拉延筋对汽车围板拉深成形性的影响

文／王洪福·河南神州重型封头有限公司

严冰剑·沈阳理工大学材料科学与工程学院

拉延筋对汽车围板拉深成形性的影响

文／王洪福·河南神州重型封头有限公司

严冰剑·沈阳理工大学材料科学与工程学院

汽车覆盖件拉延成形过程中易出现起皱、破裂和拉深不足等缺陷。为了有效控制材料的流动，通常在凹模或压边圈上设置拉延筋来提高成形质量。拉延筋的设置是否合理将决定覆盖件的质量。利用AutoForm软件模拟某轿车围板在无/有拉延筋的模具上的成形过程，结果表明，有拉延筋时零件的成形质量明显提高。通过确定拉延筋参数，提高汽车围板的成形质量，缩短模具的开发周期。

王洪福，助理工程师，生产技术部技术员，主要从事封头生产工艺的设计、方案制作及评审，参与公司新产品开发及有限元成形分析。

汽车覆盖件的空间结构复杂、形状尺寸较大以及板料厚度相对较小，在冲压成形过程中，影响板料成形质量的因素有很多，如板料性能、毛坯形状、模具形状、压边力大小以及拉延筋布置等。为了避免冲压过程中出现起皱、破裂和拉深不足等缺陷，通常要设置拉延筋来提高板料的成形质量。设置拉延筋的目的是为了：⑴增大材料的流动阻力，使坯料承受足够的拉胀成形，提高覆盖件刚度；⑵控制毛坯各部分材料的流动状况，使各部分变形均匀一致，防止出现“多则皱，少则裂”的现象。拉延筋分为真实拉延筋和等效拉延筋，为了提高模拟的速度，通常采用等效拉延筋来代替真实拉延筋，即将复杂的拉延筋等效为一条附着在凹模或压边圈上的线，这条线能承受一定的约束力。

本文主要用有限元软件AutoForm对汽车围板进行拉深成形分析，比较有/无拉延筋下零件的成形质量，并确定拉延筋的参数，从而验证用于汽车覆盖件冲压成形的拉延筋对于板料成形质量的有利影响。

拉延筋的作用机理和布置原则

半圆形拉延筋的作用机理如图1所示。

图1 拉延筋的工作机理示意图

拉延筋是位于凹模和压边圈表面上的一条或多条凸筋和凹槽。d是拉延筋高度，Rg是凹模圆角半径，Rb是凸模圆角半径。当板料流过拉延筋时，在与凸筋和凹槽接触的1、3、5处会发生弯曲变形，在2、4、6处附近发生反弯曲变形，反复的弯曲和反弯曲变形产生的变形抗力即为拉延筋的变形阻力。同时板料和接触面的摩擦会产生摩擦阻力。拉延筋的两种阻力之和即为拉延筋阻力。它是拉延筋控制板材塑性流动的主要原因。

拉延筋的参数包括凹模圆角（初入凹模圆角、退出凹模圆角）、凸模圆角、筋高，这些参数对拉延筋的阻力影响很大，利用AutoForm软件，分析半圆形拉延筋的阻力值与拉延筋参数之间的关系。如图2所示。

从图2可知拉延筋阻力随着凸、凹模圆角半径的增大而减小，随筋高的增大而增大，所以通过改变上述参数可以调整拉延筋阻力大小，从而改变零件的成形质量。拉延筋的布置原则如表1所示。

图2 拉延筋阻力与拉延筋参数的关系

表1 拉延筋布置原则

模型的建立

图3为汽车围板的三维模型。该零件最大长度1421mm，最大宽度608mm，材料为DC04，板料厚度为0.7mm。

图3 汽车围板三维模型

利用三维造型软件对零件模型进行内外工艺补充，这里采用虚拟拉延筋代替真实拉延筋，提高模拟速度。图4为在AutoForm软件中的有限元模型。采用单动拉深，选取压边力为400kN，摩擦系数为0.25。材料为DC04，材料性能参数见表2。

图4 有限元模型

表2 DC04材料力学性能

拉延筋设计及仿真结果

拉延筋设计

布置拉延筋要对拉延件形状、拉延深度及压料面形状进行综合考虑。根据汽车围板的形状和压料面的形状设计出如图所示5的拉延筋。

图5 拉延筋布置

未设置拉延筋时模拟结果

此方案未设置拉延筋，模拟结果如图6所示。从图6可知，制件中有大量的拉深不足区，部分区域出现起皱现象，无法满足制件的设计要求。如果仅增加压边力，会造成成本增加，同时部分区域可能出现破裂。

图6 未设拉延筋的模拟结果

设置拉延筋时模拟结果

根据未设置拉延筋的模拟结果和生产实际，在凹模上设置拉延筋，拉延筋的布置如图5所示，拉延筋的几何参数，见表2。模拟结果如图7所示。从图7可知，通过设置拉延筋，增大毛坯的流动阻力，使拉深不足区域的塑性变形增大，从而使得拉深不足区域明显减少，只有一处区域存在少量的拉深不足，修边线内的制件部分不存在起皱现象，完全符合设计要求。

表2 拉延筋几何参数

图7 设拉延筋后的模拟结果

结束语

本文介绍了拉延筋的作用机理，并研究了各拉延筋参数对拉延筋阻力和最小压边力的影响。利用Autoform软件对汽车围板成形过程进行模拟，分析比较了在有/无拉延筋下制件的成形质量，结果表明拉延筋的布置能显著提高汽车围板的成形质量，能消除或减少起皱和拉深不足等缺陷。用等效拉延筋代替真实拉延筋进行模拟能提高模拟的效率，也为建立真实拉延筋提供参考，同时缩短模具的开发时间。