形状复杂拉深件的Dynaform 分析

文／刘文彬·阳江职业技术学院，材料科学与技术广东省实验室阳江分中心 何双，赖泽标，周岩丽，王亚娟，王文杰，伍玩秋·阳江职业技术学院

利用Dynaform软件对某割草机底盘的拉深过程进行了数值模拟，研究了压边力、冲压速度、摩擦系数和拉延筋阻力系数对板料成形质量的影响。结果表明，压边力、摩擦系数和拉延筋阻力系数对成形质量影响较大，而较低的冲压速度影响较小；最终确定了该零件的优化拉深工艺，即压边力150kN，冲压速度10m/s，摩擦系数0.10，拉延筋阻力系数0.2。

冲压是一种少切削或无切削的加工工艺，广泛应用于汽车、家用电器、电机、仪器仪表、电子、航空航天等众多领域。冲压过程复杂，传统的模具计算和经验估值对形状复杂产品的成形存在较大的误差，甚至会出现错误的判断，由此产生大量的试制费用并造成时间浪费。冲压CAE 技术是以现代计算力学为基础，利用有限元等数学方法在计算机上仿真金属材料的成形，能够对模具工作状态和运行行为进行模拟和精确计算，并及早发现设计缺陷。Autoform、Dynaform等软件基于工艺过程模拟的有限元系统，可预测冲压工艺过程中板料出现的裂纹、起皱、减薄、回弹等现象，评估板料的成形性能，指导实际生产。

本文以形状较复杂的割草机底盘为例，用Dynaform软件对其拉深过程进行数值模拟，以影响成形质量的最大减薄量和最小增厚量作为评价指标，研究压边力、冲压速度、摩擦系数和拉延筋阻力系数等工艺参数对该拉深件冲压质量的影响，以获得满意的参数组合。

模拟过程

拉深件分析

图1 为某割草机的底盘模型，外形轮廓尺寸约910mm×650mm×250mm，壁厚1.5mm，属于大尺寸、深拉深件，成形比较困难，因此需选用塑性好、拉深性能优良的深冲压冷轧薄钢板，如08 冷轧钢，模拟选材力学性能如表1 所示。为使底盘壁厚均匀，减少开裂和褶皱的风险，模具设计上要增加压边圈和拉延筋等辅助工具。

图1 某割草机的底盘模型

表1 板料的部分属性和性能参数

前处理

利用UG、SolidWorks、Catia 等三维造型软件，创建出底盘模型、拉深凹模和拉延筋，导入到冲压仿真Dynaform 软件中。底盘模型网格化后，用“毛坯尺寸估算”命令，生成毛坯并网格化；凹模网格后，通过“偏置”命令生成凸模，凹凸模单边间隙为1.65 mm，依靠凸模分离出压边圈。

快速设置及求解

通过“自动设置”命令设冲压方式为正装双动，定义和定位凹模、凸模、板料等工具，在工序选项卡中对压边力、冲压速度、摩擦系数等进行参数设置；利用“拉延筋定义”命令定义拉延筋、设置阻力系数等参数；最后提交工作到求解器进行数值模拟计算；图2 为底盘拉深模具各工具组成图。

图2 底盘模具组成示意图

后处理

软件提供的后处理功能显示拉深过程中的数据、图表、动画等，可以定量分析拉深中板坯厚度变化，从成形极限图、厚度变化图，判断拉深圆角过渡区有无破裂和凸缘褶皱情况，然后通过调整冲压工艺参数再进行仿真优化。

工艺参数对拉深质量的影响

压边力

压边圈对板坯施加的压边力对拉深工件成形具有相当大的影响。一般来讲，压边力越大，板料向内流动的阻力越大，零件成形越充分。但压边力过大，对模具施加的法向压力不断增大，会阻碍金属在模具内的流动，对成形能力产生影响，工件底部圆角过渡处开裂的风险加大。压边力越小，板坯向内流动的阻力越小，越有利于直壁及其相邻圆角部分材料的流入，但凸缘处起皱的几率也越大。

