汽車深拉深筒形件成形工藝數(shù)值模擬研究

成波

美特富精密拉深技術(shù)（無錫）有限公司 江蘇無錫 214000

拉深是沖壓中最主要的成形工藝之一，隨著機(jī)械制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化程度越來越高，拉深件的制造不僅要滿足大規(guī)模量產(chǎn)，而且對其質(zhì)量和開發(fā)成本的要求也越來越高。使用CAE 軟件對拉深成形工藝進(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化也逐漸被認(rèn)知，Unai Ulibarri等人利用Autoform軟件對特殊材料的航空流線型拉深件進(jìn)行數(shù)值模擬[1]。黃昭明等人對汽車C柱連接支架進(jìn)行了多工位連續(xù)沖壓成形的模擬仿真[2]，上汽通用五菱的徐冰鋒等人也利用Autoform軟件對汽車尾門外板的成形工藝進(jìn)行分析和優(yōu)化[3]。但目前Autoform軟件在企業(yè)實(shí)際深拉深件的開發(fā)過程中使用較少。本文以汽車零部件中的深拉深筒形件為例，計(jì)算設(shè)計(jì)拉深成形工藝，使用Solidedge進(jìn)行模具設(shè)計(jì)后導(dǎo)入Autoform軟件對拉深成形進(jìn)行數(shù)值模擬，分析拉深成形過程中的不足，并針對實(shí)際情況進(jìn)行修正，從而獲得合適的生產(chǎn)工藝，避免在生產(chǎn)中遇到工件成形質(zhì)量的問題，減少工藝開發(fā)時(shí)間，降低模具設(shè)計(jì)及制造的成本。

產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)

此次拉深成形的筒形件為某汽車安全氣囊氣體發(fā)生器的殼體，材料是S420MC，屈服強(qiáng)度420MPa，抗拉強(qiáng)度500MPa左右，該材料成形難，工藝要求高。由于安全氣囊外殼的特殊性，因此對壁厚的要求較高，壁厚要求至少2.2mm，外徑為40mm，高度為70mm，如圖1所示。由于拉深過程會(huì)使壁厚減薄，為了保證壁厚，可以先選用2.4mm的料板進(jìn)行加工成形。

圖1 圓筒形深拉深件

根據(jù)深拉深件的毛坯直徑計(jì)算公式、拉深高度計(jì)算公式、拉深系數(shù)表以及模具圓角半徑的選用表，來初定該拉深件的工序和尺寸[4]。

1.取修邊余量，計(jì)算毛坯直徑

取修邊余量δ=2.5mm。

根據(jù)零件形狀對應(yīng)的計(jì)算毛坯直徑：

式中D——毛坯直徑（mm）；

d1——底部平面直徑（mm）；

r——底部圓弧半徑（mm）；

d2——產(chǎn)品內(nèi)徑（mm）；

h——除圓弧外零件高度（mm）；

r1——產(chǎn)品口部圓弧半徑（mm）；

d4——產(chǎn)品外徑（mm）；

d3——產(chǎn)品不帶凸緣外徑（mm）。

計(jì)算所得毛坯直徑D為106mm。經(jīng)計(jì)算，凸緣相對直徑為1.22mm，材料相對厚度為2.26mm，根據(jù)相對直徑和相對厚度值可以得到最大相對高度約為0.8mm。而該件的最大相對高度為1.78mm＞0.8mm，屬于深拉深件，需要多步拉深成形。該件屬于窄凸緣筒形拉深件，可以先拉深成筒形，然后再將凸緣翻出。

2.確定拉深系數(shù)

S420M C屬于酸洗鋼板，取第一次拉深系數(shù)為m1=0.55，第二次拉深系數(shù)為m2=0.78，第三次拉深系數(shù)為m3=0.80。由此計(jì)算得：

首次拉深直徑d1=Dm1=59mm，第二次拉深直徑d2=d1m2=47mm，第三次拉深直徑d3=d2m3=37.6mm。

3.選擇各次拉深的圓角半徑

數(shù)值模擬過程中，選用的沖頭凹模的R角半徑確定如下：

首次拉深凹模圓弧半徑R凹1=10mm；第二次拉深凹模圓弧半徑R凹2=6.5mm；第三次拉深凹模圓弧半徑R凹3=4.5mm。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式R凸n=（1～0.6）R凹n則：首次拉深凸模圓弧角R凸1=10mm，第二次拉深凸模圓弧角R凸2=6.5mm，通常最終拉深凸模的圓弧角應(yīng)與零件一致以達(dá)到產(chǎn)品尺寸，因此最終拉深凸模圓弧角R凸3=18mm。

4.確定各工序的半成品高度

根據(jù)圓筒形拉伸件的拉深高度計(jì)算公式：

式中D——圓餅直徑（mm）；

k1——首次拉深的拉伸比，k1=1/m1；

d1——首次拉深直徑（mm）；

r1——首次拉深件底部圓角半徑（mm）。

通過計(jì)算獲得：首次拉深的高度h1=38.9mm；第二次拉深高度h2=52.4mm；第三次拉深高度應(yīng)為最終產(chǎn)品高度，h3=70 mm，得出具體工序圖，如圖2所示。

