尚東++單穎春++劉獻(xiàn)棟++姜二

摘要： 為滿足汽車車輪強(qiáng)度要求，大通風(fēng)孔鋼制車輪輪輻需采用高強(qiáng)度鋼材進(jìn)行沖壓成形，因此更容易產(chǎn)生各種成形不良問(wèn)題.用PAMSTAMP對(duì)某大通風(fēng)孔鋼制車輪輪輻成形過(guò)程中的2道關(guān)鍵拉延工序進(jìn)行有限元仿真和優(yōu)化，通過(guò)改變模具結(jié)構(gòu)和參數(shù)降低輪輻成形后的減薄量，有效防止輪輻成形過(guò)程中的開(kāi)裂現(xiàn)象.對(duì)仿真結(jié)果和實(shí)際加工結(jié)果的對(duì)比和分析驗(yàn)證該仿真方法的有效性.

關(guān)鍵詞： 汽車； 車輪； 輪輻； 輕量化設(shè)計(jì)； 拉深成形； 減薄量； 模具優(yōu)化

中圖分類號(hào)： U463.34文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0前言

大通風(fēng)孔鋼制車輪輪輻與普通鋼制車輪輪輻相比質(zhì)量明顯減輕，其外觀接近鋁制車輪效果，因此能夠在低成本下獲得輕量化及良好的外觀效果，故大通風(fēng)孔鋼制車輪輪輻已引起國(guó)內(nèi)眾多車輪制造企業(yè)的高度重視.沖壓成形是鋼制車輪輪輻成形的主要方法之一，其中拉延工序是決定沖壓件質(zhì)量最重要的工藝環(huán)節(jié).由于大通風(fēng)孔鋼制車輪需采用強(qiáng)度級(jí)別更高的鋼材進(jìn)行沖壓成形，且大通風(fēng)孔鋼制車輪輪輻的空間形狀比普通鋼制車輪輪輻更加復(fù)雜，因此拉延過(guò)程中更容易出現(xiàn)不同程度的板料開(kāi)裂、起皺等缺陷.在傳統(tǒng)的生產(chǎn)中，每一工序都要經(jīng)過(guò)多次試生產(chǎn)和調(diào)試修正才能確定，是一個(gè)“試錯(cuò)”的過(guò)程，成本高、周期長(zhǎng)，且難以滿足復(fù)雜零件的技術(shù)要求.[1]

隨著有限元仿真技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法能夠快速、高效地模擬生產(chǎn)加工情況[2]，預(yù)測(cè)實(shí)際加工生產(chǎn)中容易出現(xiàn)的問(wèn)題，大幅縮減產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高成形件質(zhì)量.目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)采用高強(qiáng)鋼進(jìn)行車輪輪輻沖壓成形仿真的研究較少.徐成林等[3]提出有別于常規(guī)輪輻沖壓成形的工藝方案，并基于Dynaform對(duì)車輪的新工藝方案進(jìn)行有限元分析，對(duì)車輪沖壓成形缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)，但僅限于普通鋼制車輪輪輻，且沒(méi)有考慮成形板料的減薄量.衛(wèi)原平等[4]基于Dynaform以輪輻沖壓成形為例，對(duì)板料的二次拉深進(jìn)行有限元仿真，得到的工件的厚度和應(yīng)變情況與實(shí)際加工非常接近，但其輪輻材料為普通鋼材而非高強(qiáng)鋼.高蔚然等[5]基于Autoform對(duì)鋼制車輪成形中的拉深、反拉深和成形工序進(jìn)行仿真，對(duì)成形零件厚度進(jìn)行預(yù)測(cè)，驗(yàn)證有限元模型的有效性，對(duì)輪輻拉深成形的仿真比較全面.陳龍等[6]應(yīng)用Deform模擬預(yù)沖孔的圓環(huán)一步?jīng)_壓成形過(guò)程，分析沖壓速度、摩擦條件和凹模圓角半徑對(duì)成形載荷的影響規(guī)律，認(rèn)為圓角半徑對(duì)成形結(jié)果影響較大.

