SUV背門外檐板拉延成形工藝設(shè)計及數(shù)值模擬

田 焱，余際星，劉 凱，尹作虎

（武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

SUV背門外檐板拉延成形工藝設(shè)計及數(shù)值模擬

田 焱，余際星，劉 凱，尹作虎

（武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

分析了SUV背門外檐板形狀特點和沖壓成形工藝，利用Autoform對外檐板成形的沖壓方向、拉延筋、壓料面和工藝補充面等關(guān)鍵工藝進行拉延成形過程數(shù)值模擬。建立沖壓方向與工件整體成形+零畸變、壓料面和拉延筋與均勻成形、工藝補充與充分變形等工藝/成形品質(zhì)的關(guān)系。按照模擬實驗結(jié)果調(diào)整并優(yōu)化工藝參數(shù)，提高了外檐板成形工藝穩(wěn)定性，為外檐板拉延模具提供設(shè)計依據(jù)。

拉延成形；背門外檐板；Autoform；沖壓工藝；數(shù)值模擬

SUV背門外檐板如圖1所示，長1200mm，寬260mm，最大高度230mm，結(jié)構(gòu)尺寸大，采用拉延型中強度薄鋼板制造。外檐板幾何形狀比較復(fù)雜，中部橫截面呈斜N形，兩側(cè)有較長的伸出端，一般分析歸于復(fù)雜類覆蓋件成形。工件表面質(zhì)量要求高，不允許有皺褶、開裂、毛刺、凹坑、麻點、滑移線等。

圖1 SUV背門外檐板

通過模擬實驗發(fā)現(xiàn)，工件成形缺陷很多，零件左右兩端容易出現(xiàn)拉裂和過度減薄，最大減薄率高達32%，上下兩端容易出現(xiàn)拉深不足。

為解決上述問題，經(jīng)過研究和模擬實驗，建立了外檐板拉延成形工藝模擬設(shè)計大綱。

（1）沖壓方向設(shè)計目標為“整體成形”。外檐板在拉延過程中，所有質(zhì)點都要受外力作用，產(chǎn)生變形－－整體成形。選擇與優(yōu)化沖壓方向，是實現(xiàn)整體成形的主要方法。

（2）通過壓料面和拉延筋的設(shè)計形成外檐板拉延成形過程的“均勻變形”。經(jīng)驗表明，大部分覆蓋件成形缺陷（起皺、拉裂等）產(chǎn)生的原因是非均勻變形。非均勻變形的定義是指較小區(qū)域內(nèi)有力值、力方向（或變形值，變形方向）的大梯度變化。希望通過壓料面和拉延筋的設(shè)計，減小甚至消除外檐板拉延成形中的非均勻變形，保證工件無缺陷成形。

（3）通過工藝補充的設(shè)計，保證外檐板的充分變形。覆蓋件成形缺陷之一是“應(yīng)變不足”，工件沒有經(jīng)過應(yīng)變強化效應(yīng)處理，會有剛度低下現(xiàn)象。外檐板形狀復(fù)雜，科學(xué)設(shè)計工藝補充，使工件各處都有≥15%的應(yīng)變量，保證工件具有較大的形狀剛度。

采用商用有限元模擬軟件Autoform進行外檐板拉延工藝模擬設(shè)計，方便快捷。課題研究步驟為：先在UG中設(shè)計建立產(chǎn)品的數(shù)模，然后以.igs格式導(dǎo)入Autoform軟件中，完成前處理，確定零件的凸、凹模和壓料面，最后完成工件拉延工藝設(shè)計和成形數(shù)值模擬。

1 零件材質(zhì)

零件材料牌號為DX54D+Z－C，屬于合金化熱鍍鋅鋼，具有低的屈服點和屈強比、高伸長率、高的塑性應(yīng)變比、高的加工硬化指數(shù)等深沖性能。材料力學(xué)性能如表1所示。

表1 DX54D+Z-C的性能參數(shù)表

2 背門外檐板拉延成形數(shù)值模擬

2.1 沖壓方向的確定

拉延方向是覆蓋件拉深設(shè)計的首要問題，它直接影響著板料拉深成形的結(jié)果。在確定拉延方向時，首先要在一次拉延成形保證拉延凸、凹模能夠完好地進行合模，因為二次拉延過程無法保證成形精度，合模接觸面積大就不會發(fā)生因接觸不穩(wěn)而使材料在成形過程中發(fā)生偏移；然后在設(shè)定的拉延方向盡量使拉延深度均勻，避免產(chǎn)生負角。因此確定最優(yōu)的沖壓方向才能保證拉延過程中材料近于均勻流動，減少拉延缺陷的出現(xiàn)。

在AutoForm軟件的Tip選項中通過分別將Average normal（平均化型面法向）、Min draw depth（最小拉延深度）和Min backdrafe（最大拔模斜度）三者作為拉延方向進行比較，發(fā)現(xiàn)只有將最小的拉延深度作為拉延方向的情況下，零件不存在負角，同時也滿足拉延方向位于對稱面的要求。如圖2所示，該零件在拉延過程中確定最小拉延深度作為沖壓方向。

