SUV背门外檐板拉延成形工艺设计及数值模拟

田 焱，余际星，刘 凯，尹作虎

（武汉理工大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430070）

SUV背门外檐板拉延成形工艺设计及数值模拟

田 焱，余际星，刘 凯，尹作虎

（武汉理工大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430070）

分析了SUV背门外檐板形状特点和冲压成形工艺，利用Autoform对外檐板成形的冲压方向、拉延筋、压料面和工艺补充面等关键工艺进行拉延成形过程数值模拟。建立冲压方向与工件整体成形+零畸变、压料面和拉延筋与均匀成形、工艺补充与充分变形等工艺/成形品质的关系。按照模拟实验结果调整并优化工艺参数，提高了外檐板成形工艺稳定性，为外檐板拉延模具提供设计依据。

拉延成形；背门外檐板；Autoform；冲压工艺；数值模拟

SUV背门外檐板如图1所示，长1200mm，宽260mm，最大高度230mm，结构尺寸大，采用拉延型中强度薄钢板制造。外檐板几何形状比较复杂，中部横截面呈斜N形，两侧有较长的伸出端，一般分析归于复杂类覆盖件成形。工件表面质量要求高，不允许有皱褶、开裂、毛刺、凹坑、麻点、滑移线等。

图1 SUV背门外檐板

通过模拟实验发现，工件成形缺陷很多，零件左右两端容易出现拉裂和过度减薄，最大减薄率高达32%，上下两端容易出现拉深不足。

为解决上述问题，经过研究和模拟实验，建立了外檐板拉延成形工艺模拟设计大纲。

（1）冲压方向设计目标为“整体成形”。外檐板在拉延过程中，所有质点都要受外力作用，产生变形－－整体成形。选择与优化冲压方向，是实现整体成形的主要方法。

（2）通过压料面和拉延筋的设计形成外檐板拉延成形过程的“均匀变形”。经验表明，大部分覆盖件成形缺陷（起皱、拉裂等）产生的原因是非均匀变形。非均匀变形的定义是指较小区域内有力值、力方向（或变形值，变形方向）的大梯度变化。希望通过压料面和拉延筋的设计，减小甚至消除外檐板拉延成形中的非均匀变形，保证工件无缺陷成形。

（3）通过工艺补充的设计，保证外檐板的充分变形。覆盖件成形缺陷之一是“应变不足”，工件没有经过应变强化效应处理，会有刚度低下现象。外檐板形状复杂，科学设计工艺补充，使工件各处都有≥15%的应变量，保证工件具有较大的形状刚度。

采用商用有限元模拟软件Autoform进行外檐板拉延工艺模拟设计，方便快捷。课题研究步骤为：先在UG中设计建立产品的数模，然后以.igs格式导入Autoform软件中，完成前处理，确定零件的凸、凹模和压料面，最后完成工件拉延工艺设计和成形数值模拟。

1 零件材质

零件材料牌号为DX54D+Z－C，属于合金化热镀锌钢，具有低的屈服点和屈强比、高伸长率、高的塑性应变比、高的加工硬化指数等深冲性能。材料力学性能如表1所示。

表1 DX54D+Z-C的性能参数表

2 背门外檐板拉延成形数值模拟

2.1 冲压方向的确定

拉延方向是覆盖件拉深设计的首要问题，它直接影响着板料拉深成形的结果。在确定拉延方向时，首先要在一次拉延成形保证拉延凸、凹模能够完好地进行合模，因为二次拉延过程无法保证成形精度，合模接触面积大就不会发生因接触不稳而使材料在成形过程中发生偏移；然后在设定的拉延方向尽量使拉延深度均匀，避免产生负角。因此确定最优的冲压方向才能保证拉延过程中材料近于均匀流动，减少拉延缺陷的出现。

在AutoForm软件的Tip选项中通过分别将Average normal（平均化型面法向）、Min draw depth（最小拉延深度）和Min backdrafe（最大拔模斜度）三者作为拉延方向进行比较，发现只有将最小的拉延深度作为拉延方向的情况下，零件不存在负角，同时也满足拉延方向位于对称面的要求。如图2所示，该零件在拉延过程中确定最小拉延深度作为冲压方向。

