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一、前言

板料拉深成型是一個(gè)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(zhì)量的因素有壓邊力的大小、凸凹模圓角半徑、拉深材料機(jī)械性能、拉深模具參數(shù)、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(zhì)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(yàn)表明，在拉深過程的不同階段對壓邊力參數(shù)進(jìn)行合理的取值，并實(shí)現(xiàn)調(diào)整和控制，使之能隨起皺趨勢合理變化的變壓邊力技術(shù)[3]，已成為控制金屬板料塑性流動(dòng)、充分發(fā)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(dòng)在各個(gè)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(dǎo)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(yīng)用有限元數(shù)值模擬技術(shù)對汽車車燈反射鏡拉深進(jìn)行了模擬，并且利用數(shù)值模擬結(jié)果和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行優(yōu)化，獲得了適合該工序的最優(yōu)壓邊力加載曲線。

二、有限元分析模型的建立

有限元網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對于后續(xù)成型計(jì)算分析的結(jié)果有很大影響，劃分的有限元網(wǎng)格應(yīng)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(jìn)行曲面自動(dòng)網(wǎng)格劃分，實(shí)現(xiàn)了對網(wǎng)格密度及形態(tài)的精確控制。在有限元單元的選擇上，鑒于計(jì)算效率和精度的考慮，選用BT單元，其單元、節(jié)點(diǎn)信息如表1所列。

傳統(tǒng)的加工工藝中，對于此類工件通常采用矩形毛坯，并根據(jù)多次試沖結(jié)果確定毛坯大小。其缺點(diǎn)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(dòng)困難，容易引起工件厚度不均和角部破裂。為此，應(yīng)用Dynaform的BSE模塊功能，反算求得優(yōu)化的毛坯形狀，如圖1所示�？紤]板料的各向異性，選用材料庫中的material type36，材質(zhì)為08鋼，彈性模量為2.07x10 5MPa，泊松比為0.28，屈服強(qiáng)度為196MPa，拉伸強(qiáng)度為442MPa，Lankford系數(shù)ro=1.73、r45=1.35、r90=2.18，硬化指數(shù)n=0.232，虛擬沖壓速度為1000m/s。

在模型建立過程中重點(diǎn)對以下幾方面進(jìn)行了設(shè)置。

（一）漸變式凹模圓角的設(shè)計(jì)

凹模圓角的取值合適與否直接關(guān)系到能否拉深成功。取值過小，則在材料流人凹模時(shí)彎曲阻力過大，引起直壁部分拉應(yīng)力過大，導(dǎo)致出現(xiàn)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(yīng)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(jié)果表明，在定常壓邊力或直．線上升式壓邊力作用下會(huì)出現(xiàn)拉裂。綜合考慮成型質(zhì)量和成型工藝要求，決定將工件此處圓角改為漸變式設(shè)計(jì)，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(shí)，在有限元模型中，也將凹模圓角設(shè)計(jì)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(dòng)，以防止起皺。為了簡化拉深筋的建模過程和節(jié)省模擬時(shí)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(jù)多次模擬結(jié)果和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定等效拉深筋的結(jié)構(gòu)尺寸與分布形式，將其捆綁在凹模法蘭面上。

以上述設(shè)置為前提，將CAD模型存為通用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換文件（IGES格式），導(dǎo)人到Dynaform前處理中（為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，僅導(dǎo)入1/4模型），并作為凹模使用。再經(jīng)偏移相應(yīng)位置網(wǎng)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?yàn)樵谟?jì)算完成后進(jìn)行后處理時(shí)，如果凸模和凹模之間的間隙不夠，則起皺數(shù)據(jù)將會(huì)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(wǎng)格進(jìn)行必要的檢查和修補(bǔ)，再將所得坯料導(dǎo)入模型。建立的有限元分析模型如圖3所示。

三、變壓邊力數(shù)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(jì)算和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，增加模式（如傳統(tǒng)的彈簧、橡膠壓邊形式）會(huì)對拉深過程產(chǎn)生不利影響，其他模式在特定的成型過程中表現(xiàn)各不相同[5]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式及實(shí)際生產(chǎn)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(jìn)行成型過程模擬。

（二）變壓邊力數(shù)值模擬結(jié)果分析

在設(shè)定好單元模型、材料參數(shù)、運(yùn)動(dòng)接觸條件、邊界條件的基礎(chǔ)上，對有限元模型進(jìn)行上述不同壓邊力加載形式的模擬。其成型結(jié)束后的制件厚度分布云圖如圖5所示。壓邊力變化各關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)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(shí)刻出現(xiàn)了拉裂失穩(wěn)且減薄嚴(yán)重情況，這也驗(yàn)證了傳統(tǒng)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(huì)在成型后期造成法蘭部分厚度有所增加，且局部區(qū)域減薄達(dá)到28.54％。實(shí)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(qiáng)，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(dǎo)致進(jìn)料阻力加大，使拉．深變形區(qū)出現(xiàn)局部減薄甚至破裂。根據(jù)上述分析，對于此類工件，最佳的變壓邊力加載曲線形式應(yīng)為谷形壓邊力。

四、變壓邊力曲線的優(yōu)化

按照4種壓邊力加載模式，通過模擬計(jì)算出20個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本，將4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)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(diǎn)，即工件采用變壓邊力時(shí)對應(yīng)的一些最優(yōu)壓邊力控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。

五、結(jié)束語

1．通過控制壓邊力的變化可有效控制板料拉深時(shí)的流動(dòng)，充分發(fā)揮其成型性能，提高質(zhì)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(shí)，可以配合設(shè)置拉深筋、優(yōu)化毛坯形狀等工藝措施，以提高控制效果。

4．對于復(fù)雜工件，可以通過合理簡化模型、應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，獲得優(yōu)化的壓邊力控制曲線。

參考文獻(xiàn)
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(jī)械工業(yè)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

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