汽車手剎固定板成形工藝數值模擬研究

滕海灝，彭夢霞

重慶大學材料科學與工程學院（重慶 400044）

1 引言

汽車覆蓋件沖壓成形是一類特殊而又典型的板料成形工藝過程。汽車覆蓋件在成形過過程中，受力情況復雜多變，塑性變形程度大，毛坯在各個工序中都會產生撓度巨大的塑性流動，極易產生各類缺陷[1]。這些涉及復雜數理模型的問題顯然無法用單一、靜態的算法準確地描述，這時，有限元算法的提出和應用以及計算機技術的飛速發展，為解決這些問題提供了新的可能。通過對一些具體的汽車覆蓋件進行數值模擬分析，工作人員可以加深對有限元原理的理解，深刻體會有限元算法和計算機技術在實際生產中的巨大優越性。

同時，根據模擬分析的結果，還可以用精確的計算代替傳統的經驗判斷，合理預測制件成形效果，有效優化各類工藝參數，顯著減少試模的時間成本，給企業帶來巨大的經濟效益。汽車手剎固定板是卡車中的一個典型的部件，該制件尺寸不大、拉伸深度較淺但形狀比較復雜，拉伸過程中存在的大面積拉伸不足、過度減薄以及破裂問題[2]。本課題利用高效的計算機輔助技術，使用數值模擬軟件AutoForm對汽車覆蓋件的沖壓過程進行精確的數值模擬計算，在適當的位置合理添加拉伸筋，分析比較摩擦系數、壓邊力等不同工藝參數對汽車手剎固定板成形質量的影響，歸納總結成形規律。同時，根據軟件計算結果的反饋。采用優化設計方法，初步分析得出沖壓生產工藝參數的最優解，預判制件成形質量，改進模具設計，壓縮資源成本，這些工作對手剎固定板的模具設計、工藝方案優化、規模化投產具有重要的參考和指導意義。

2 汽車手剎固定板成形工藝分析

2.1 汽車手剎固定板工藝性分析

汽車手剎固定板具有汽車覆蓋件的典型特征（見圖1），與其它沖壓件不同的是，該制件尺寸不大、材料厚度小、拉伸深度較淺但空間結構比較復雜，對成形質量要求高，拉伸過程中各部位應力應變分布不均勻[3]，可能存在大面積拉伸不足、過度減薄以及破裂等缺陷。根據該覆蓋件的結構特點，可確定第一道工序為拉伸，由于拉伸深度較淺，采用一次拉伸成形。隨后進行修邊工序，將多余的坯料切除。再根據各孔洞尺寸大小完成沖孔工序，最后對局部結構進行翻邊，即可得到最終制件。汽車手剎固定板成形設計流程如圖2所示。本文主要針對拉伸工序進行詳細探究。

圖1 汽車手剎固定板三維圖

圖2 汽車手剎固定板成形設計流程

2.2 沖壓方向的確定

在確定拉伸工藝方案時，首先面臨的問題是確定拉伸方向。拉伸方向既能影響汽車制件的成形質量，也會改變型面設計的參數。因此，擬定拉伸方向是拉伸工序乃至整個工藝方案的關鍵基礎[4]。

經綜合考慮，將此汽車手剎固定板的沖壓方向選定為與平面法蘭垂直的方向，即為中箭頭方向，原因如下：

（1）該沖壓件具有復雜的三維輪廓，凸模在工作過程中難以完全接觸凹模，出現“死區”[5]。該拉伸方向能最大程度地保證模具順利拉伸件的順利貼合，一次成形全部空間形狀。

（2）該沖壓方向較好地滿足了初始階段凸模與坯件間的接觸條件：較大的接觸表面且作用點均勻，將局部坯料的脹形程度限制在合理的范圍，避免局部坯件的錯位，消除破裂隱患；大致相等的的凸模包容角利于各區域法蘭內的原始坯料在成形過程中流動均勻，減少工件的表面缺陷。

