)，因此可以預測優(yōu)化組合參數設置為A3-B2-C4的條件下，該零件并未產生起皺缺陷。

圖7 優(yōu)化組合A3B2C4參數設置下的零件成形極限圖

4 試驗驗證

根據模擬優(yōu)化結果參數設計制造了拉延模具，并進行了成形試驗。模具和潤滑方式如圖8所示。拉延后的試驗件如圖9所示。由圖9可以看出，在工件有效區(qū)域范圍內，并未出現拉裂和起皺缺陷。表明本文提出的使用聚氟乙烯薄膜作為潤滑介質進行側墻內板拉延成形措施的有效性，以及由正交試驗所得到優(yōu)化組合參數設置的合理性。

圖8 零件成形試驗

圖9 零件成形試驗

5 結論

針對0.8 mm厚SUS301L-DLT不銹鋼材料的側墻內板在拉延過程中易于出現破裂缺陷和拉延不足的現象，以及多個參數間存在交互制約的問題，采取的措施如下：

1) 在拉延成形過程中加強潤滑。在不銹鋼板與凸凹模、壓邊圈間布置聚氟乙烯薄膜進行潤滑，能顯著改善潤滑條件，增加拉延過程中板材流料的均勻性，極大地協調改善了拉裂和拉延不足缺陷。另外，使用聚氟乙烯薄膜進行潤滑省去了其他潤滑方法導致的零件表面的除油清理工序，使得零件表面干凈無污染。

2) 通過拉延成形模擬仿真和正交試驗方法，得到了優(yōu)化組合A3-B2-C4的參數設置，進一步協調控制了側墻內板的成形質量。具體參數設置為拉延筋系數為0.35,壓邊力為300 kN,單邊模具間隙為1.20 mm。

3) 通過優(yōu)化組合的工藝參數設計制造了模具，使用聚氟乙烯薄膜潤滑壓出了合格試驗件，驗證了模擬仿真結果的有效性。