滕海灏，彭梦霞

重庆大学材料科学与工程学院（重庆 400044）

1 引言

汽车覆盖件冲压成形是一类特殊而又典型的板料成形工艺过程。汽车覆盖件在成形过过程中，受力情况复杂多变，塑性变形程度大，毛坯在各个工序中都会产生挠度巨大的塑性流动，极易产生各类缺陷[1]。这些涉及复杂数理模型的问题显然无法用单一、静态的算法准确地描述，这时，有限元算法的提出和应用以及计算机技术的飞速发展，为解决这些问题提供了新的可能。通过对一些具体的汽车覆盖件进行数值模拟分析，工作人员可以加深对有限元原理的理解，深刻体会有限元算法和计算机技术在实际生产中的巨大优越性。

同时，根据模拟分析的结果，还可以用精确的计算代替传统的经验判断，合理预测制件成形效果，有效优化各类工艺参数，显著减少试模的时间成本，给企业带来巨大的经济效益。汽车手刹固定板是卡车中的一个典型的部件，该制件尺寸不大、拉伸深度较浅但形状比较复杂，拉伸过程中存在的大面积拉伸不足、过度减薄以及破裂问题[2]。本课题利用高效的计算机辅助技术，使用数值模拟软件AutoForm对汽车覆盖件的冲压过程进行精确的数值模拟计算，在适当的位置合理添加拉伸筋，分析比较摩擦系数、压边力等不同工艺参数对汽车手刹固定板成形质量的影响，归纳总结成形规律。同时，根据软件计算结果的反馈。采用优化设计方法，初步分析得出冲压生产工艺参数的最优解，预判制件成形质量，改进模具设计，压缩资源成本，这些工作对手刹固定板的模具设计、工艺方案优化、规模化投产具有重要的参考和指导意义。

2 汽车手刹固定板成形工艺分析

2.1 汽车手刹固定板工艺性分析

汽车手刹固定板具有汽车覆盖件的典型特征（见图1），与其它冲压件不同的是，该制件尺寸不大、材料厚度小、拉伸深度较浅但空间结构比较复杂，对成形质量要求高，拉伸过程中各部位应力应变分布不均匀[3]，可能存在大面积拉伸不足、过度减薄以及破裂等缺陷。根据该覆盖件的结构特点，可确定第一道工序为拉伸，由于拉伸深度较浅，采用一次拉伸成形。随后进行修边工序，将多余的坯料切除。再根据各孔洞尺寸大小完成冲孔工序，最后对局部结构进行翻边，即可得到最终制件。汽车手刹固定板成形设计流程如图2所示。本文主要针对拉伸工序进行详细探究。

图1 汽车手刹固定板三维图

图2 汽车手刹固定板成形设计流程

2.2 冲压方向的确定

在确定拉伸工艺方案时，首先面临的问题是确定拉伸方向。拉伸方向既能影响汽车制件的成形质量，也会改变型面设计的参数。因此，拟定拉伸方向是拉伸工序乃至整个工艺方案的关键基础[4]。

经综合考虑，将此汽车手刹固定板的冲压方向选定为与平面法兰垂直的方向，即为中箭头方向，原因如下：

（1）该冲压件具有复杂的三维轮廓，凸模在工作过程中难以完全接触凹模，出现“死区”[5]。该拉伸方向能最大程度地保证模具顺利拉伸件的顺利贴合，一次成形全部空间形状。

（2）该冲压方向较好地满足了初始阶段凸模与坯件间的接触条件：较大的接触表面且作用点均匀，将局部坯料的胀形程度限制在合理的范围，避免局部坯件的错位，消除破裂隐患；大致相等的的凸模包容角利于各区域法兰内的原始坯料在成形过程中流动均匀，减少工件的表面缺陷。