FERRAN等[7]利用SIMEX顯式有限元算法對(duì)車輪盤成形進(jìn)行簡(jiǎn)化數(shù)值模擬并與實(shí)際沖壓結(jié)果進(jìn)行比較，認(rèn)為SIMEX算法能夠更好的模擬厚度應(yīng)變，但是其對(duì)厚板的厚度預(yù)測(cè)減薄量偏大.TAN等[8]指出板料在拉深成形過(guò)程中拐角處會(huì)出現(xiàn)減薄現(xiàn)象，提出在輪輻內(nèi)側(cè)拐角處降低減薄量的優(yōu)化方案，認(rèn)為增大沖頭拐角處圓角半徑可以有效避免板料在此處劇烈減薄，并通過(guò)有限元仿真模擬和試驗(yàn)分別驗(yàn)證此方案的可行性.MORI等[9]通過(guò)拉深成形試驗(yàn)探究沖擊線出現(xiàn)的位置，并通過(guò)修改模具模型和調(diào)整仿真參數(shù)進(jìn)行多次仿真，認(rèn)為在拉深板件的拐角處降低減薄率可以有效減少?zèng)_擊線的產(chǎn)生，增加模具圓角半徑可以有效防止厚度局部減少和圓角處的材料堆積.

本文基于PAMSTAMP對(duì)采用抗拉強(qiáng)度達(dá)560 MPa的高強(qiáng)鋼的某型大通風(fēng)孔車輪輪輻的沖壓工藝進(jìn)行仿真.針對(duì)產(chǎn)品成形過(guò)程中的開(kāi)裂問(wèn)題，仿真分析模具圓角半徑、輪輻成形半徑和摩擦因數(shù)等參數(shù)對(duì)輪輻成形效果的影響，通過(guò)改變模具圓角和結(jié)構(gòu)，降低圓角開(kāi)裂部位減薄量，避免輪輻開(kāi)裂現(xiàn)象，有效指導(dǎo)大通風(fēng)孔車輪輪輻沖壓模具的設(shè)計(jì).

1沖壓成形過(guò)程及工藝仿真方法

某型大通風(fēng)孔鋼制車輪的拉延工序由4個(gè)子工序組成：拉深、反拉深、成形和翻邊校形.對(duì)每一子工序在CAD軟件中建立板料和模具的三維模型，導(dǎo)入PAMSTAMP軟件中，調(diào)整模具與板料之間的相對(duì)位置保證模具運(yùn)動(dòng)方向與板料為同一軸線方向，見(jiàn)圖1.

a）反拉深工序

b）成形工序

圖 1輪輻沖壓成形有限元模型

Fig.1Finite element model for wheel spoke stamping forming

對(duì)板料進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為保證計(jì)算精度，網(wǎng)格大小不宜過(guò)大.設(shè)置均勻網(wǎng)格大小為3.00 mm，板料網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2.

圖 2劃分網(wǎng)格后的板料（1/4模型）

Fig.2Meshed sheet （1/4 model）

板料各項(xiàng)材料參數(shù)是影響成形結(jié)果的最主要因素，該輪輻材料為高強(qiáng)鋼DP580，板料初始厚度為5.50 mm，其材料力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表1.板料成形分析選用Hill 48各向異性屈服模型.仿真計(jì)算中將終止條件設(shè)置為凸凹模間隙值為1.1倍板料厚度，模具與板料間摩擦因數(shù)設(shè)為0.12.板料成形過(guò)程采用顯式增量算法[4]，回彈過(guò)程選用先進(jìn)隱式算法.表 1DP580鋼材料參數(shù)

Tab.1Material parameters of DP580 steel參數(shù)值參數(shù)值密度/（g/cm3）7.8泊松比0.3彈性模量/MPa210硬化因數(shù)0.23厚向異性因數(shù)R451.02厚度/mm5.5厚向異性因數(shù)R00.918抗拉強(qiáng)度/MPa560厚向異性因數(shù)R901.216

2車輪輪輻反拉深和成形過(guò)程的缺陷分析該型大通風(fēng)孔鋼制車輪輪輻第二道工序?yàn)榉蠢罟ば?，可成形出螺栓安裝面和輪輻緩沖環(huán).該工序反向拉深深度大，輻底螺栓安裝面材料流動(dòng)過(guò)多，中心定位孔處易出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象.經(jīng)仿真計(jì)算后板料厚度云圖見(jiàn)圖3.圖3a中標(biāo)識(shí)出的部分即中心孔處減薄最劇烈的部分，減薄量達(dá)到18.7%；在中心定位處呈“十”字形式減薄，局部放大圖見(jiàn)圖3b，該部位也是應(yīng)力集中部位，極易出現(xiàn)開(kāi)裂情況.實(shí)際加工過(guò)程中在該中心孔處開(kāi)裂，見(jiàn)圖4.