对于压边力的确定，一般采用经验公式F=PA 进行估算，F 为压边力，P 为压强，A 为板坯与压边圈的接触面积。割草机底盘模具中，A 约0.2m2，P 取2.5MPa，计算出压边力约为500kN。由于零件形状复杂，需通过软件模拟出合适的压边力。

当凸模冲压速度设为5m/s，凹凸模与板坯间的摩擦系数为0.1，拉延筋阻力系数为0.2 时，随着压边力的增加，模拟出底盘壁厚的最大值和最小值如图3 所示。零件最薄处厚度变化随着压边力增加呈现整体下降趋势，当压边力为100kN 时减薄到0.962mm，随后有所回升，150kN 时达到最大值0.970mm；此后逐渐下降，当压边力为175kN 时壁厚为0.956mm；而后随压边力的增加，呈现小幅度波动，当压边力为500kN时壁厚降低到0.883mm。零件最大壁厚随压边力增加，先升高然后迅速下降，施加50kN 压边力时，最大壁厚为2.16mm，75kN 时上升到2.41mm，而后迅速下降，175kN 时1.83mm，此后呈现小幅度波动。

图3 压边力对零件最小壁厚和最大壁厚的影响曲线

图4是压边力分别为50kN、75kN、100kN和500kN时模拟出的零件厚度变化图，红色代表板坯减薄有破裂的风险，蓝色代表板坯增厚起皱，绿色表示板坯厚度变化小，黄色表示板坯略微减薄。从图中看到在不同压边力下，零件有破裂风险的区域并不多，只在底部圆角过渡处有破裂风险，而在凸缘处有增厚情况，如图4(a)中圆圈内所示。当压边力低到50kN 时，凸缘处才发生明显褶皱，其余较大的压边力作用下凸缘平整，几乎无褶皱；压边力增加到75kN 时，如图4(b)所示，零件底部大范围黄色区域，显示板坯发生减薄；压边力100kN 时，如图4(c)所示，零件大部分为绿色安全显示；压边力500kN 时，材料流动性变差，带来的后果是底盘底部局部减薄到0.883mm，直接被撕裂，见图4(d)。

图4 不同压边力模拟的零件厚度变化图

因此为获得较好的成形质量，应该选择减薄和增厚程度都较轻，增减厚度不超过30%，并且直观上无起皱的压边力参数。根据以上模拟结果，选择150kN 的压边力，减薄和增厚值分别为0.970mm 和1.976mm，基本满足成形要求。

冲压速度

凸模的冲压速度也会对金属的冲压成形产生影响，一般情况下，随着冲压速度的增大，材料的变形抗力也随之加大，从而使得冲压过程中受力增加，这样容易导致零件破裂，影响成形，然而冲压速度较小时，生产效率低，冲压速度一般取1 ～5m/s。

图5 所示压边力为100kN，摩擦系数为0.10，拉延筋阻力系数为0.2 时，不同的冲压速度下模拟出的零件厚度变化曲线。从图中可以看到，由于形状的复杂性，零件最大和最小壁厚的变化并不是单调递增或递减。冲压速度低于4m/s 时，最小和最大壁厚变化缓慢；达到5m/s 时，最大壁厚突然下降，达到最小值；而后随着冲压速度增加，最小和最大壁厚都在增加。这与冲压速度增加，最小壁厚减少的结论有所不同，原因可能源于零件复杂的形状。综合考虑，为使零件获得较高拉深质量，有较小的减薄和增厚值，冲压速度取5m/s。

图5 冲压速度对最小壁厚和最大壁厚影响曲线

摩擦系数

凹、凸模与板坯间的摩擦系数过大，会增加拉深材料的流动阻力，从而导致成形破裂。摩擦系数过小，材料流动不可控，从而导致成形不充分。在实际生产中通常通过涂抹润滑油等方式改变板坯与模具之间的摩擦力，减少板坯变形阻力和延长模具使用寿命。在仿真时，可通过改变摩擦系数达到改变板坯与模具之间的相互摩擦作用。板坯与模具之间的摩擦系数范围一般取0.05 ～0.15。