圖2 沖壓方向

2.2 壓料面設(shè)計

壓料面是位于拉延凹模圓角半徑外的工藝補充部分。在凹模和壓料面閉合的過程中，通過力的作用，壓料面將凹模型腔外的坯料牢牢地壓緊貼合，被壓緊的部分為壓料面。拉延成形時，壓料面材料被控制逐步進入凹模型腔成形。調(diào)整壓料面使成形深度小，盡量使各部分深度接近一致，接近零件截面形狀，這樣壓料面可以使材料流動和塑性變形趨于均勻、減少成形難度。首先在模型生成器中的Binder子菜單下選擇工藝補充后零件圖拾取零件區(qū)域作為初步參考面，設(shè)置的偏移值為10mm。其次通過在Profile項下設(shè)置調(diào)節(jié)線，添加七條相垂直的控制線，通過相交的節(jié)點調(diào)節(jié)壓料面光順和拉延深度，使中部拉延深度基本相等約為100mm，兩端拉延深度最淺約為10mm。零件在AutoForm軟件中的壓料面如圖3所示。

圖3 壓料面示意圖

2.3 工藝補充設(shè)計

工藝補充面是零件與壓料面的過渡部分，為了保證拉深工序順利成形，工藝補充是必不可少的部分。盡量確保拉延深度淺和工藝補充部分小，避免補充材料過多而浪費。根據(jù)背門上外板的實物零件圖，分析了左右兩端彎曲拉深的成形復(fù)雜性，V形的一側(cè)面平整且面積比較大，成形時容易脹形，呈現(xiàn)中間高兩邊低的特點。首先在Bndry子菜單中對不平整的地方添加工藝補充，通過背門上外板拉延成形工藝分析，確定了修邊線，在AutoForm軟件的Bndry選項中對零件模型進行了相應(yīng)的工藝補充。工藝補充數(shù)模圖如圖4所示。

圖4 工藝補充及其輪廓分塊示意圖

2.4 零件拉延成形模擬與分析

該零件需要經(jīng)過拉延成形、斜楔翻邊、斜楔沖孔等多個工序。在以上工序的模具中，拉延模的設(shè)計在諸多模具設(shè)計中是最關(guān)鍵的，它直接決定了拉深件的成形性、表面質(zhì)量和尺寸精度。本文基于Autoform軟件進行背門上外板拉延仿真模擬，預(yù)測可能出現(xiàn)的破裂、拉伸不足等缺陷，為整個模具設(shè)計方案的完善提供依據(jù)。

2.4.1 無拉延筋的模擬結(jié)果和分析

在Autoform的板料生成器中計算出坯料的尺寸和形狀，結(jié)合工廠技術(shù)部分的要求，毛坯為矩形大小為1600mm×565mm。通常按照下式預(yù)估有限元計算中穩(wěn)定壓邊力FBLH：

式中：A——壓邊面積，它等于坯料面積減去凹模型腔開口面積，可容易地在幾何建模環(huán)境下求出。通過計算，A≈592000mm2；

q——單位面積上的壓邊力，根據(jù)《實用沖壓模具設(shè)計手冊》的數(shù)據(jù)，對于厚度大于0.5mm的鋼板來說，q值一般在2～2.5MPa之間。取q＝2.5MPa。

由于板料面積比較大，壓料面作用在板料的有效面積也相應(yīng)較大，故而取壓邊力FBLH=1500kN。

背門外檐板拉延仿真分析中，合理地反映摩擦潤滑狀況對于保證真實而合理的分析結(jié)果至關(guān)重要。通過查表得到鋼對鋼的摩擦系數(shù)，本文選擇的摩擦系數(shù)為0.15。

拉延速度也是影響成形質(zhì)量的一個重要因素。通過Tang S C的研究，實際沖壓過程中凸模的穩(wěn)定速度應(yīng)在250～300mm/s，故設(shè)定凹模與壓邊圈合模速度為250mm/s，凹模與凸模的合模速度為300mm/s。

由于零件尺寸比較大，成形精度要求高，先不設(shè)拉延筋對零件反拉延成形進行初次模擬，得到成形模擬結(jié)果并進行分析，再根據(jù)需要來設(shè)置。模擬后的零件成形性和成形極限圖如圖5所示。

圖5 無拉延筋模擬結(jié)果圖

由圖5可以看出，背門上外板內(nèi)部成形質(zhì)量還算比較好，沒有明顯的破裂區(qū)域和起皺區(qū)域，雖然最大減薄率為29.9%，而此處是要被切邊的部分，不作考慮。在零件的C處，減薄率為24.8%，說明此處板料進料速度比較慢導(dǎo)致過度減薄，瀕臨破裂的危險。這是因為此處存在高度較大的凹圓筒形，該區(qū)域經(jīng)歷兩次彎曲，材料的變形流動方向為筒底部流動到筒壁方向，由于受到凹模圓角的頂壓和成形力的拉伸作用，板厚嚴重減薄。在此區(qū)域，材料的應(yīng)力是三維的，徑向和切向為拉應(yīng)力，厚向為壓應(yīng)力，徑向和切向為拉伸變形，厚向為壓縮變形。而上下近乎直邊的A、B兩區(qū)域進料速度快，零件存在明顯的成形不足，導(dǎo)致零件剛度不足。

