基于CAE端蓋拉伸模設計

袁可平，楊延相，耿 祥，談秉乾

（無錫恒和環保科技有限公司，江蘇無錫 214177）

1 引言

在發動機排氣系統中，端蓋作為一種連接過渡件，幾乎每臺柴油，汽油車在大批量使用，不同型號發動機使用不同種類端蓋。由于大批量不同種類直徑的使用，需找到一種切實可行，效率高、成本低的開模方案。

CAE有限元分析軟件正是解決了實際生產中的需求，有限元軟件可以幫助設計人員：①驗證沖壓模具設計的工步，減少開模成本；②提高模具設計成功率，在電腦上就能驗證內容；③減少試模成本；④縮短新品的開發周期。

Dynaform專為深拉伸設計了一個全自動的（也可手動劃分網格）網格劃分系統：專業模擬模塊化、集成化的模塊，包括前處理、模擬器、后處理器3大模塊。前處理器處理對坯料，模具進行輸入、成形條件的輸入，建立邊界條件，包括有限元網格生成器；模擬器采用彈性、彈塑性、剛（粘）塑性、熱傳導于一體的世界優良有限元求解器；后處理器是將模擬結果可視化，支持0PGI圖形模式，并輸出用戶所需的模擬數據、圖片、視頻等。Dynaform允許用戶對其數據庫進行操作，對系統設置進行修改，以及定義自己的材料模型等端蓋結構及加工工藝簡介。

端蓋是一種深拉伸件，材料一般為SUH409L/SUS441，料厚1.5mm的板材，要求外表面光順平滑，周邊尺寸精度為0.8mm，外觀美觀，制件輪廓圖如圖1所示。由于制件成形時拉伸量較大，很容易產生拉裂、拉傷、起皺都不良反應很低，材料在拉伸過程中產生塑性變形，會增強制件的剛性，對拉伸不利，容易使制件表面在成形過程中產生表面凹凸不平。

最后翻邊工藝進行成形工藝仿真：主要是模擬制件在沖壓過程中避免發生縮頸現象，通過仿真：改善成形制件尺寸和模具設計，模具試模，從而有效的避免設計的錯誤。本文CAE分析主要內容：使用Dynaform軟件，對工件仿真成形極限云圖和厚度變化圖以及應力分布情況進行綜合分析。

2 毛坯形狀預測

此端蓋要求成品（見圖1）最薄處為1.2mm，外觀美觀，無明顯，撕裂等不良現象。端蓋展開計算：用專業軟件，比如Dynaform、Autoform等軟件展開，展開直徑為φ186.5mm。

圖1 制件

（1）模具工藝步驟分析：由于此端蓋需要多次拉伸成形，每次成形減薄量控制在0.1mm內，以滿足最小減薄率。

（2）假想工藝路線（根據經驗）：假設op10、op20、op30、op40、op50工序成立（見圖2），再由CAE對工藝步驟進行驗證。

圖2 假想成形步驟

3 成形CAE分析驗證

（1）op10成形假設：首次成形是關鍵：根據以往經驗，形狀定位如圖3所示。

圖3 假設第一步成形

采用Dynaform5.9中最優壓邊力方案計算，對其進行網格劃分以及在不同壓邊力下的分析，在壓邊力900,000N下進行分析。成形模擬分析（見圖4、圖5）：最薄處厚度1.05mm，最厚1.6mm不滿足要求，一次性變薄0.45mm，成形極限圖不滿足設計預計要求。

圖4 厚度分布圖

圖5 成形極限圖

在壓邊力700,000N下進行分析，成形模擬分析（見圖6、圖7）：最薄處厚度1.21mm，最厚1.62mm，一次性變薄0.29mm,不滿足要求，成形極限圖不滿足設計要求。

圖6 厚度分布圖

圖7 成形極限圖

在壓邊力500,000N下進行分析，成形模擬分析（見圖8、圖9）：最薄處厚度1.32mm，最厚1.64mm，一次性變薄0.18mm,不滿足要求，成形極限圖不滿足設計要求。

圖8 厚度分布圖

圖9 成形極限圖

在壓邊力201,800N下進行分析：成形模擬分析（見圖10、圖11）：最薄處厚度1.40mm，最厚1.66mm，一次性變薄0.10mm，基本滿足要求，成形極限圖滿足設計要求。

圖10 厚度分布圖

圖11 成形極限圖

在壓邊力100,000N下進行分析，成形模擬分析（見圖12、圖13）：最薄處厚度1.41mm，最厚1.67mm，一次性變薄0.09mm，滿足要求，成形極限圖中，有部分起皺趨勢，基本滿足設計要求。

圖12 厚度分布圖

圖13 成形極限圖

在壓邊力50,000N下進行分析，成形模擬分析（見圖14、圖15）：最薄處厚度1.42mm，最厚1.67mm，一次性變薄0.08mm，滿足要求，成形極限圖種，起皺趨勢明顯，不滿足設計要求。