图6 是压边力设定为10kN，冲头速度为5m/s，拉延筋阻力系数为0.2，摩擦系数分别是0.075、0.10、0.125 和0.15 时，模拟出的零件拉深后最小和最大壁厚变化曲线。从中可以看出，随着摩擦系数的增大，零件最小和最大壁厚同时单调递减。摩擦系数为0.050 时，最小壁厚最大，为1.04mm，而最大壁厚2.50mm 也达到极大，起皱严重，如图7(a)所示，此摩擦系数下，拉深零件整体呈现减薄的趋势；摩擦系数为0.075 时，减薄程度减轻，如图7(b)所示；当摩擦系数为0.15 时，最大壁厚为1.98mm，零件大部分显示安全的绿色，如图7(c)所示，但底部最小壁厚为0.880mm，事实上该处已开裂。因此为获得良好的成形质量，不宜选取最大的摩擦系数和最小摩擦系数，选取摩擦系数0.10 为宜。

图6 摩擦系数对最小壁厚和最大壁厚影响曲线

图7 不同摩擦系数模拟的零件厚度变化图

拉延筋阻力系数

在拉深过程中，拉延筋对于防止起皱和开裂起着重要的作用。阻力系数设置合理的拉延筋，不但能提高成形稳定性，减少质量问题的发生，还可保证零件的刚性，并能在一定程度上提高材料利用率。设定压边力为100kN，冲压速度为5m/s，摩擦系数为0.10，不同的拉延筋阻力系数对拉深质量的影响见图8 和图9。随着拉延筋阻力系数增大，最小壁厚单调递减，但最大增厚值变化复杂。无拉延筋时，零件最小壁厚和最大壁厚分别为1.06mm 和2.01mm，开裂风险小和起皱不明显，但底部不平整，如图9(a)所示；随着拉延筋阻力系数增大，最小壁厚不断减少，当阻力系数为0.1 时，最大壁厚达到一个极大值2.09mm，且底部略微不平整，如图9(b)所示；当阻力系数为0.5时，最大壁厚值最大，为2.19mm，最小壁厚值降低到0.586mm，事实上底部圆角处已经开裂。综合考虑，选取拉延筋阻力系数0.2 较为合适。

元曲四大家指关汉卿、白朴、郑光祖、马致远四位元代杂剧作家，四者代表了元代不同时期不同流派杂剧创作的成就。

南戏之祖《琵琶记》，元末南戏，高明撰，写汉代书生蔡伯喈与赵五娘悲欢离合的故事。

图8 拉延筋系数对最小和最大壁厚变化曲线

图9 不同拉延筋阻力系数下模拟的零件厚度变化

参数优化后的零件拉深质量分析

根据有限元模拟和分析，为保证底盘零件成形质量较高，最优的成形工艺可确定为压边力为150kN，冲压速度为5m/s，摩擦系数为0.10，拉延筋阻力系数为0.2。拉深后成形极限图和厚度变化图如图10所示。零件凸缘处起皱明显，但增厚最大值1.976mm，大于板坯1.5mm 厚度的30%，可以接受。零件底部圆角处，图10(a)黄色小区域所指示位置，壁厚值0.967mm，开裂风险较小。

图10 拉深参数优化后零件拉深成形极限图和厚度变化图

结束语

本文针对某除草机底盘拉深过程中出现的起皱、破裂现象，利用 Dynaform 冲压软件研究了影响零件成形的压边力、冲压速度、摩擦系数和压边圈阻力系数，研究结果表明：随着压边力增大，零件成形质量有逐渐提高的趋势，起皱程度减小，但破裂风险增大；较小的冲压速度对零件成形质量影响较小，破裂的风险不大，冲压速度较大时，起皱程度增大；随着摩擦系数增大，底部开裂风险趋势明显加大，而凸缘起皱呈下降趋势；采用拉延筋能够提高零件成形质量，拉延筋阻力系数增大，零件底部开裂风险升高。