图3所示为汽车手刹固定板冲压方向。

图3 汽车手刹固定板冲压方向

2.3 压料面的设计

汽车覆盖件往往轮廓复杂，受力不均，为了改善拉伸工序冲压件的成形条件，提高制件塑性刚度，往往需要在最终制件上补充一部分结构，这部分结构称为工艺补充[6]。工艺补充的好坏将会对拉伸件成形质量产生一定的影响。大部分汽车覆盖件都需要先添加工艺补充部分，然后根据所设计的拉伸件才能进行冲压成形。

模拟计算先进行拉伸工序分析，对汽车手刹固定板进行合理的工艺补充，得到利于高质量拉伸成形的型面。总之，工艺补充的设计方案，将决定各类工艺参数的取值，深刻影响了整个冲压过程的成形效果。因此，必须兼顾工艺补充设计原则，优化工艺补充方案，并充分考虑后面修边、冲孔、整形、翻边等工序的工艺内容，为后序工艺顺序进行奠定良好基础[7]。

压料面是制件工艺补充的关键构成，指凹模圆角外侧的区域。合适的压料面设计方案，可以有效控制原始坯料的变形程度，合理调节压料面的毛坯材料向凹模内的流动速度，改善其流动条件，有效避免回弹、拉裂等缺陷的产生。压料面的形状有两种情况：一种是直接使用工艺补充型面；另一种压料面既包括工艺补充，同时也加入了工件的法兰面。本次拉伸工序选择前者，图4所示是汽车手刹固定板的压料面设计方面CAD模型。

图4 压料面设计方案

该设计的理由如下：

（1）该压料面为水平压料面，形状简单，平面高度变化平缓，原始坯料流动顺畅，利于调节阻力大小浮动情况，使塑性变形分布均匀，有效避免拉伸成形过程中各种缺陷，保证了良好的拉伸条件。

（2）在调模过程中，该方案可以优化压料面所受的阻力状态，利于探究最优成形条件，提高成形质量。

（3）如图5所示，该压料面的断面曲线长度l0与拉伸件内部断面曲线长度l1满足数量关系：l0＜0.97l1。同时，压料面的仰角α与凸模仰角β满足：β＜α。这些参数保证了制件各截面上的延伸率高于3%，减少余料，避免松弛、皱折等缺陷。

图5 压料面剖面和拉伸件剖面内长度

（4）其中针对制件两侧存在高低差而造成拉伸深度不同，从而可能影响制件成形性的问题，在工艺补充时将压料方式设计成特殊的曲面压力，降低高度差

2.4 拉伸筋的设置

在汽车覆盖件拉伸成形过程中，一个大小合理、分布均匀的拉力能改变坯件的流动条件，改善成形效果。这个拉力可以由冲压设备提供，又能通过压料面挤压或坯件法兰部分的变形得到。坯件在成形过程受到压料面挤压产生的压边力，由此与工具体间存在一定的摩擦力，但是这个摩擦力不大，不足以改变材料的流动条件，影响坯件的塑性变形程度。此时，拉伸筋的设置就显得尤为重要，它对对坯件的较大阻力够补充拉力条件的不足，显著改善拉伸效果。拉伸筋的设计由此成为冲压过程的关键。这一小节主要研究的问题是：是否布置拉伸筋、如何布置、采用何种方式布置拉伸筋。

该覆盖件采用如图6所示的布置形式：①A处为凸出的弧形轮廓，材料所受塑性流动阻力大，故在此处不采用拉伸筋；②B处形状内凹，坯料所受变形阻力不大，容易在此处堆积增厚，为减少起皱几率，在此处布置一条长拉伸筋；③C处轮廓形状为直线，材料流动顺畅，易导致厚度不均，根据直线轮廓的长度，在此采用一条长拉伸筋；④D处制件结构向内凹圆弧，材料随工具体挤压容易从两侧涌入，导致拉伸程度不足，为此于该处设置一条长拉伸筋，以增加翻边区域的材料流动阻力，控制小范围板料流动方向，减少起皱与拉伸不足；⑤E处结构外凸，坯料变形所受阻力过小，于是在此布置一条深长筋，如图6所示。