图2 冲压方向

2.2 压料面设计

压料面是位于拉延凹模圆角半径外的工艺补充部分。在凹模和压料面闭合的过程中，通过力的作用，压料面将凹模型腔外的坯料牢牢地压紧贴合，被压紧的部分为压料面。拉延成形时，压料面材料被控制逐步进入凹模型腔成形。调整压料面使成形深度小，尽量使各部分深度接近一致，接近零件截面形状，这样压料面可以使材料流动和塑性变形趋于均匀、减少成形难度。首先在模型生成器中的Binder子菜单下选择工艺补充后零件图拾取零件区域作为初步参考面，设置的偏移值为10mm。其次通过在Profile项下设置调节线，添加七条相垂直的控制线，通过相交的节点调节压料面光顺和拉延深度，使中部拉延深度基本相等约为100mm，两端拉延深度最浅约为10mm。零件在AutoForm软件中的压料面如图3所示。

图3 压料面示意图

2.3 工艺补充设计

工艺补充面是零件与压料面的过渡部分，为了保证拉深工序顺利成形，工艺补充是必不可少的部分。尽量确保拉延深度浅和工艺补充部分小，避免补充材料过多而浪费。根据背门上外板的实物零件图，分析了左右两端弯曲拉深的成形复杂性，V形的一侧面平整且面积比较大，成形时容易胀形，呈现中间高两边低的特点。首先在Bndry子菜单中对不平整的地方添加工艺补充，通过背门上外板拉延成形工艺分析，确定了修边线，在AutoForm软件的Bndry选项中对零件模型进行了相应的工艺补充。工艺补充数模图如图4所示。

图4 工艺补充及其轮廓分块示意图

2.4 零件拉延成形模拟与分析

该零件需要经过拉延成形、斜楔翻边、斜楔冲孔等多个工序。在以上工序的模具中，拉延模的设计在诸多模具设计中是最关键的，它直接决定了拉深件的成形性、表面质量和尺寸精度。本文基于Autoform软件进行背门上外板拉延仿真模拟，预测可能出现的破裂、拉伸不足等缺陷，为整个模具设计方案的完善提供依据。

2.4.1 无拉延筋的模拟结果和分析

在Autoform的板料生成器中计算出坯料的尺寸和形状，结合工厂技术部分的要求，毛坯为矩形大小为1600mm×565mm。通常按照下式预估有限元计算中稳定压边力FBLH：

式中：A——压边面积，它等于坯料面积减去凹模型腔开口面积，可容易地在几何建模环境下求出。通过计算，A≈592000mm2；

q——单位面积上的压边力，根据《实用冲压模具设计手册》的数据，对于厚度大于0.5mm的钢板来说，q值一般在2～2.5MPa之间。取q＝2.5MPa。

由于板料面积比较大，压料面作用在板料的有效面积也相应较大，故而取压边力FBLH=1500kN。

背门外檐板拉延仿真分析中，合理地反映摩擦润滑状况对于保证真实而合理的分析结果至关重要。通过查表得到钢对钢的摩擦系数，本文选择的摩擦系数为0.15。

拉延速度也是影响成形质量的一个重要因素。通过Tang S C的研究，实际冲压过程中凸模的稳定速度应在250～300mm/s，故设定凹模与压边圈合模速度为250mm/s，凹模与凸模的合模速度为300mm/s。

由于零件尺寸比较大，成形精度要求高，先不设拉延筋对零件反拉延成形进行初次模拟，得到成形模拟结果并进行分析，再根据需要来设置。模拟后的零件成形性和成形极限图如图5所示。

图5 无拉延筋模拟结果图

由图5可以看出，背门上外板内部成形质量还算比较好，没有明显的破裂区域和起皱区域，虽然最大减薄率为29.9%，而此处是要被切边的部分，不作考虑。在零件的C处，减薄率为24.8%，说明此处板料进料速度比较慢导致过度减薄，濒临破裂的危险。这是因为此处存在高度较大的凹圆筒形，该区域经历两次弯曲，材料的变形流动方向为筒底部流动到筒壁方向，由于受到凹模圆角的顶压和成形力的拉伸作用，板厚严重减薄。在此区域，材料的应力是三维的，径向和切向为拉应力，厚向为压应力，径向和切向为拉伸变形，厚向为压缩变形。而上下近乎直边的A、B两区域进料速度快，零件存在明显的成形不足，导致零件刚度不足。

