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關鍵字： 擋塵蓋；拉深；數(shù)值模擬；Marc 摘　要： 本文運用大型商用有限元軟件MSC.Marc，對汽車車軸制動轂擋塵蓋拉深變形過程進行了數(shù)值模擬，對比分析了采用不同工藝方案時金屬材料的流動情況及拉深變形后的應力應變分布規(guī)律。

采用大型CAD軟件Pro/E，建立了汽車車軸制動轂擋塵蓋拉深成形的凸凹模模型；運用大型商用有限元軟件MSC.Marc，對其拉深成形過程進行了數(shù)值模擬；分析了不同成形方案下，金屬材料在拉深成形時的流動情況及拉深成形后的應力應變分布規(guī)律。結果表明，與先成形擋塵蓋的臺階部分相比，先成形盒形部分更有利于擋塵蓋的整體拉深成形；在擋塵蓋頂部圓角與直壁相切稍偏下的位置材料變薄最劇烈，屬于在拉深過程中易先破裂的部位，為危險截面所在區(qū)域。

1 前言

隨著計算機技術的發(fā)展，模具CAD/ CAE/CAM技術已成為企業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的輔助工具，工程技術人員借助于計算機對產(chǎn)品性能、模具結構、成形工藝、數(shù)控加工及生產(chǎn)管理進行設計和優(yōu)化。模具CAD/ CAE/ CAM技術對縮短模具設計與制造周期，降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量所起的顯著作用己成為模具界的共識^[1]。本文運用大型商用有限元軟件MSC.Marc，對汽車車軸制動轂擋塵蓋拉深變形過程進行了數(shù)值模擬，對比分析了采用不同工藝方案時金屬材料的流動情況及拉深變形后的應力應變分布規(guī)律，從而為實際成形工藝方案的制定提供了可靠的理論依據(jù)。

2 模型的建立

2.1 三維立體模型的建立

圖1所示為某汽車車軸制動轂擋塵蓋零件結構示意圖，材料08Al鋼，料厚 0.8 mm，外圓直徑447 mm。該零件為一套四件，兩件搭接配成一組供裝配使用，兩組之間的區(qū)別在于中間方孔的方位不同。四個零件都帶有一個周邊不完整的局部不對稱盒形結構，長82 mm，寬63 mm，深63.8 mm，整體零件結構中還具有6 mm及9 mm的拉深臺階、局部加強筋、凸出4 mm高的穿帶目字形孔、多種尺寸的圓孔、方孔、5 mm內(nèi)緣垂直翻邊、7.3 mm外緣傾斜翻邊等結構。考慮到拉深成形時主要的金屬流動發(fā)生在盒形結構的成形過程中，在模具設計時，將成形模具設計成如圖2所示的浮動形式^[2]。

數(shù)據(jù)輸入到CAE軟件Marc中進行模擬拉深。本文首先在大型CAD軟件Pro/E中建立了擋塵蓋拉深成形的凸凹模模型（如圖2所示），然后通過CAD和CAE之間的接口格式文件，將模型分析。

2.2 毛坯的材料參數(shù)及有限元離散化

模擬及試驗時所采用的材料為08Al鋼，應力－應變關系式為σ=553.47×ε0.234+180, 其力學性能參數(shù)如表1所示[3]，模擬過程中所使用模具各結構參數(shù)如表2所示。

毛坯形狀較規(guī)則，采用80×80四邊形單元自動劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)為5446個（如圖3所示）。

3 擋塵蓋拉深過程的分析

3.1 拉深過程的金屬流動分析

由圖1可知，擋塵蓋局部盒形結構轉角部位的圓角半徑為20 mm，而一次拉深可成形的盒形結構的高度為圓角半徑的4～6倍[4]，即80～120 mm，大于所要求的63.8mm的高度，所以局部盒形部分可以一次拉深成形。

如圖2所示，在拉深制動轂擋塵蓋時，凸模固定，凹模、壓邊圈向下運動，浮動凸模和浮動凹模向下移動，毛坯夾在凹模與壓邊圈、浮動凹模和浮動凸模之間向下拉深成形，可采用如下所示的兩種成形方案：

成形方案一：先成形臺階、后成形盒形部分；

成形方案二：先成形盒形、后成形臺階部分。

圖4所示為采用方案一時，截選4個子載荷步的等效塑性應變云圖；圖5所示為采用方案二時，截選4個子載荷步的等效塑性應變云圖。

由圖4、圖5可見：不論是采用方案一還是采用方案二，盒形部分頂端的網(wǎng)格在整個拉深過程中都沒有太大的變化，基本上保持不變，說明盒形部分頂端的材料在拉深過程中沒有太大的流動。變形最大的是盒形部分的圓角和直壁處，矩形網(wǎng)格變形成平行四邊形甚至是梯形等不規(guī)則四邊形網(wǎng)格。臺階大部分區(qū)域變形也較小，只有在6條加強筋和圓角部分的變形相對較大，矩形網(wǎng)格變形為不規(guī)則四邊形。

