丁順風(fēng) 張勝利 劉慶

（一汽模具（天津）有限公司車(chē)身裝備部，天津 301509）

1 前言

在汽車(chē)覆蓋件的拉延工藝設(shè)計(jì)中，拉延筋起著不可替代的作用[1]，外覆蓋件拉延時(shí)需要拉延筋控制板料的流入量，以達(dá)到3%的減薄率，內(nèi)板件需要拉延筋保證板料均勻流入以防止角部起皺。拉延筋設(shè)計(jì)不合理會(huì)直接造成零件起皺、開(kāi)裂、減薄率不足、回彈變形等缺陷[2]。

前期沖壓工藝分析均采用計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）模擬的方法以快速設(shè)計(jì)拉延型，拉延筋采用等效虛擬筋模擬，在后期制作加工數(shù)據(jù)前完成實(shí)體拉延筋型的制作。然而后期制作的拉延筋與CAE 分析時(shí)用的等效虛筋往往有出入，需要多次修改才能達(dá)到預(yù)期的效果。為了解決反復(fù)修改的問(wèn)題，熊洋等[3]提出了基于UG 軟件（Unigraphics NX，UG）的參數(shù)化設(shè)計(jì)拉延筋方法，王振等[4]開(kāi)發(fā)了面向自動(dòng)化的拉延筋參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，尹雁飛等[5]設(shè)計(jì)了模塊化的拉延筋設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了更改參數(shù)直接生成拉延筋。

截面參數(shù)是制作拉延筋的關(guān)鍵因素，鄭剛等[6]采用近似模型反求拉延筋的幾何參數(shù)。現(xiàn)在CAE分析沖壓成形速度最快的軟件是AutoForm，可以自動(dòng)生成拉延筋，但不能導(dǎo)出作為加工數(shù)據(jù)。然而目前研究AutoForm 生成筋幾何參數(shù)的文獻(xiàn)不多，本文根據(jù)AutoForm 生成筋的截面參數(shù)固有的幾何約束關(guān)系，求解了適用于3D 設(shè)計(jì)軟件的關(guān)鍵參數(shù)，并進(jìn)行模擬驗(yàn)證。

2 AutoForm中Z向拉延筋的截面參數(shù)

2.1 AutoForm中Z向拉延筋的設(shè)置方法

在AutoForm 中，Z向拉延筋的設(shè)置方法如圖1 所示，拉延筋方向在Construction 中設(shè)置Bead Axis 為法向筋或Z向筋；一般的設(shè)置筋為等寬筋，即Small Height Behavior 中Bead 設(shè)置為Keep width；間隙設(shè)置為等間隙，即Wall Clearance 設(shè)置為Keep（Adjust Groove）。其他參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置即可。

圖1 AutoForm設(shè)置拉延筋形式界面

2.2 AutoForm中Z向拉延筋的截面參數(shù)

AutoForm 設(shè)置Z向拉延筋的截面參數(shù)如圖2所示。為了便于標(biāo)記，設(shè)定參數(shù)記號(hào)為：

圖2 AutoForm設(shè)置Z向方形筋的參數(shù)界面

H：凸筋高，即Bead Height；w：凸筋寬度，即Bead Top Width、Bead Base Width；R：凸筋圓角，即Bead Radius；r：凹筋圓角，即Groove Radius；c：凸凹筋間隙，即Clearance Wall；b：凸凹筋底部間隙，即Clearance Top。

后文求解公式中的符號(hào)H、w、R、r、c、b均為以上AutoForm 中聲明的參數(shù)。

3 3D軟件設(shè)計(jì)筋時(shí)所需的截面參數(shù)

