王 玥

(重慶長征重工有限責任公司，重慶 400083)

0 引言

沖壓件板坯外形的確定問題早在20世紀50年代就已涉及，并由此產(chǎn)生了多種板坯外形設計方法。板坯外形應以滿足沖壓件幾何形狀要求為原則。早期提出的板坯外形設計法有查圖和查表法、實驗逐次逼近法等，后來又提出了拼接法、滑移線、物理模擬法和幾何映射法，以及近年來提出的有限元逆算法和增量法。有限元逆算法結合了塑性變形理論和有限元技術，直接由沖壓件反算出板坯展開形狀及尺寸，是板坯外形設計方法的巨大進步。

圖1所示摩托車油底殼是典型的薄板拉深成形件，具有曲面形狀復雜，結構尺寸較大(363mm×185mm×110mm)的特點,利用傳統(tǒng)的板坯展開法很難準確計算其外形輪廓和尺寸。本文以eta/DYNAFORM軟件為數(shù)值模擬平臺，利用該軟件中基于有限元逆算法的MSTEP模塊將圖1制件展開；同時以展開的板坯形狀和尺寸為基礎，設計出幾種板坯展開形狀方案，并借助DYNAFPRM分析比較不同板坯展開方案下的拉深件質(zhì)量，以便確定較佳的板坯形狀與尺寸。

圖1 油底殼實物

1 基于有限制元逆算法的MSTEP模塊

1.1 有限元逆算法的基本概念

有限元逆算法也叫一步成形法，是根據(jù)產(chǎn)品零件或已經(jīng)完成工藝補充的沖壓件幾何形狀來預測它的坯料形狀和可成形性。由于這種算法每個有限元節(jié)點只有2個自由度，模擬速度非?？?，而且數(shù)據(jù)準備量少，因此非常適合在產(chǎn)品設計階段和模具工藝補充設計過程中進行快速成型性分析。

MSTEP模塊是基于改進的有限元逆算法，改進了全量形變理論產(chǎn)生應變局部化快的現(xiàn)象，采用四邊形薄膜單元DKQ彎曲單元，能夠保證逆算法的迭代收斂性。

1.2 MSTEP模塊的基本原理

板料在沖壓成形過程中假設是按比較加載的變形過程，并且材料不可壓縮，模擬過程中采用塑性全量形變本構模型。有限元逆算法的基本思路是在成形后的沖壓件上建立有限元方程進行迭代求解，坯料與沖壓件之間幾何尺寸和物理量情況如表1所示。

表1 板坯與沖壓件的幾何尺寸和物理量比較

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，推導有限元逆算法所需要的基本條件和物理量在板坯或沖壓件中是已知的，其中3個未知的量則通過有限元逆算法求解。

1.3 逆算法實施過程

逆算法分析的對象是修邊后的沖壓件，通過有限元方法將工件向水平或者給定曲面展開，并進行一系列迭代計算得出工件的初始坯料形狀及最終成形后的應力、應變等物理量信息。

2 有限元逆算法展開板料

利用eta/DYNAFORM軟件中MSTEP模塊由板料初始厚度與最終狀態(tài)形狀得到板料的初始形狀。本文所選用的板料為st14，板料板厚t=0.9mm。St14的主要力學參數(shù)如表2所示。

表2 St14的主要力學性能參數(shù)

制件模型圖如圖2所示，將其進行網(wǎng)格劃分，定義板坯的材料及板厚，經(jīng)過有限元逆算法得到其展開板坯形狀如圖3所示。

圖2 制件模型圖

圖3 展開板坯輪廓線

3 在展開板坯基礎上設計拉深件板坯外形與尺寸

3.1 拉深模型

圖4是直接根據(jù)油底殼外形建立的板料、凸/凹模和壓邊圈有限元模型。

圖4 拉深模型圖

3.2 實驗條件

采用單動拉深，凹模入口圓角半徑7mm，摩擦系數(shù)0.11，虛擬沖壓速度2000mm/s，壓邊力650KN，凸、凹模間隙0.99mm。

3.3 通過模擬結果優(yōu)化板坯形狀

在實際生產(chǎn)中，為了節(jié)約生產(chǎn)成本，避免加工落料模具落料，一般不直接使用上述展開的不規(guī)則的板料形狀，可在其基礎上進行修改，生成較規(guī)則的板坯形狀，以下是在展開板坯的基礎上提出的四種板坯形狀方案。

3.3.1 A1方案及實驗結果

在圖3基礎上通過相切生成矩形板坯如圖5中輪廓1所示，又因為圖3所示為拉深件切邊后制件的板坯展開形狀，所以需要在其基礎上除開口除三邊生成壓邊余量形成在拉深成形中過程中的壓料面，所以在輪廓1的基礎上，向外擴展45mm，作為拉深件的板坯，如圖5中輪廓2所示，其尺寸為409mm×446mm。