圖3所示為汽車手剎固定板沖壓方向。

圖3 汽車手剎固定板沖壓方向

2.3 壓料面的設計

汽車覆蓋件往往輪廓復雜，受力不均，為了改善拉伸工序沖壓件的成形條件，提高制件塑性剛度，往往需要在最終制件上補充一部分結構，這部分結構稱為工藝補充[6]。工藝補充的好壞將會對拉伸件成形質量產生一定的影響。大部分汽車覆蓋件都需要先添加工藝補充部分，然后根據所設計的拉伸件才能進行沖壓成形。

模擬計算先進行拉伸工序分析，對汽車手剎固定板進行合理的工藝補充，得到利于高質量拉伸成形的型面。總之，工藝補充的設計方案，將決定各類工藝參數的取值，深刻影響了整個沖壓過程的成形效果。因此，必須兼顧工藝補充設計原則，優化工藝補充方案，并充分考慮后面修邊、沖孔、整形、翻邊等工序的工藝內容，為后序工藝順序進行奠定良好基礎[7]。

壓料面是制件工藝補充的關鍵構成，指凹模圓角外側的區域。合適的壓料面設計方案，可以有效控制原始坯料的變形程度，合理調節壓料面的毛坯材料向凹模內的流動速度，改善其流動條件，有效避免回彈、拉裂等缺陷的產生。壓料面的形狀有兩種情況：一種是直接使用工藝補充型面；另一種壓料面既包括工藝補充，同時也加入了工件的法蘭面。本次拉伸工序選擇前者，圖4所示是汽車手剎固定板的壓料面設計方面CAD模型。

圖4 壓料面設計方案

該設計的理由如下：

（1）該壓料面為水平壓料面，形狀簡單，平面高度變化平緩，原始坯料流動順暢，利于調節阻力大小浮動情況，使塑性變形分布均勻，有效避免拉伸成形過程中各種缺陷，保證了良好的拉伸條件。

（2）在調模過程中，該方案可以優化壓料面所受的阻力狀態，利于探究最優成形條件，提高成形質量。

（3）如圖5所示，該壓料面的斷面曲線長度l0與拉伸件內部斷面曲線長度l1滿足數量關系：l0＜0.97l1。同時，壓料面的仰角α與凸模仰角β滿足：β＜α。這些參數保證了制件各截面上的延伸率高于3%，減少余料，避免松弛、皺折等缺陷。

圖5 壓料面剖面和拉伸件剖面內長度

（4）其中針對制件兩側存在高低差而造成拉伸深度不同，從而可能影響制件成形性的問題，在工藝補充時將壓料方式設計成特殊的曲面壓力，降低高度差

2.4 拉伸筋的設置

在汽車覆蓋件拉伸成形過程中，一個大小合理、分布均勻的拉力能改變坯件的流動條件，改善成形效果。這個拉力可以由沖壓設備提供，又能通過壓料面擠壓或坯件法蘭部分的變形得到。坯件在成形過程受到壓料面擠壓產生的壓邊力，由此與工具體間存在一定的摩擦力，但是這個摩擦力不大，不足以改變材料的流動條件，影響坯件的塑性變形程度。此時，拉伸筋的設置就顯得尤為重要，它對對坯件的較大阻力夠補充拉力條件的不足，顯著改善拉伸效果。拉伸筋的設計由此成為沖壓過程的關鍵。這一小節主要研究的問題是：是否布置拉伸筋、如何布置、采用何種方式布置拉伸筋。

該覆蓋件采用如圖6所示的布置形式：①A處為凸出的弧形輪廓，材料所受塑性流動阻力大，故在此處不采用拉伸筋；②B處形狀內凹，坯料所受變形阻力不大，容易在此處堆積增厚，為減少起皺幾率，在此處布置一條長拉伸筋；③C處輪廓形狀為直線，材料流動順暢，易導致厚度不均，根據直線輪廓的長度，在此采用一條長拉伸筋；④D處制件結構向內凹圓弧，材料隨工具體擠壓容易從兩側涌入，導致拉伸程度不足，為此于該處設置一條長拉伸筋，以增加翻邊區域的材料流動阻力，控制小范圍板料流動方向，減少起皺與拉伸不足；⑤E處結構外凸，坯料變形所受阻力過小，于是在此布置一條深長筋，如圖6所示。

