基于CAE端蓋拉伸模設(shè)計

袁可平，楊延相，耿 祥，談秉乾

（無錫恒和環(huán)保科技有限公司，江蘇無錫 214177）

1 引言

在發(fā)動機排氣系統(tǒng)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(fā)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(chǎn)中的需求，有限元軟件可以幫助設(shè)計人員：①驗證沖壓模具設(shè)計的工步，減少開模成本；②提高模具設(shè)計成功率，在電腦上就能驗證內(nèi)容；③減少試模成本；④縮短新品的開發(fā)周期。

Dynaform專為深拉伸設(shè)計了一個全自動的（也可手動劃分網(wǎng)格）網(wǎng)格劃分系統(tǒng)：專業(yè)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(wǎng)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(yōu)良有限元求解器；后處理器是將模擬結(jié)果可視化，支持0PGI圖形模式，并輸出用戶所需的模擬數(shù)據(jù)、圖片、視頻等。Dynaform允許用戶對其數(shù)據(jù)庫進行操作，對系統(tǒng)設(shè)置進行修改，以及定義自己的材料模型等端蓋結(jié)構(gòu)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(chǎn)生拉裂、拉傷、起皺都不良反應(yīng)很低，材料在拉伸過程中產(chǎn)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(chǎn)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(fā)生縮頸現(xiàn)象，通過仿真：改善成形制件尺寸和模具設(shè)計，模具試模，從而有效的避免設(shè)計的錯誤。本文CAE分析主要內(nèi)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(yīng)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(xiàn)象。端蓋展開計算：用專業(yè)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(nèi)，以滿足最小減薄率。

（2）假想工藝路線（根據(jù)經(jīng)驗）：假設(shè)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(shè)：首次成形是關(guān)鍵：根據(jù)以往經(jīng)驗，形狀定位如圖3所示。

圖3 假設(shè)第一步成形

采用Dynaform5.9中最優(yōu)壓邊力方案計算，對其進行網(wǎng)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計要求。

圖18 厚度分布圖

圖19 成形極限圖

總結(jié)：綜上所述，op10壓邊力設(shè)置:10t；在起皺與減薄量中間權(quán)衡；架模調(diào)試：可以設(shè)置在12～18t范圍內(nèi)調(diào)試，基本滿足設(shè)計要求。

（2）op20成形假設(shè)。根據(jù)以往經(jīng)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(shè)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(shè)成功。

圖21 厚度分布圖

圖22 成形極限圖

（3）op30成形假設(shè)。根據(jù)以往經(jīng)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(shè)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(shè)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(jù)以往多次經(jīng)驗，可以使用，基本滿足設(shè)計要求。

4 假想工藝全部經(jīng)過CAE分析全部成立：設(shè)計沖壓模具

4.1 op10模具設(shè)計

op10：沖孔拉伸-落料復合模（見圖28），采取后側(cè)滑動導向模架，正裝式結(jié)構(gòu)。其工作過程：開模狀態(tài)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(diào)整頂出機構(gòu)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(cè)滑動導向模架，正裝式結(jié)構(gòu)。其工作過程：開模狀態(tài)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?jīng)_孔切邊，此模具設(shè)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(jīng)過模具設(shè)計加工裝配，試模后，批量化生產(chǎn)，現(xiàn)已經(jīng)沖壓幾十萬件，質(zhì)量穩(wěn)定，滿足了客戶要求。

5 總結(jié)

根據(jù)經(jīng)驗假想設(shè)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(xiàn)實。①針對某型端蓋的結(jié)構(gòu)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(shù)值模擬，并對成形極限圖、減薄率云圖進行了分析，模擬結(jié)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(zhì)檢要求，驗證了成形工藝方案的可行性。