其成形狀態(tài)分析結果如圖6所示。在Y軸方向可能受到不均勻拉應力F使得開口處板料在成形時候向Y軸縮進，經(jīng)測量縮進量約為30mm，未能達到拉深件的尺寸要求，所以需要在開口處延伸板料長度，又因不能控制其縮進長度，為確保開口處的精確尺寸，需要再留出一定的修邊余量。

圖5 A1板坯形狀

圖6 拉深模型圖

3.3.2 A2方案及實驗結果

在A1板坯的基礎上，在開口處將板料向外延伸50mm，30mm作為板料向內(nèi)縮進的補償，20mm作為切邊余量，同時凸凹模以及壓邊圈也相應向外延伸50mm，A2板坯外形如圖7所示，其尺寸為: 409mm×496mm。

圖7 A2板坯外形

圖8所示為A2矩形板料拉深成形后的拉深狀態(tài)以及其成形極限圖，由圖知，開口處的尺寸問題已解決，但仍存在嚴重起皺現(xiàn)象，以及未充分拉深現(xiàn)象。由于該拉深件的拉深高度不同，且拉深高度較高一側(cè)開口，而拉深高度較淺一端封閉，容易沿斜面方向產(chǎn)生拉應力，造成開口處板料沿切向流動，造成切向壓縮失穩(wěn)起皺。同時，矩形板料前后寬度一樣，在變形過程中前端拉深高度較小部分由于壓邊面積相對開口處拉深高度較大部分壓邊面積大，所以前端板料的進料阻力較大，同時造成沿斜面的不均勻拉應力增大，因此前端成形質(zhì)量較好，而開口處成形質(zhì)量較差。

圖8 A2方案分析結果

3.3.3 A3方案及實驗結果

在圖3所示展開板坯的基礎上通過相切生成等腰梯形板坯如圖9中輪廓1所示，同樣在開口邊向處延伸50mm，其余三邊向外擴展45mm，如圖9中輪廓2所示，其尺寸為：332mm×435mm×496mm。

圖9 A3板坯外形

圖10所示為A3梯形板料拉深成形后的拉深狀態(tài)以及其成形極限圖。如圖所示，開口處嚴重起皺區(qū)域以及未充分拉深區(qū)域已明顯減小，但仍然存在，同時在臺階處處出現(xiàn)少量未拉深。梯形板料改善了矩形板料在成形過程中由于拉深高度不同而造成的前后壓邊面積相差較大的缺陷，同時上述不均勻拉應力也因前端壓邊面積的減少而減少，進而優(yōu)化了開口處的起皺缺陷，但同時由于壓邊面積的減少使板料流動的摩擦阻力減少，使得臺階處出現(xiàn)未拉深缺陷。

圖10 A3方案分析結果

3.3.4 A4方案及實驗結果

A4是在上述梯形板料A3以及展開板料的基礎上切角，如圖11所示，切角尺寸為(74mm×105mm)。

圖11 A4板坯外形

圖12所示為A4切角板料拉深成形后的拉深狀態(tài)以及其成形極限圖。由圖可知，開口處的嚴重起皺現(xiàn)象已經(jīng)完全消失，未充分拉深區(qū)域較前兩種方案也有所減少，臺階處仍存在少量未充分拉深區(qū)域。A4板料在A3梯形板料切角，進一步縮小了前后變形過程中的壓邊面積差，最終選擇A4板料，并進一步優(yōu)化。

圖12 A4方案分析結果

3.3.5 優(yōu)化A4方案

增加摩擦系數(shù)為0.13，進一步增大開口處板料的進料摩擦力，其拉深結果如圖13所示，開口處以及臺階處的未充分拉深部分已經(jīng)消失，僅在開口處有少許起皺趨勢并由其成形極限圖可知各部位的應變只均在FLD的成形安全區(qū)內(nèi)。

圖13 優(yōu)化方案分析結果

4 結論

(1)以反向模擬法展開板料原理為基礎，利用eta/DYNAFORM軟件中MSTEP模塊將零件展開可較準確的計算出其板坯外形尺寸并為拉深件的初始板料形狀設計提供參考。

(2)板料形狀尺寸對拉深件成形質(zhì)量有著重要影響，板料的壓邊面積的大小決定板料流動阻力的大小，進而決定最終成形質(zhì)量。對于拉深高度不同且高度較高一端開口的拉深件，沿坡度方向板坯出現(xiàn)縮回現(xiàn)象，需在其開口部分增加補縮量，并盡量縮小拉深高度較小一端的板料壓邊面積，減小沿斜面的不均勻拉應力進而避免其引起的開口處的嚴重起皺現(xiàn)象，最終選用A4板料方案。

(3)適當增加摩擦系數(shù)可有效去除拉深深度較高處的未充分拉深現(xiàn)象。