圖14 厚度分布圖

圖15 成形極限圖

在壓邊力30,000N下進行分析：成形模擬分析（見圖16、圖17）：最薄處厚度1.42mm，最厚1.69mm，一次性變薄0.08mm，滿足要求，成形極限圖種，起皺趨勢十分明顯，不滿足設計要求。

圖16 厚度分布圖

圖17 成形極限圖

在壓邊力10,000N下進行分析：成形模擬分析（見圖18、圖19）：最薄處厚度1.42mm，最厚5.37mm，一次性變薄0.08mm，滿足要求，成形極限圖種，邊緣起皺趨勢異常明顯，不滿足設計要求。

圖18 厚度分布圖

圖19 成形極限圖

總結：綜上所述，op10壓邊力設置:10t；在起皺與減薄量中間權衡；架模調試：可以設置在12～18t范圍內調試，基本滿足設計要求。

（2）op20成形假設。根據以往經驗，形狀尺寸如圖20所示。

圖20 op20成形件尺寸

由于第二部成形不需要壓邊力，所以采用直接成形分析；把op10成形尺寸，在Dynaform中導入op20中成形分析。

成形模擬分析，最薄處厚度1.41mm，最后1.59mm，滿足要求。

成形極限圖種，帶有起皺趨勢，基本滿足設計要求。

op20成形:使得op10變薄處加厚，op20加厚處變薄。

通過CAE分析，op20假設成功。

圖21 厚度分布圖

圖22 成形極限圖

（3）op30成形假設。根據以往經驗，尺寸形狀（見圖23）以下形狀，也就是與外輪廓最終成形件輪廓基本一致。

圖23 op30成形件尺寸

由于第三部成形不需要壓邊力，把op20成形尺寸，在Dynaform中導入op30中成形分析。

成形模擬分析（見圖24、圖25）：最薄處厚度1.36mm，最后1.54mm，滿足要求成形極限圖種，帶有起皺趨勢，基本滿足設計要求。

圖24 厚度分布圖

圖25 成形極限圖

通過CAE分析，op30假設成功。

op40：沖孔切邊，不需要CAE模擬。

（4）op50：2端同步翻邊。由于第三部成形不需要壓邊力，把op40成形尺寸，在Dynaform中導入op50中成形分析。

成形模擬分析（見圖26、圖27）：最薄處厚度1.29mm，最后1.53mm，滿足要求。

圖26 厚度分布圖

圖27 成形極限圖

成形極限圖種，底部帶有起皺趨勢，但是根據以往多次經驗，可以使用，基本滿足設計要求。

4 假想工藝全部經過CAE分析全部成立：設計沖壓模具

4.1 op10模具設計

op10：沖孔拉伸-落料復合模（見圖28），采取后側滑動導向模架，正裝式結構。其工作過程：開模狀態下，先將板料放在凹模上，起動壓力機，滑塊下行，凸凹模先切邊，后成形，壓力機上行時，底下彈料裝置復位，頂出成形件完成第一道工序的加工。

圖28 拉伸落料復合模

試模時候，不斷調整頂出機構力，直到試模成功位置。

4.2 op20成形模具

op20成形模具如圖29所示。試模：把op10工件放置于件放上凹模上，調節頂桿高度，使其放置時候，自動放置于中心處。

圖29 成形模2

4.3 op30成形模具

op30成形模具（見圖30）：試模：把op20工件放置于頂桿上面，調節頂桿高度，使其放置時候，自動對中于中心處，外觀基本成形到位。

圖30 成形模3

4.4 op40切邊沖孔復合模

op40切邊沖孔，沖孔切邊復合模如圖31所示，采取后側滑動導向模架，正裝式結構。其工作過程：開模狀態下，先將板料放在定位型腔上，起動壓力機，滑塊下行，上模筒式沖孔切邊，此模具設計精度很高，試模時候，對模要求高，尤其要值得注意。

圖31 切邊沖孔復合模具

4.5 op50上下翻邊+整形模

op50翻邊成形模具（見圖32），其工作過程：op40工件放置于下模定位處，起動壓力機，滑塊下行，上下模閉合，同時上下翻邊，工件貼合下模，相當于整形。

圖32 翻邊成形模具

經過模具設計加工裝配，試模后，批量化生產，現已經沖壓幾十萬件，質量穩定，滿足了客戶要求。

5 總結

根據經驗假想設計工藝步驟，再通過CAE一步步驗證，測量減薄率以及起皺，再看成形極限圖，把假想沖壓工藝步驟逐步變成現實。①針對某型端蓋的結構及成形特點，采用坯料模擬展料法，制定了該制件拉伸、切邊，沖孔和翻孔5道工序的沖壓成形方案；②利用Dynaform軟件進行了端蓋成形全工序數值模擬，并對成形極限圖、減薄率云圖進行了分析，模擬結果符合成形要求；③按照本文提出的工藝方案進行端蓋沖壓批量化，得到的制件滿足質檢要求，驗證了成形工藝方案的可行性。