CN100汽車發動機油底殼一次拉深成形探索研究

胡建華，覃 天，蘇廣才，黃曉珍

（1.柳州五順汽車配件廠，廣西 柳州 545005；2.廣西工業職業技術學院機械系，廣西 南寧 530001；3.廣西大學材料科學與工程學院，廣西 南寧530004；4.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

CN100汽車發動機油底殼是非常典型的“龍門口”類型的板料沖壓拉深零件，如圖1所示。

圖1 油底殼零件結構示意圖

這種類型的零件變形程度大，尺寸精度高，拉延深度為145 mm。拉深變形時的受力情況、金屬變形情況以及流動規律，都極為復雜[1]，而且金屬板料沖壓的時候，容易出現起皺、破裂、減薄、未充分拉深和出現回彈量過大的問題[2]，在油底殼成形工序中，拉深是其中最為關鍵與最核心的部分。

由于CN100汽車發動機油底殼是典型的“龍門口”類型的板料沖壓拉深零件，拉深次數的多少與企業的生產成本是直接關聯的。因此，為了得到CN100汽車發動機油底殼最佳的拉深工藝方案，本文探討了油底殼一次拉深成形工藝方案的可行性。

1 展開獲得坯料輪廓線

合理地確定油底殼毛坯的尺寸及其形狀非常重要，像油底殼這種“龍門口”零件，拉伸的時候各處變形的不均勻，會導致工件型腔進料的不均勻，所以零件的品質相對是難以控制的[3]。因此，對零件的沖壓毛坯在大批大量生產之前，就應該對其形狀進行優化設計，提高板料的成型品質[4]，獲得表面品質高并且板厚變化均勻的零件。

Dynaform發展到5.5的版本時，增加了“BSE”即“坯料工程”，可以幫助用戶準確地預測出毛坯的外形尺寸，幫助用戶縮短計算毛坯的時間，縮短制造的周期[5]。零件展開后所得到的毛坯展開線（如圖2所示），毛坯的長度與寬度如圖3所示。

圖2 毛坯展開輪廓線

圖3 毛坯展開輪廓線的長度與寬度

2 拉伸成形方案

本方案毛坯采用長方形的毛坯，長方形的實際尺寸：長×寬為549 mm× 412 mm，圓角半徑為R 35 mm。在該方案中，采用與展開毛坯輪廓線相切的長方形毛坯，然后把4個直角改成圓角，如圖4所示。

圖4 毛坯圖

一般來說，在矩形盒的拉深中，轉角部分的變形最為嚴重，容易引起變形與開裂。因為在變形的過程中，矩形的直邊部分，是產生移動而形成彎曲變形，此部分產生很小的抗力；而在轉角的部分，產生很大的抗力，所以在轉角的部分變形相當的激烈[6]。