圖6 拉伸筋的布置

3 汽車手剎固定板成形仿真模擬

3.1 仿真過程參數設定

經綜合考慮，將汽車手剎固定板拉伸成形的一些工藝參數做如下設置：

（1）摩擦系數。摩擦系數直接影響了坯料在型腔內流動中所受的阻力，適當的摩擦系數能有效提高汽車手剎固定板的表面質量，為此，本次模擬初選摩擦系數大小為0.13。在AutoForm中，摩擦系數可以有兩種設置方法：一種是在“process”項目下，點擊當前拉伸工序“D-20”，在“Lube”分項中設置本次拉伸工序的摩擦系數為0.13；另一種方法可以一次設定整個成形工藝所有工序的摩擦系數，即在“process”項目下的“PL”模塊，設定摩擦系數為0.13，該數值可以為后面各工序共享。

（2）活動距離和沖壓速度。在保證模擬精度和成形質量的前提下，適當提高沖壓的速度，可以減少計算時間，提高工作效率。初選活動距離為700mm，沖壓速度為233mm/s，因而凹模運動時間為3s。設置方法為在“PL”模塊下手動輸入“Stroke”、“velocity”的值。

（3）模具間隙。模具間隙會影響汽車手剎固定板的對表面質量，為滿足其成形質量要求，初選模具間隙值為3mm，以凸模作為基準側。設置方法為在“Tool”下的“Punch”分項中設定模具間隙“Clearance”的值為3mm。

（4）壓邊圈緩沖行程和壓邊力。壓邊力在實際生產中由單動壓力機提供，并受液壓彈性裝置的限制，它能限制原始坯料流動，改變材料所受變形阻力，其參數值的大小深刻影響這汽車覆蓋件的成形效果。根據前文所述的工藝分析和壓料面的尺寸大小，初步確定壓邊力為570kN，壓邊圈緩沖行程距離為200mm。設置步驟為：在“D-20”工序下的“Tool”模塊中點擊“Binder”進入壓邊圈設置界面，設定“Cushion Stroke”為 200mm，“ConstantForce”為570kN。

（5）拉伸筋。本次模擬采用虛擬拉伸筋，將提前在catia中繪制完成的拉伸筋線條導入AutoForm中。考慮到拉伸工件各部位深度不一，將各個拉伸筋系數都設為0.5，設置的步驟是在“D-20”工序下選擇拉伸筋設置模塊“Drawbeads”，依次導入各條虛擬拉伸筋后，將各拉伸筋的系數Force Factor設為0.5。

3.2 各工藝參數對拉伸成形的作用規律

3.2.1 摩擦系數的影響規律

摩擦系數是決定汽車手剎固定板模擬成形計算效果好壞的關鍵參數之一[8]。通過改變摩擦系數，可以有效控制原始坯料在模具型腔中流動的受力情況，改善沖壓制件的成形條件。

本節采用控制變量的研究方法，令其余影響因子恒定不變，僅改變摩擦系數，分別在0.10、0.12、0.14、0.15、0.16、0.17、0.19、0.21的摩擦系數取值條件下，模擬分析手剎固定板的成形過程，得到各摩擦系數下的拉伸制件FLD和成形效果云圖。在這些圖中，選出四個拉伸效果較為典型、具有臨界意義的的FLD及成形效果圖，它們的摩擦系數分別是0.10、0.15、0.17、0.21，見圖7～圖10所示。同時統計不同摩擦系數下各拉伸制件最大減薄率和最大增厚率，得到圖11所示。

圖7 摩擦系數為0.10時制件的FLD和成形效果云圖

圖8 摩擦系數為0.15時制件的FLD和成形效果云圖

圖9 摩擦系數為0.17時制件的FLD和成形效果云圖

圖10 摩擦系數為0.21時制件的FLD和成形效果云圖

圖11 最大減薄率和最大增厚率隨摩擦系數的變化趨勢

圖7 表示當摩擦系數在一個較低的取值時，坯件拉伸程度存在較大面積的不足。局部材料明顯出現堆積，且這種增厚現象不僅出現在需要切除的工藝補充部分，也出現在了制件的工作表面，雖然不足以形成起皺，但仍值得警惕；圖8表示當摩擦系數增大到0.17時，各區域拉伸深度得到較好改善，但拉伸件開始在標注點出現拉裂的隱患；由圖9可見，當摩擦系數增大到0.21時，表示破裂的紅色區域開始出現；而圖10表示摩擦系數為理論初算值0.15時，成形較為均勻，幾乎沒有明顯缺陷。圖11則呈現了坯件厚度隨摩擦系數改變所遵循的一些變化特性。總結上述圖表，可歸納出以下規律：

