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王玥

（重慶長征重工有限責任公司，重慶400083）

摘　要：板坯外形設計是工藝設計的重要環節，它直接影響工件的成形質量。合理的板坯外形可以節省原材料，防止拉深件開裂和起皺，使成形件厚度分布均勻，提高板料的可成形性，減少成形后的修邊的工作量。

借助eta／DYNAFORM軟件，對摩托車油箱底殼拉深成形工序中所需板坯外形進行設計，模擬其拉深成形全過程，并通過觀察模擬結果分析板料形狀對成形質量的影響，選定最優板料設計方案并對沖壓參數進行優化。

關鍵詞：油底殼；反向模擬法；板料設計；起皺；未充分拉深；數值模擬

中圖分類號：TB

文獻標識碼：Adoi：10.19311／j．cnki．1672－3198．2018．34．108

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，利用傳統的板坯展開法很難準確計算其外形輪廓和尺寸。

本文以eta／DY－ＮＡＦＯＲＭ軟件為數值模擬平臺，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量，以便確定較佳的板坯形狀與尺寸。

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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，是根據產品零件或已經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點只有２個自由度，模擬速度非常快，而且數據準備量少，因此非常適合在產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生應變局部化快的現象，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。

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表１　板坯與沖壓件的幾何尺寸和物理量比較

從表１中可以發現，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的主要力學參數如表２所示。

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

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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是直接根據油底殼外形建立的板料、凸／凹模和壓邊圈有限元模型。

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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　通過模擬結果優化板坯形狀

在實際生產中，為了節約生產成本，避免加工落料模具落料，一般不直接使用上述展開的不規則的板料形狀，可在其基礎上進行修改，生成較規則的板坯形狀，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。

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3.3.2　Ａ2方案及實驗結果

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