另一原因是，在轉角部分比直邊部分金屬流動得慢。故把直角改成直徑為Φ 35 mm的圓角，這樣有利于零件成形[7]。

工藝參數如下：

板料厚度為t=1.5 mm；

凸凹模間隙一般取板料厚度的1.1 t，所以凸凹模間隙1.65 mm；

摩擦系數在Dynaform中，鋼與鋼之間的摩擦系數采用的是0.125；

虛擬沖壓速度2 000 mm/s。

該方案在后處理當中的成形極限圖如圖5所示，厚度減薄率示意圖如圖6所示。

圖5 成形極限圖

圖6 厚度減薄率圖

從成形極限圖5可清楚地看到，油底殼破裂嚴重，油底殼底部的深盒出現連續的的環形大面積拉裂，整個盒體嚴重破裂，產品嚴重報廢。

觀測圖6板料減薄率圖，板料在這部分減薄率最大為92.858 971%，大大超過了允許的30%的極限。

在油底殼的側面取節點62 610（如圖5所示），背面取節點67 895（如圖5所示），這兩個節點均為隨機選取，詳細探討引起油底殼大面積破裂的應力因素。

圖8是節點62 610的正應力分量σxx，σyy，σzz在X，Y，Z方向上隨時間變化的曲線圖。

圖7 節點62 610軌跡圖

圖8 節點62 610在XX、YY、ZZ方向的正應力

追蹤該節點62 610從沖壓開始到沖壓結束的運動軌跡（如圖7所示），在成形極限圖中觀測該節點，發現當動畫運行到第9幀的時候（如圖9所示），時間點為0.013 108 s（如表1所列），油底殼側面還沒有裂，而當動畫運行到第十幀（如圖10所示），時間點為0.016 641 s（如表1所示），發現油底殼側面已經裂開，在圖8中觀測到在該時間點Z方向的應力達到一個極大值，約為650 MP，而在該時間點X方向的應力約390 MP，在Y方向的應力約為30 MP，在該時間點X、Y、Z 這3個方向上的應力關系為

根據此可推斷，Z方向的應力，是油底殼產生破裂的主要因素。

圖9 節點62 610第9幀的成形極限圖

圖10 節點62 610第10幀的成形極限圖

圖12是節點67 895的正應力分量σxx，σyy，σzz在X、Y、Z方向上隨時間變化的曲線圖。追蹤該節點67 895從沖壓開始到沖壓結束的運動軌跡（如圖11所示），在成形極限圖中觀測該節點，發現當動畫運行到第十幀的時候，時間點為0.016 641 s（如表1所示），油底殼側面尚未破裂，但有破裂的危險（如圖13所示），而當動畫運行到第十一幀，時間點為0.020 173 s（如表1所示），發現油底殼背面已經裂開（如圖14所示）。

圖11 節點67 895軌跡圖

圖12 節點67 895在XX、YY、ZZ方向的正應力

圖13 節點67 895第10幀的成形極限圖

圖14 節點67 895第11幀的成形極限圖

在圖12中觀測到，在該時間點Z方向的應力達到一個極大值，約為750 MP，而在該時間Y點方向的應力約500 MP，在X方向的應力約為80 MP，在X、Y、Z 這3個方向上的應力關系為

根據此可推斷，Z方向的應力，是油底殼產生破裂的主要因素。

由節點62 610、節點67 895的應力分析可知，引起大面積破裂的主要因素，來源于Z方向的應力。

表1 成形極限圖每一幀圖所對應的時間

表2 節點在3個方向的應力

從各節點3個方向的應力曲線圖可以看出，造成零件材料破裂的主要應力，是來自各個節點Z方向的應力，分別為650 MPa、750 MPa。另外一個原因，是最大應力與最小應力相差懸殊，從而引起破裂。從表2可以看出，在在破裂的瞬間，節點62 610 Z方向的應力，比最小應力大620 MPa，節點67 895 Z方向的應力，比最小的應力大670 MPa。

3 結束語

在以上的方案當中，明顯可以看出，破裂的主要區域來自深盒區域；而且出現大面積拉裂的部位，基本是出現在深盒中段部位，考慮采用二次拉深成型的可行性。

在二次成形的結果，要重點考慮深盒部分，深盒容易拉裂，因為其深度達到145 mm，那么在考慮拉深工藝的時候，首先把深盒部分先拉出一部分，這個作為第一步，然后第二次拉深的時候，再完整地把整個油底殼完整地拉出來，以此作為拉深工藝的初步設想。

[1]龔紅英，何丹農，張質良.計算機仿真技術在現代沖壓成形過程中的應用[J].鍛壓技術，2003，（5）：35-38.

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[3]JWoodthorpe，R Pearce.The Anomalous Behavior of Aluminum sheets under Balanced Biaxial Tension[J].International Journal of Mechanical Science，1970，（12）：341-360.

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[5]彭穎紅.金屬塑性成形數值模擬技術[M].上海：上海交通大學出版社，1999.

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