方案一與方案二的主要區(qū)別在于成形盒形部分工序的先后順序。從擋塵蓋的幾何形狀可知，與成形擋塵蓋臺階部分相比，成形盒形部分時材料所需產(chǎn)生的流動范圍較大。采用方案一時，材料的流動有利于成形盒形部分；采用方案二時，先成形的臺階部分使得一部分材料在拉深初期便被限制在浮動凸凹模的臺階型腔內(nèi)部，對后續(xù)成形盒形部分時材料的補充流動不利。

3.2 拉深成形后的應力應變分布規(guī)律

圖6、圖7所示分別為采用兩種不同方案拉深時4個區(qū)域的三向應變曲線，如圖8所示，其中曲線①為頂端中部區(qū)域，曲線②為側壁區(qū)域，曲線③為底部圓角1區(qū)域，曲線④為底部圓角2區(qū)域。

由圖6、圖7可見，采用不同的方案拉深成形后，在擋塵蓋頂部圓角與直壁相切稍偏下的位置均存在材料變薄的最嚴重現(xiàn)象，屬于在拉深過程中易先破裂的部位，為危險截面所在區(qū)域。由圖6、圖7還可以看出，方案二的壁厚減薄程度比較輕，說明先拉深盒形部分，再成形臺階這種工藝方案比較好。

圖9所示為采用方案二時的擋塵蓋拉深成形后的等效應力應變云圖。由圖9可見，盒形部分是整個零件中應力最大的部位，最容易破裂。特別是盒形部分的頂端圓角和直壁的交接處，應力最大，是最危險的截面。臺階處的加強筋圓角部位也是應力比較大的地方，但是與盒形部分相比較安全，屬于非危險截面。

4 試驗研究

4.1 拉裂現(xiàn)象及其防止措施

一般來講，拉裂是拉深過程中所產(chǎn)生的主要問題。模擬及試驗結果表明，當凸凹模及浮動凸凹模間隙小于一倍的料厚（0.8 mm）時，在盒形部位內(nèi)側頂部直壁處會產(chǎn)生拉裂現(xiàn)象，如圖10所示。從金屬的流動和應力應變的分布情況可知，越靠近毛坯的外緣，參與變形的金屬越多，而靠近盒形部位頂部的直壁處與頂部圓角切點稍上一點的位置，在拉深過程中參與變形的金屬比較少，且頂部的金屬材料又由于凸模圓角處摩擦作用的制約，也很難流動到側壁部分，故這部分材料受拉變形比較嚴重，壁厚沒有增加反而有所降低，易產(chǎn)生拉裂現(xiàn)象。

4.2 產(chǎn)品試制

圖11所示為采用方案二時的模擬結果和實物對比。由圖11可知，模擬結果和實物對應較好，盒形部分成形也較好，說明本文所建立的汽車車軸制動轂擋塵蓋拉深有限元模型是正確的。

5 結論

通過對汽車車軸制動轂擋塵蓋拉深成形的有限元數(shù)值模擬及試驗研究，得出以下主要結論：

（1）采用CAD/CAE相結合技術，使用pro/E建立實體模型輸出igs格式文件，導入Marc中進行有限元分析，采用CAE計算機輔助設計是科學有效的，可極大提高工作效率，節(jié)省人力和物力。

（2）根據(jù)對擋塵蓋在不同方案下拉深情況的數(shù)值模擬可知，對具有不對稱局部盒形結構的零件，先拉深盒形部分能確保擋塵蓋拉深成形過程的順利進行。

（3）由擋塵蓋的應力應變分析可知，對具有不對稱局部盒形結構的零件，在其頂部圓角與直壁相切稍偏下的位置材料變薄最劇烈，屬于在拉深過程中易先破裂的部位，為危險截面所在區(qū)域。

（4）試驗結果與模擬結果吻合度較好，說明所建立的擋塵蓋拉深有限元模型是正確的。

參考文獻

[1] 李德群，肖祥芷.模具CAD/CAE/CAM的發(fā)展概況及趨勢[J]．模具工業(yè) ,2005.(07) ：P9～12.

[2] 程秀全，夏琴香.汽車車軸制動轂擋塵蓋沖壓成形工藝與模具設計[J]．鍛壓技術，2005年第6期：P23~26．

[3] 夏琴香，尚越，程秀全.汽車輪轂端蓋拉伸成形模計算機輔助工程[J]．模具工業(yè)，2006年第32卷第3期：P22~26．

[4] 盧險峰.沖壓工藝模具學.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

The finite element numerical simulation of the deep drawing

process for the dust cover for the brake hub

By  Xia Qinxiang&Huo Yulin&Shang Yue&Zhu Xiaoke

Abstract: The 3D model of the punch-die during the dust-cover deep drawing of brake-hub used in automobile axle is established by the large-scale software, Pro/E; and the deep drawing process is simulated numerically by the large-scale FEA software, Marc; the metal flow during deep dra

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