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一、前言

板料拉深成型是一個高度非線性塑性變形過程，成型過程中的主要缺陷是起皺和拉裂。影響板料成型質量的因素有壓邊力的大小、凸凹模圓角半徑、拉深材料機械性能、拉深模具參數、摩擦潤滑條件及板坯形狀和大小等。其中，壓邊力（BankHolder Force，BHF）的大小及加載方式對成型質量有顯著影響，因此有效地控制壓邊力成為一種重要的工藝方法[1，2]。試驗表明，在拉深過程的不同階段對壓邊力參數進行合理的取值，并實現調整和控制，使之能隨起皺趨勢合理變化的變壓邊力技術[3]，已成為控制金屬板料塑性流動、充分發揮材料成型性能、防止起皺和拉裂的工藝手段之一。

汽車矩形車燈拋物面反射鏡是典型的非軸對稱拉深件。由于其在成型過程中金屬材料的流動在各個階段是不一致的，如果在板料周圍施加相同的壓邊力，就容易導致某些部位起皺或拉裂，因此要求采用變壓邊力形式。本文應用有限元數值模擬技術對汽車車燈反射鏡拉深進行了模擬，并且利用數值模擬結果和神經網絡方法進行優化，獲得了適合該工序的最優壓邊力加載曲線。

二、有限元分析模型的建立

有限元網格劃分的質量對于后續成型計算分析的結果有很大影響，劃分的有限元網格應盡可能反映出原曲面模型的形狀特征。本文選用美國EAT公司的板料成型有限元分析軟件DYNAFORM對模型進行曲面自動網格劃分，實現了對網格密度及形態的精確控制。在有限元單元的選擇上，鑒于計算效率和精度的考慮，選用BT單元，其單元、節點信息如表1所列。

傳統的加工工藝中，對于此類工件通常采用矩形毛坯，并根據多次試沖結果確定毛坯大小。其缺點是：由于四角處堆積多余材料，加大了摩擦阻力而致成型過程中材料流動困難，容易引起工件厚度不均和角部破裂。為此，應用Dynaform的BSE模塊功能，反算求得優化的毛坯形狀，如圖1所示。考慮板料的各向異性，選用材料庫中的material type36，材質為08鋼，彈性模量為2.07x10 5MPa，泊松比為0.28，屈服強度為196MPa，拉伸強度為442MPa，Lankford系數ro=1.73、r45=1.35、r90=2.18，硬化指數n=0.232，虛擬沖壓速度為1000m/s。

在模型建立過程中重點對以下幾方面進行了設置。

（一）漸變式凹模圓角的設計

凹模圓角的取值合適與否直接關系到能否拉深成功。取值過小，則在材料流人凹模時彎曲阻力過大，引起直壁部分拉應力過大，導致出現頸縮，甚至拉裂等缺陷；取值過大，則有效壓料面積減小，致使切向壓應力增大，引起法蘭面起皺。該工件要求法蘭面與拋物面及直壁面相交處的圓角為r=2mm。但多次模擬結果表明，在定常壓邊力或直．線上升式壓邊力作用下會出現拉裂。綜合考慮成型質量和成型工藝要求，決定將工件此處圓角改為漸變式設計，其尺寸如圖2所示，然后在整形工序中再將此處圓角成型為r=2mm。同時，在有限元模型中，也將凹模圓角設計為此種漸變式形式。

（二）建立等效拉深筋

在板材成型過程中，常用施加拉深筋的方法來控制材料流動，以防止起皺。為了簡化拉深筋的建模過程和節省模擬時間，通常用能承受一定力的附著在模具表面的一條拉深線取代拉深筋[4]，即建立等效拉深筋模型。根據多次模擬結果和生產經驗確定等效拉深筋的結構尺寸與分布形式，將其捆綁在凹模法蘭面上。