图6 拉伸筋的布置

3 汽车手刹固定板成形仿真模拟

3.1 仿真过程参数设定

经综合考虑，将汽车手刹固定板拉伸成形的一些工艺参数做如下设置：

（1）摩擦系数。摩擦系数直接影响了坯料在型腔内流动中所受的阻力，适当的摩擦系数能有效提高汽车手刹固定板的表面质量，为此，本次模拟初选摩擦系数大小为0.13。在AutoForm中，摩擦系数可以有两种设置方法：一种是在“process”项目下，点击当前拉伸工序“D-20”，在“Lube”分项中设置本次拉伸工序的摩擦系数为0.13；另一种方法可以一次设定整个成形工艺所有工序的摩擦系数，即在“process”项目下的“PL”模块，设定摩擦系数为0.13，该数值可以为后面各工序共享。

（2）活动距离和冲压速度。在保证模拟精度和成形质量的前提下，适当提高冲压的速度，可以减少计算时间，提高工作效率。初选活动距离为700mm，冲压速度为233mm/s，因而凹模运动时间为3s。设置方法为在“PL”模块下手动输入“Stroke”、“velocity”的值。

（3）模具间隙。模具间隙会影响汽车手刹固定板的对表面质量，为满足其成形质量要求，初选模具间隙值为3mm，以凸模作为基准侧。设置方法为在“Tool”下的“Punch”分项中设定模具间隙“Clearance”的值为3mm。

（4）压边圈缓冲行程和压边力。压边力在实际生产中由单动压力机提供，并受液压弹性装置的限制，它能限制原始坯料流动，改变材料所受变形阻力，其参数值的大小深刻影响这汽车覆盖件的成形效果。根据前文所述的工艺分析和压料面的尺寸大小，初步确定压边力为570kN，压边圈缓冲行程距离为200mm。设置步骤为：在“D-20”工序下的“Tool”模块中点击“Binder”进入压边圈设置界面，设定“Cushion Stroke”为 200mm，“ConstantForce”为570kN。

（5）拉伸筋。本次模拟采用虚拟拉伸筋，将提前在catia中绘制完成的拉伸筋线条导入AutoForm中。考虑到拉伸工件各部位深度不一，将各个拉伸筋系数都设为0.5，设置的步骤是在“D-20”工序下选择拉伸筋设置模块“Drawbeads”，依次导入各条虚拟拉伸筋后，将各拉伸筋的系数Force Factor设为0.5。

3.2 各工艺参数对拉伸成形的作用规律

3.2.1 摩擦系数的影响规律

摩擦系数是决定汽车手刹固定板模拟成形计算效果好坏的关键参数之一[8]。通过改变摩擦系数，可以有效控制原始坯料在模具型腔中流动的受力情况，改善冲压制件的成形条件。

本节采用控制变量的研究方法，令其余影响因子恒定不变，仅改变摩擦系数，分别在0.10、0.12、0.14、0.15、0.16、0.17、0.19、0.21的摩擦系数取值条件下，模拟分析手刹固定板的成形过程，得到各摩擦系数下的拉伸制件FLD和成形效果云图。在这些图中，选出四个拉伸效果较为典型、具有临界意义的的FLD及成形效果图，它们的摩擦系数分别是0.10、0.15、0.17、0.21，见图7～图10所示。同时统计不同摩擦系数下各拉伸制件最大减薄率和最大增厚率，得到图11所示。

图7 摩擦系数为0.10时制件的FLD和成形效果云图

图8 摩擦系数为0.15时制件的FLD和成形效果云图

图9 摩擦系数为0.17时制件的FLD和成形效果云图

图10 摩擦系数为0.21时制件的FLD和成形效果云图

图11 最大减薄率和最大增厚率随摩擦系数的变化趋势

图7 表示当摩擦系数在一个较低的取值时，坯件拉伸程度存在较大面积的不足。局部材料明显出现堆积，且这种增厚现象不仅出现在需要切除的工艺补充部分，也出现在了制件的工作表面，虽然不足以形成起皱，但仍值得警惕；图8表示当摩擦系数增大到0.17时，各区域拉伸深度得到较好改善，但拉伸件开始在标注点出现拉裂的隐患；由图9可见，当摩擦系数增大到0.21时，表示破裂的红色区域开始出现；而图10表示摩擦系数为理论初算值0.15时，成形较为均匀，几乎没有明显缺陷。图11则呈现了坯件厚度随摩擦系数改变所遵循的一些变化特性。总结上述图表，可归纳出以下规律：