3.1 Z向拉延筋截面參數(shù)的幾何約束關(guān)系

AutoForm 生成Z向方形筋時(shí)，控制截面形狀的關(guān)鍵參數(shù)如圖3 所示。其中參數(shù)含義及約束關(guān)系如下：

圖3 AutoForm生成Z向方形筋的截面參數(shù)

a.w1和w2分別為流入、流出方向的筋寬，且為沿Z向投影的寬度，需要滿足w1=w2。

b.H為筋高，且為沿Z向的高度。

c.R1和R2分別為流入、流出方向的凸筋圓角。

d.r1和r2分別為流入、流出方向的凹筋圓角，且r1=r2。

e.c為凸凹筋的間隙值，筋較高時(shí)為凸凹筋立面的間隙值，筋較低時(shí)為凸凹筋圓角的最小間隙值。

f.b為凸凹筋底部間隙值。

g.α為壓料面的傾角，此值為壓料面的特征值，而非輸入的參數(shù)值，本文設(shè)定α≥0。

3.2 3D軟件設(shè)計(jì)Z向拉延筋截面參數(shù)

在使用3D 軟件設(shè)計(jì)Z向方形筋時(shí)，需要的關(guān)鍵參數(shù)如圖4 所示。為了便于分析與說(shuō)明，將凸筋分為流入方向和流出方向分別計(jì)算。在流入方向，凸筋圓角與筋中心的距離d1≥0，因此，R1存在極大值，其關(guān)系式為：

圖4 使用3D軟件設(shè)計(jì)Z向方形筋時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)

設(shè)定R1判據(jù)為凸筋流入側(cè)最大圓角R1max，則：

在流入方向，只有當(dāng)筋較高時(shí)，凸筋流入側(cè)圓角與壓料面距離e1≥0，則：

由公式（1）～公式（3），可得用3D 軟件設(shè)計(jì)筋時(shí)的參數(shù)：

式中：Xin為凸筋流入側(cè)立壁與拉延筋中心線在Z向投影的距離。

可得流出側(cè)的幾何約束關(guān)系d2≥0，即：

設(shè)定R2判據(jù)為凸筋流出側(cè)最大圓角R2max，則有以下關(guān)系式：

在流出方向，只有當(dāng)筋較高時(shí)，凸筋流出側(cè)圓角與壓料面距離e2≥0，則：

由公式（6）～公式（8），可得用3D 軟件設(shè)計(jì)筋時(shí)的參數(shù)：

式中：Xout為凸筋流出側(cè)立壁與拉延筋中心線在Z向投影的距離。

以上所有求解公式均未考慮料厚和基準(zhǔn)側(cè)，在3D 軟件設(shè)計(jì)筋時(shí)需要考慮料厚和基準(zhǔn)側(cè)，若為上型基準(zhǔn)，壓邊圈上的凹筋參數(shù)增加料厚t；若為下型基準(zhǔn)，則上模凸筋的參數(shù)增加料厚t。同時(shí)，以上的求解公式不包含凹筋的截面參數(shù)，因?yàn)樵?D 設(shè)計(jì)軟件中可以將凸筋向外偏置間隙值c后，再與壓料面倒角（凹筋流入、流出角），最后拉深凹筋立面即可得到最終凹筋形狀。

4 前門(mén)外板拉延過(guò)程的模擬驗(yàn)證

為了對(duì)比AutoForm 自動(dòng)生成的拉延筋和用理論公式計(jì)算的拉延筋在拉延過(guò)程中的差別，采用某車(chē)型的前門(mén)外板進(jìn)行模擬驗(yàn)證，主要模擬參數(shù)為：

板料材質(zhì)為FC180-340HD+Z；料厚為0.7 mm；壓邊力為2 800 kN；摩擦因數(shù)為0.14；模擬精度為FV。

在對(duì)比中，模擬文件1 為AutoForm 自動(dòng)生成的拉延筋，且閉合和拉延過(guò)程中均保持筋型，即Profile Based 3D Bead 模型，如圖5 所示。模擬文件2為用理論公式計(jì)算的拉延筋截面參數(shù)，再用CATIA 制作的拉延筋，如圖6 所示，閉合和拉延過(guò)程也均保持拉延筋型。