以上述設置為前提，將CAD模型存為通用數據轉換文件（IGES格式），導人到Dynaform前處理中（為了節省計算時間，僅導入1/4模型），并作為凹模使用。再經偏移相應位置網格得到凸模有限元模型，等距偏移厚度是材料厚度加上厚度的10％（因為在計算完成后進行后處理時，如果凸模和凹模之間的間隙不夠，則起皺數據將會丟失）。通過分離凹模模型獲得壓邊圈有限元模型，然后對所有的模型網格進行必要的檢查和修補，再將所得坯料導入模型。建立的有限元分析模型如圖3所示。

三、變壓邊力數值模擬

（一）變壓邊力加載曲線類型

壓邊力控制曲線有定常加載模式、增加或減小模式及峰谷形加載模式3種類型。模擬計算和實際經驗表明，增加模式（如傳統的彈簧、橡膠壓邊形式）會對拉深過程產生不利影響，其他模式在特定的成型過程中表現各不相同[5]。根據經驗公式及實際生產情況，對定常模式、減小模式、峰形模式、谷形模式加載壓邊力（圖4）進行成型過程模擬。

（二）變壓邊力數值模擬結果分析

在設定好單元模型、材料參數、運動接觸條件、邊界條件的基礎上，對有限元模型進行上述不同壓邊力加載形式的模擬。其成型結束后的制件厚度分布云圖如圖5所示。壓邊力變化各關鍵坐標點與工件厚度最大減薄量如表2所列。

模擬過程表明，定常壓邊力和峰形壓邊力的模擬過程均在不同時刻出現了拉裂失穩且減薄嚴重情況，這也驗證了傳統壓邊方式（如彈簧、橡膠或固定間隙壓邊）的不合理性。而采用減小模式和谷形模式壓邊力的模擬過程均能拉深成功，但減小模式會在成型后期造成法蘭部分厚度有所增加，且局部區域減薄達到28.54％。實際上，在拉深成型后期，由于回彈等因素的影響，法蘭部分起皺趨勢增強，單向遞減的壓邊力無法避免拉深后期起皺，并且由于法蘭起皺增厚，導致進料阻力加大，使拉．深變形區出現局部減薄甚至破裂。根據上述分析，對于此類工件，最佳的變壓邊力加載曲線形式應為谷形壓邊力。

四、變壓邊力曲線的優化

按照4種壓邊力加載模式，通過模擬計算出20個神經網絡訓練樣本，將4個關鍵點坐標作為輸人量，以工件減薄值為輸出量，以減薄量20為判別條件，求得既能拉深成功而且減薄值最小的點，即工件采用變壓邊力時對應的一些最優壓邊力控制點數據。

五、結束語

1．通過控制壓邊力的變化可有效控制板料拉深時的流動，充分發揮其成型性能，提高質量。

2．對于典型非軸對稱件——拋物面車燈矩形反射鏡，拉深中采用谷形壓邊力加載模式較為適宜。

3．在依靠控制壓邊力來減小和消除成型缺陷時，可以配合設置拉深筋、優化毛坯形狀等工藝措施，以提高控制效果。

4．對于復雜工件，可以通過合理簡化模型、應用神經網絡工具并結合數值模擬結果，獲得優化的壓邊力控制曲線。

參考文獻
1．Shaoping Li，Jingfeng Zhen，Danlong He.The analysis of SheetForming Parameters Affects Non -Forming References inDeep Drawing Journal of Forge Technology，2002（3）：27-28
2．National Die＆Mould CAD Engineer Research Center，Shan－ghai General Motors Ltd The Intelligent Forecasting SystemForming Preference in Sheet Deep Drawing Process.，The Inte-rior Summarized Reports of Shanghai Science and TechniqueDeveloping Committee′s Fund Project（No：991111011），2001
3．Yossifon S.On the Acceptable Blank Holder Force Range inthe Deep Drawing ProcessJournal of Materials ProcessingTechnology，1999，（33）171～176
4．陳文亮板料成型CAE分析教程北京：機械工業出版社，2005
5．黃敏飛等盒形件拉深過程中的變壓邊力影響研究沖壓，2005（5）：42～43

文章地址：http://www.www.direxe.cn/Article/mjjs/200809/302.html