a）整體b）定位孔中心圖 3反拉深工序板料厚度云圖，mm

Fig.3Sheet thickness contour of reverse drawing process， mm

圖 4反拉深工序?qū)嶋H開(kāi)裂部位

Fig.4Actual crack position in reverse drawing process

第三道工序?yàn)槌尚喂ば?，該過(guò)程要完成通風(fēng)孔和緩沖環(huán)形狀的定形.將輪輻反拉深后的結(jié)果導(dǎo)入成形模具，經(jīng)仿真計(jì)算后得到成形后的板料厚度云圖見(jiàn)圖5，減薄最明顯部位位于大通風(fēng)孔圓角處，達(dá)到20.0%.減薄最明顯部位放大圖見(jiàn)圖6.實(shí)際加工過(guò)程中開(kāi)裂部位見(jiàn)圖7，可見(jiàn)與圖6中的減薄部位相對(duì)應(yīng).該部位模具圓角過(guò)小，僅為4.0 mm，在沖壓過(guò)程中局部摩擦力大，且該部位為大塑性變形區(qū)域，材料流動(dòng)受阻，出現(xiàn)減薄開(kāi)裂.

圖 5成形工序板料厚度云圖，mm

Fig.5Sheet thickness contour in forming process， mm

圖 6減薄明顯部位放大圖，mm

Fig.6Enlarged view of parts of obvious thickness reduction， mm

a）背面

b）正面

圖 7成形工序?qū)嶋H開(kāi)裂部位

Fig.7Actual crack position in forming process

與實(shí)際成形結(jié)果相比，仿真結(jié)果能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)實(shí)際成形過(guò)程中明顯減薄開(kāi)裂部位，其中：反拉深工序輻底中心定位孔處減薄明顯，自減薄最劇烈部位沿直徑方向擴(kuò)散撕裂；成形工序模具加強(qiáng)筋處圓角過(guò)小導(dǎo)致板料以撕裂形式裂開(kāi).仿真結(jié)果中減薄量的最大位置與產(chǎn)品成形中的破裂位置吻合很好，驗(yàn)證本仿真方法有效.

3模具圓角半徑對(duì)沖壓結(jié)果的影響

針對(duì)該型輪輻反拉深成形工序中心定位孔開(kāi)裂情況，考慮輻底圓角對(duì)材料流動(dòng)的影響，對(duì)輻底圓角處半徑進(jìn)行修改.采用不同模具輻底圓角（圓角半徑從10 mm增至28 mm）進(jìn)行反拉深成形時(shí)車輪中心孔厚度的仿真，結(jié)果見(jiàn)表2.結(jié)果表明：隨著圓角半徑增大，中心孔處厚度也增加；當(dāng)模具圓角r=28 mm時(shí)中心孔處厚度最大，而圓角半徑繼續(xù)增加，中心孔處厚度隨之減少.綜合考慮，選擇圓角半徑為28 mm成形性能最好，成形結(jié)果見(jiàn)圖8.

表 2不同圓角半徑時(shí)中心孔最薄處厚度值

Tab.2Thickness value of different radius of center hole at thinnest position mm模具輻底半徑101520252830中心孔最薄處厚度4.164.304.474.544.664.60

圖 8半徑為28 mm時(shí)反拉深沖壓成形輪輻厚度云圖

Fig.8Wheel spolee thickness contour after reverse drawing stamping forming when radius is 28 mm

針對(duì)成形工序中加強(qiáng)筋開(kāi)裂問(wèn)題，考慮摩擦與潤(rùn)滑因素，仿真分析該加強(qiáng)筋處最合理的圓角大小.對(duì)不同大小圓角進(jìn)行仿真分析，結(jié)果見(jiàn)表3.由此可知圓角越大該處厚度值也越大.由于該圓角直接延伸至螺栓孔部位，與螺栓孔外緣相貫，其圓角不能過(guò)大，綜合考慮，選取圓角半徑為6.0 mm.反拉深工序改進(jìn)后選擇輻底圓角半徑為28.0 mm，此時(shí)中心孔處最薄處厚度為4.66 mm，減薄量達(dá)到15.4%，低于修改前的18.7%；成形工序改進(jìn)的模具圓角為6.0 mm，此時(shí)加強(qiáng)筋圓角最薄處的厚度為4.45 mm，減薄量達(dá)到20.1%，低于修改前的22.2%.2道工序減薄量雖都減少，但并不明顯，在實(shí)際加工過(guò)程中依然會(huì)有較高的廢品率，因此需對(duì)模具整體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步修改分析.表 3不同模具圓角半徑時(shí)加強(qiáng)筋最薄處厚度

Tab.3Thickness of stiffener at thinnest position when die fillet radius is different mm加強(qiáng)筋處圓角半徑4.05.06.07.07.5加強(qiáng)筋處最薄厚度4.404.404.454.474.54

4加大輻底成形半徑對(duì)結(jié)果的影響

僅通過(guò)調(diào)整模具圓角難以降低輪輻沖壓過(guò)程中易破裂位置的減薄量，故進(jìn)一步對(duì)模具基本結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修改.在反拉深工序成形過(guò)程中加大螺栓安裝面直徑，即增大輻底半徑.將輻底半徑由55 mm增加至69 mm，模具修改前后輪輻的成形厚度云圖見(jiàn)圖9和10.圖10中中心孔最薄處為4.80 mm，減薄量為12.7%，厚度減薄量明顯低于修改前的15.4%.