圖5 AutoForm應(yīng)用的拉延筋模型

圖6 CATIA中制作的筋型

4.1 拉延筋截面參數(shù)驗(yàn)證

一般情況下，CAITA 設(shè)計(jì)的筋，其筋高、凸筋圓角、凹筋圓角等參數(shù)只需要考慮料厚和基準(zhǔn)側(cè)，但當(dāng)筋高較低時(shí)，其筋寬、凸凹筋間隙會(huì)與AutoForm 生成的筋有偏差。在本次對(duì)比驗(yàn)證中，設(shè)定AutoForm 的筋為等寬Z向方形筋，其筋寬為10 mm，凸凹筋間隙為0.5 mm。

在此模擬驗(yàn)證中，拉延筋為雙層筋。為了檢查筋在不同高度、不同壓料面傾角下，CATIA 制作的筋與AutoForm 生成筋的差別，采集了7 段內(nèi)側(cè)筋的寬度和凸凹筋間隙值（圖7）作為對(duì)比量。其中筋寬的對(duì)比結(jié)果如表1 所示。

表1 AutoForm生成的筋與CATIA制作的筋寬度對(duì)比 mm

圖7 拉延筋的分段

由表1 可知，通過(guò)用理論公式求解的Z向拉延筋截面參數(shù)制作的拉延筋，在筋高較低時(shí)與Auto-Form 生成的拉延筋的筋寬保持一致。拐角的筋高較低處偏差最大，最大偏差僅為0.04 mm。

由表2 可知，通過(guò)用理論公式求解的Z向拉延筋截面參數(shù)制作的拉延筋，無(wú)論筋高如何變化，仍能保持較為恒定的凸凹筋間隙，且與AutoForm 生成的拉延筋的間隙值最大偏差僅為0.06 mm。

表2 AutoForm 與CATIA 凸凹筋間隙對(duì)比 mm

4.2 拉延結(jié)果驗(yàn)證

拉延筋對(duì)模擬結(jié)果最直接的影響便是流入量，圖8、圖9 分別為AutoForm 生成筋的流入量和CATIA 制作筋的流入量。通過(guò)對(duì)比，流入量誤差小于1 mm；AutoForm 生成筋的流入量較CATIA 制作筋的流入量偏大，這與后者制作的筋寬偏大、凸凹筋間隙偏大有關(guān)，另外，AutoForm 生成的筋在拉延過(guò)程中有阻料的屬性，但是CATIA 生成的筋在AutoForm 模擬過(guò)程中僅為一個(gè)造型失去了阻料的屬性，導(dǎo)致其流入量偏大。

圖8 AutoForm生成拉延筋的流入量

圖9 CATIA制作拉延筋的流入量

流入量的變化反映到拉延結(jié)果上便是減薄率的變化，圖10、圖11 分別為AutoForm 生成筋的減薄率和CATIA 制作筋的減薄率。通過(guò)對(duì)比，中間部位的減薄率沒(méi)有變化，在靠近分模線附近的減薄率有一定變化，變化量極小。

圖10 AutoForm生成拉延筋的減薄率

圖11 CATIA制作拉延筋的減薄率

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析AutoForm 生成拉延筋的截面參數(shù)的幾何約束關(guān)系，求解了Z向拉延筋的凸筋截面參數(shù)的理論公式，并通過(guò)模擬驗(yàn)證得出了以下結(jié)論。

a.在筋高較低時(shí)，AutoForm 生成Z向拉延筋截面參數(shù)有其特定的幾何約束關(guān)系，可求解適用于3D 軟件設(shè)計(jì)拉延筋的關(guān)鍵參數(shù)的理論公式，考慮料厚和基準(zhǔn)側(cè)后，便可制作與AutoForm 生成一致的筋。

b.依據(jù)理論公式制作的拉延筋，其筋寬、凸凹筋間隙均與AutoForm 生成的拉延筋截面形狀有很好的一致性。

c. 使用3D 軟件設(shè)計(jì)的拉延筋和AutoForm 生成的拉延筋，經(jīng)過(guò)模擬驗(yàn)證，其流入量和減薄率均能保持良好的一致性。