圖2 拉深工序

工件拉深完成后再經(jīng)過相應(yīng)的整形工位將工件口部的圓弧角整形成所要求的尺寸R2.2mm，然后再使用直徑為41mm的切刀進(jìn)行修邊。

Autoform 成形模擬分析

運(yùn)用Autoform軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，首先利用Solidedge 軟件建立每步的沖頭及凹模的三維模型，沖頭凹模的尺寸采用以上計(jì)算所得的直徑和R角數(shù)據(jù)，模型建立好后保存通用格式導(dǎo)入進(jìn)Autoform Tool中。

在Autoform軟件中導(dǎo)入模具后，在材料庫中選擇S420MC材料并定義厚度2.4mm。隨后選擇生產(chǎn)工藝流程，定義圓餅直徑D=106mm，如圖3a所示。設(shè)置模具沖壓方向，調(diào)整沖頭凹模間隙，定義拉深長度。隨后選擇所需要的分析結(jié)果開始運(yùn)行軟件，第一步拉深模擬結(jié)束之后可獲得如圖3b所示的模擬結(jié)果。在此基礎(chǔ)之上再次導(dǎo)入第二步拉深的模具，增加工藝流程，調(diào)整模具參數(shù)進(jìn)行第二次拉深，拉深模擬結(jié)果如圖3c所示。重復(fù)以上設(shè)置再進(jìn)行最終拉深模擬得到最終拉深結(jié)果（見圖3d）。利用Autoform軟件進(jìn)行拉深數(shù)值模擬可以得到模型的壁厚/開裂、起皺、成形形程中的受力、幾何尺寸、應(yīng)力應(yīng)變、溫度以及模具的磨損情況等仿真結(jié)果，取其中壁厚數(shù)據(jù)（各層最大及最小壁厚數(shù)值）形成云圖來分析。

圖3 拉深成型壁厚變化云圖

模擬分析的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，材料在拉深中會(huì)出現(xiàn)材料減薄現(xiàn)象，最終拉深壁厚最薄處為2.115mm，無法滿足工件壁厚最少2.2mm的要求。

此外，可以通過各步拉深成形極限圖（FLD圖）來分析拉深效果，如圖4所示。前2次拉深效果很好，但最終拉深FLD圖中，在零件口部有幾處顯示紅點(diǎn)，這表示零件口部在成形過程中應(yīng)變較大導(dǎo)致拉深不良，口部的壁厚會(huì)受到影響，也容易發(fā)生起皺現(xiàn)象。

圖4 成型極限FLD圖

工藝參數(shù)優(yōu)化

此深拉深件壁厚有至少2.2mm的要求，結(jié)合模擬分析的結(jié)果以及S420MC板材厚度選用和考慮原材料成本等方面的因素，將原材料厚度2.4m m的基礎(chǔ)之上增加0.1mm，并在Autoform中重新設(shè)置圓餅厚度為2.5mm。同時(shí)為了改善零件口部成形不良的問題，使用Solidedge重新建模，將最終拉深的凹模圓弧半徑R加大，由R4.5mm改為R5mm，并將模型導(dǎo)入到Automform中替換掉之前導(dǎo)入的凹模模型。再次進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示數(shù)值調(diào)整之后，最終拉深件的壁厚最薄處為2.211mm，F(xiàn)LD圖上沒有紅點(diǎn)，如圖5所示。通過該數(shù)值模擬獲得了較為可靠的工藝之后再對該工藝進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)確認(rèn)。

圖5 優(yōu)化R角及材料壁厚數(shù)值模擬結(jié)果

實(shí)際生產(chǎn)確認(rèn)

利用數(shù)值模擬分析之后的工藝參數(shù)及模具數(shù)據(jù)來進(jìn)行生產(chǎn)確認(rèn)，生產(chǎn)狀況穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)成形不良等工藝問題，通過后續(xù)的整型及切邊，實(shí)際生產(chǎn)出的工件如圖6所示。取不同層級(jí)的測量點(diǎn)來測量工件的壁厚，測量結(jié)果顯示，最小壁厚為2.218mm。

圖6 量產(chǎn)的工件

零件在生產(chǎn)過程中，通過數(shù)值模擬分析優(yōu)化，有效避免了拉深成形中的起皺現(xiàn)象，壁厚滿足零件的最低厚度要求，能夠進(jìn)行大批量生產(chǎn)。

結(jié)語

對于需要多步拉深成形的筒形件，理論計(jì)算從而設(shè)計(jì)的拉深工藝存在各種未知的質(zhì)量問題，通過Autoform軟件對拉深成形工藝進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可以直觀的得到壁厚數(shù)據(jù)以及拉深過程中成形不良的位置。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化和數(shù)值模擬分析，可以獲得較為可靠的生產(chǎn)工藝。

根據(jù)模擬分析對成形工藝進(jìn)行優(yōu)化，從而避免量產(chǎn)中遇到較為嚴(yán)重的質(zhì)量問題，對于企業(yè)實(shí)際研發(fā)生產(chǎn)中驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性、提高試模的成功率、節(jié)約模具開發(fā)成本與制造周期以及為產(chǎn)品的質(zhì)量提供保障，具有極大的參考價(jià)值。