2.4.2 整段闭合等效拉延筋的模拟结果与分析

在保持其他参数不变的情况下，结合无拉延筋的模拟结果，尝试添加整段闭合式拉延筋进行模拟。结合实际生产经验，采用拉延筋形式为半圆形，拉延筋宽度为15mm，约束因子为0.35，约束阻力为81.7N/mm。整段闭合式拉延筋模拟结果如图6所示。

图6 整段闭合式拉延筋模拟结果

比较图5和图6的模拟结果可以看出，A处成形不充分区域明显减少，B处的成形不充分区域消失，变为成形安全区，零件塑性成形性逐渐完善。然而，通过图6中的FLD成形极限图可以看到出现了一些破裂区，图6a中的C、D区域出现了过度减薄，濒临破裂。而C处的减薄率为29.9%，近乎合格覆盖件允许的最大减薄率30%。再与无拉延筋模拟的结果相比，添加拉延筋加剧了C、D区域的减薄程度，是因为此处板料开始弯曲，切向的外侧拉伸应变，内侧压缩应变；厚向越靠近材料外表面，切向的拉应变越大，材料挤向曲率中心，板料内侧拉应变受到外侧材料向曲率中心移近产生的阻碍，也产生压应力，从而导致C、D处减薄。

2.4.3 分段等效拉延筋的模拟结果与分析

在不改变其他拉延工艺参数的条件下，通过调整拉延筋的分布和阻力大小，合理地避免再次出现成形不补充和破裂的缺陷。添加拉延筋Drawbead1（Curve 1），拉延筋的宽度为15mm，线段中点处的约束因子为0.8，约束阻力186.9N/mm，两端点处的约束因子均为0.6，约束阻力均为140.2N/mm；添加拉延筋Drawbead 2（Curve 2），其约束参数与整段闭合拉延筋参数保持一致。分段等效拉延筋的布置、零件的成形结果和成形极限图如图7所示，实物图如图8所示。

图7 分段式拉延筋模拟结果图

图8 实物图

从图7中的FLD成形极限图可以看出，在分段拉延筋的情况下零件成形非常好。图7a成形结果显示了安全区域覆盖了整个零件，说明添加的拉延筋成功阻碍了板料过快流入型腔。图7b材料减薄率情况也反映了较易出现拉裂的C区域最大减薄率为24.7%，满足合格零件减薄率30%的要求，图8为实际拉延成形生产的零件图。由此，零件的模拟成形结果充分体现了分段拉延筋设计的合理性和有效性。

3 结语

在保证拉延深度尽可能均匀和零件形状特点的前提下，通过Autoform软件进行拉延模面设计，确定合适的压料面和工艺补充面；然后对背门上外板进行板料拉延仿真模拟研究，预测了板料在成形过程中容易出现的拉深不足和破裂等区域；针对出现的问题，进行了仿真修改，为完善模面设计方案提供了有力的依据。同时，通过CAE技术对模具设计方案进行评估与优化，可大大缩短模具设计制造、试模修模时间，提高工作效率，节约生产成本。

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Drawing process design and numerical simulation of back doorcornice for SUV

TIAN Yan,YU Jixing,LIU Kai,YIN Zuohu
（School of Materials Science and Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,Hubei China）

The profile features and forming process of back doorcornice for SUV have been analyzed.The numerical simulation has been conducted to the drawing process for cornice of back door by use of Autoform software from key process aspects of stamping direction,drawbeads,binder surface,addendum surface.The relationship of process/forming quality has been established,including stamping direction and the whole workpiece forming+zero distortion;binder surface,drawbeads and uniform forming;and addendum&sufficient deformation.The process parameters have been adjusted and optimized according to the simulation results. The stability of forming process for back doorcornice has been improved.It provides reference for drawing die design of the back door cornice.

Drawing process;Cornice of back door for SUV;Autoform;Stamping process;Numerical simulation

TG386.3+2

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.024

1672－0121（2016）04－0077－04

2016－03－19；

2016－05－08

田 焱（1990－），男，硕士在读，主攻金属材料加工