2.4.2 整段閉合等效拉延筋的模擬結(jié)果與分析

在保持其他參數(shù)不變的情況下，結(jié)合無拉延筋的模擬結(jié)果，嘗試添加整段閉合式拉延筋進行模擬。結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，采用拉延筋形式為半圓形，拉延筋寬度為15mm，約束因子為0.35，約束阻力為81.7N/mm。整段閉合式拉延筋模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 整段閉合式拉延筋模擬結(jié)果

比較圖5和圖6的模擬結(jié)果可以看出，A處成形不充分區(qū)域明顯減少，B處的成形不充分區(qū)域消失，變?yōu)槌尚伟踩珔^(qū)，零件塑性成形性逐漸完善。然而，通過圖6中的FLD成形極限圖可以看到出現(xiàn)了一些破裂區(qū)，圖6a中的C、D區(qū)域出現(xiàn)了過度減薄，瀕臨破裂。而C處的減薄率為29.9%，近乎合格覆蓋件允許的最大減薄率30%。再與無拉延筋模擬的結(jié)果相比，添加拉延筋加劇了C、D區(qū)域的減薄程度，是因為此處板料開始彎曲，切向的外側(cè)拉伸應(yīng)變，內(nèi)側(cè)壓縮應(yīng)變；厚向越靠近材料外表面，切向的拉應(yīng)變越大，材料擠向曲率中心，板料內(nèi)側(cè)拉應(yīng)變受到外側(cè)材料向曲率中心移近產(chǎn)生的阻礙，也產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而導(dǎo)致C、D處減薄。

2.4.3 分段等效拉延筋的模擬結(jié)果與分析

在不改變其他拉延工藝參數(shù)的條件下，通過調(diào)整拉延筋的分布和阻力大小，合理地避免再次出現(xiàn)成形不補充和破裂的缺陷。添加拉延筋Drawbead1（Curve 1），拉延筋的寬度為15mm，線段中點處的約束因子為0.8，約束阻力186.9N/mm，兩端點處的約束因子均為0.6，約束阻力均為140.2N/mm；添加拉延筋Drawbead 2（Curve 2），其約束參數(shù)與整段閉合拉延筋參數(shù)保持一致。分段等效拉延筋的布置、零件的成形結(jié)果和成形極限圖如圖7所示，實物圖如圖8所示。

圖7 分段式拉延筋模擬結(jié)果圖

圖8 實物圖

從圖7中的FLD成形極限圖可以看出，在分段拉延筋的情況下零件成形非常好。圖7a成形結(jié)果顯示了安全區(qū)域覆蓋了整個零件，說明添加的拉延筋成功阻礙了板料過快流入型腔。圖7b材料減薄率情況也反映了較易出現(xiàn)拉裂的C區(qū)域最大減薄率為24.7%，滿足合格零件減薄率30%的要求，圖8為實際拉延成形生產(chǎn)的零件圖。由此，零件的模擬成形結(jié)果充分體現(xiàn)了分段拉延筋設(shè)計的合理性和有效性。

3 結(jié)語

在保證拉延深度盡可能均勻和零件形狀特點的前提下，通過Autoform軟件進行拉延模面設(shè)計，確定合適的壓料面和工藝補充面；然后對背門上外板進行板料拉延仿真模擬研究，預(yù)測了板料在成形過程中容易出現(xiàn)的拉深不足和破裂等區(qū)域；針對出現(xiàn)的問題，進行了仿真修改，為完善模面設(shè)計方案提供了有力的依據(jù)。同時，通過CAE技術(shù)對模具設(shè)計方案進行評估與優(yōu)化，可大大縮短模具設(shè)計制造、試模修模時間，提高工作效率，節(jié)約生產(chǎn)成本。

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Drawing process design and numerical simulation of back doorcornice for SUV

TIAN Yan,YU Jixing,LIU Kai,YIN Zuohu
（School of Materials Science and Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,Hubei China）

The profile features and forming process of back doorcornice for SUV have been analyzed.The numerical simulation has been conducted to the drawing process for cornice of back door by use of Autoform software from key process aspects of stamping direction,drawbeads,binder surface,addendum surface.The relationship of process/forming quality has been established,including stamping direction and the whole workpiece forming+zero distortion;binder surface,drawbeads and uniform forming;and addendum&sufficient deformation.The process parameters have been adjusted and optimized according to the simulation results. The stability of forming process for back doorcornice has been improved.It provides reference for drawing die design of the back door cornice.

Drawing process;Cornice of back door for SUV;Autoform;Stamping process;Numerical simulation

TG386.3+2

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.024

1672－0121（2016）04－0077－04

2016－03－19；

2016－05－08

田 焱（1990－），男，碩士在讀，主攻金屬材料加工