（1）减小摩擦系数可以降低拉伸件过度减薄而导致的拉裂风险，却会伴随着材料堆积，增大起皱的几率。增加摩擦系数取值可以明显提高绿色安全区域的占比，使拉伸充分，优化拉伸质量，但是也存在破裂临界值。摩擦系数改变模拟结果质量的机理是，它限制了坯件的受力状态，在越小的摩擦系数下，坯料流动受阻越小，进入凹模更顺畅，过多的坯料流入就会形成堆积，导致起皱。相反地，摩擦系数越大，坯件越难以充分填充工具体型腔，部分区域材料流入不足，产生破裂风险。因此，为得到高质量的拉伸件，需要以避免缺陷为前提，在特定的数值范围内，适当地增大摩擦系数。

（2）坯件的最大减薄率与摩擦系数成正相关，当摩擦系数增加到0.17以后，减薄率开始出现骤变，此摩擦系数临界值恰好对应于制件刚要破裂时的FLD，破裂处不再遵循相应规律；同时，制件的最大厚度与摩擦系数呈负相关联系，当摩擦系数以高于0.15的取值逐渐增大时，最大厚度平缓降低，而摩擦系数在0.15以下减小时，最大增厚率以略大的幅度增加；

（3）由此得到本次拉伸模拟摩擦系数的合理范围是0.14到0.16，最佳摩擦系数为0.15，模拟结果与理论计算值较为契合。

3.2.2 压边力的影响规律

除摩擦系数外，压边力同样是决定拉伸件成形质量的关键参数[9]。压边力通常由压力机上的压边圈提供，可以方面地调整其数值的大小，以探究压边力对冲压件成形效果的影响规律。压边力对拉伸件质量的影响机理在于，它能影响坯件由法兰面流向凹模时的受力情况，调整坯料流动时与压边圈或工具体间的摩擦力，改变进料的难易程度，从而影响最终制件的拉伸质量。此外，压边力的改变直接影响了工具体所受载荷的大小，更与设备的工作效果和使用寿命联系紧密。

基于压边力的初始理论值600kN，分别模拟计算压 边 力 为 540kN、570kN、600kN、630kN、660kN、690kN、720kN、750kN时的成形效果。当压边力取值为570kN、600kN、630kN、720kN时，成形性效果显著，具有代表性特征，统计各压边力下的材料最大减薄率和最大增厚率，得到图12所示结果。

图12 最大减薄率和最大增厚率随压边力的变化趋势

4 结论

本次模拟先对汽车手刹固定板进行工艺分析，确立完整的成形工艺流程。再逐步确定拉伸方向、压料面、工艺补充面、拉伸筋的设置方案，完成拉伸件的型面设计，然后利用AutoForm软件对手刹固定板进行了冲压成形数值模拟，研究了各工艺参数对拉伸成形质量的影响规律，并分析了原因。最后采用正交试验优化设计方法，进一步优化了工艺参数，得到以下结论：

（1）对于形状不对称、曲面复杂的手刹固定板，成形过程中易出现拉伸不足。缺陷产生的原因主要是在成形过程中，板料流动阻力不足，流动速度不均匀。

（2）减小摩擦系数、压边力，增大凸、凹模间隙、凹模圆角，这些参数的改变有利于减小材料流动阻力、变形阻力，使冲压件出现材料堆积、增厚的趋势，存在起皱、拉伸不足的风险。反之，若增大摩擦系数或压边力，减小凸、凹模间隙或凹模圆角，则会增加材料流动、变形的困难，导致材料分布不均，局部区域过度减薄乃至破裂。