圖 9模具修改前反拉深成形輪輻厚度云圖，mm

Fig.9Wheel spolee thickness contour after reverse drawing forming and before die modification， mm

圖 10修改后反拉深成形輪輻厚度云圖，mm

Fig.10Wheel spoke thickness contour after reverse drawing forming and die modification， mm

改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)不僅對(duì)反拉深成形工序有很好的改善效果，同時(shí)對(duì)成形工序也有較好的效果.將改進(jìn)后的反拉深成形結(jié)果導(dǎo)入到成形工序模具（模具未做修改），仿真計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖11.大通風(fēng)孔圓角最薄處厚度為4.78 mm，減薄量為13.1%，明顯小于20.1%，改進(jìn)效果明顯.圖 11模具改進(jìn)后成形工序結(jié)果，mm

Fig.11Result of forming process after die improvement， mm

5摩擦因數(shù)對(duì)成形結(jié)果影響

考慮實(shí)際加工過(guò)程中加強(qiáng)筋圓角部位局部摩擦力較大的影響，計(jì)算不同摩擦因數(shù)情況下開(kāi)裂部位的厚度值，結(jié)果見(jiàn)表4.

表 4不同摩擦因數(shù)情況下開(kāi)裂部位厚度值

Tab.4Thickness values of crack position under different friction factors摩擦因數(shù)0.050.120.200.30改模前厚度/mm4.494.404.334.28改模后厚度/mm4.824.784.754.70

摩擦因數(shù)越大，開(kāi)裂部位厚度值越小.模具修改后仿真開(kāi)裂部位的厚度值結(jié)果受摩擦力影響較小，厚度改變量為2.3%；而模具修改之前，仿真結(jié)果中開(kāi)裂部位的厚度值受摩擦力影響較大，厚度改變量為4.7%.在實(shí)際加工過(guò)程中，即使圓角部位潤(rùn)滑不到位導(dǎo)致摩擦力大，對(duì)改進(jìn)之后的模具影響也比較小，不易導(dǎo)致過(guò)分減薄開(kāi)裂.因此，僅針對(duì)二次反拉深成形進(jìn)行模具修改，其成形結(jié)果對(duì)二次、三次沖壓成形都有很好的改進(jìn)效果.

6結(jié)論

基于PAMSTAMP，針對(duì)某型高強(qiáng)鋼大通風(fēng)孔車輪輪輻反拉深工序和成形工序中出現(xiàn)中心孔開(kāi)裂、加強(qiáng)筋部位開(kāi)裂問(wèn)題，研究模具輻底成形參數(shù)、模具圓角半徑以及摩擦因數(shù)對(duì)成形結(jié)果的影響，獲得反拉深件輻底圓角部位及成形件大通風(fēng)孔圓角部位最優(yōu)圓角半徑.通過(guò)改進(jìn)模具輻底成形半徑尺寸，大大降低輻底圓角部位及大通風(fēng)孔圓角部位的材料減薄量，有效解決該輪輻成形中的開(kāi)裂問(wèn)題，對(duì)產(chǎn)品實(shí)際加工有明確的指導(dǎo)意義.

1）該型輪輻反拉深成形工序輻底圓角處半徑為28 mm時(shí)，成形性能最好，中心孔處減薄量由18.7%降至15.4%.成形工序中鑒于板料成形結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)筋處圓角半徑為6.0 mm更為合理，該圓角處減薄量可由22.2%降至20.1%.

2）改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)，加大輻底成形部分的半徑，對(duì)反拉深工序和成形工序均有改進(jìn)效果，能有效降低開(kāi)裂部位減薄量，使反拉深工序中輻底中心孔最薄處厚度減薄量由15.4%降至12.7%，成形工序加強(qiáng)筋圓角最薄處厚度減薄量由20.1%進(jìn)一步降至13.1%，改進(jìn)效果明顯，滿足實(shí)際加工工藝需求.

3）加大輻底成形半徑后，加強(qiáng)筋開(kāi)裂部位的厚度值對(duì)摩擦因數(shù)敏感度低，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中即使板料局部潤(rùn)滑不到位，對(duì)加強(qiáng)筋處厚度影響亦較小.

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