（1）減小摩擦系數可以降低拉伸件過度減薄而導致的拉裂風險，卻會伴隨著材料堆積，增大起皺的幾率。增加摩擦系數取值可以明顯提高綠色安全區域的占比，使拉伸充分，優化拉伸質量，但是也存在破裂臨界值。摩擦系數改變模擬結果質量的機理是，它限制了坯件的受力狀態，在越小的摩擦系數下，坯料流動受阻越小，進入凹模更順暢，過多的坯料流入就會形成堆積，導致起皺。相反地，摩擦系數越大，坯件越難以充分填充工具體型腔，部分區域材料流入不足，產生破裂風險。因此，為得到高質量的拉伸件，需要以避免缺陷為前提，在特定的數值范圍內，適當地增大摩擦系數。

（2）坯件的最大減薄率與摩擦系數成正相關，當摩擦系數增加到0.17以后，減薄率開始出現驟變，此摩擦系數臨界值恰好對應于制件剛要破裂時的FLD，破裂處不再遵循相應規律；同時，制件的最大厚度與摩擦系數呈負相關聯系，當摩擦系數以高于0.15的取值逐漸增大時，最大厚度平緩降低，而摩擦系數在0.15以下減小時，最大增厚率以略大的幅度增加；

（3）由此得到本次拉伸模擬摩擦系數的合理范圍是0.14到0.16，最佳摩擦系數為0.15，模擬結果與理論計算值較為契合。

3.2.2 壓邊力的影響規律

除摩擦系數外，壓邊力同樣是決定拉伸件成形質量的關鍵參數[9]。壓邊力通常由壓力機上的壓邊圈提供，可以方面地調整其數值的大小，以探究壓邊力對沖壓件成形效果的影響規律。壓邊力對拉伸件質量的影響機理在于，它能影響坯件由法蘭面流向凹模時的受力情況，調整坯料流動時與壓邊圈或工具體間的摩擦力，改變進料的難易程度，從而影響最終制件的拉伸質量。此外，壓邊力的改變直接影響了工具體所受載荷的大小，更與設備的工作效果和使用壽命聯系緊密。

基于壓邊力的初始理論值600kN，分別模擬計算壓 邊 力 為 540kN、570kN、600kN、630kN、660kN、690kN、720kN、750kN時的成形效果。當壓邊力取值為570kN、600kN、630kN、720kN時，成形性效果顯著，具有代表性特征，統計各壓邊力下的材料最大減薄率和最大增厚率，得到圖12所示結果。

圖12 最大減薄率和最大增厚率隨壓邊力的變化趨勢

4 結論

本次模擬先對汽車手剎固定板進行工藝分析，確立完整的成形工藝流程。再逐步確定拉伸方向、壓料面、工藝補充面、拉伸筋的設置方案，完成拉伸件的型面設計，然后利用AutoForm軟件對手剎固定板進行了沖壓成形數值模擬，研究了各工藝參數對拉伸成形質量的影響規律，并分析了原因。最后采用正交試驗優化設計方法，進一步優化了工藝參數，得到以下結論：

（1）對于形狀不對稱、曲面復雜的手剎固定板，成形過程中易出現拉伸不足。缺陷產生的原因主要是在成形過程中，板料流動阻力不足，流動速度不均勻。

（2）減小摩擦系數、壓邊力，增大凸、凹模間隙、凹模圓角，這些參數的改變有利于減小材料流動阻力、變形阻力，使沖壓件出現材料堆積、增厚的趨勢，存在起皺、拉伸不足的風險。反之，若增大摩擦系數或壓邊力，減小凸、凹模間隙或凹模圓角，則會增加材料流動、變形的困難，導致材料分布不均，局部區域過度減薄乃至破裂。