轨道车辆窗下补强板冲压成形模拟
发布时间：2021-05-20
摘要：以某款地铁车辆窗下补强板为例，利用有限元软件Autoform，研究了拉延筋强度系数、压边力和模具间隙参数对补强板件成形的影响。结果表明：拉延件拉裂主要由成形过程中板料局部流动不均匀所致，起皱是由于拉延过程中边角处物料聚集引起;拐角处设置重拉延筋可极大地消除起皱缺陷，通过正交试验找出参数匹配的最优组合，可进一步对边角起皱和拉裂缺陷协调控制。最优参数组合是拉延筋强度系数为0.35、压边力为800kN和单边模具间隙为0.20mm;基于回弹量对模具型面进行补偿可有效控制轮廓精度，取1.1的补偿系数时效果最好。基于模拟结果进行了成形试验，得到了合格工件，验证了模拟控制措施的有效性。
关键词：金属学与金属工艺;拉裂;回弹控制;轨道车辆窗下补强板;数值模拟
0引言
由于不锈钢材料优良的耐腐蚀性、抗升温能力、抗冲击能力、较高的比强度以及全生命周期成本低等特点，SUS301L系列不锈钢已经被广泛应用于国内外各城轨车辆[1]。本文研究对象是某轨道车辆的窗下补强板构件，该构件对材料抗冲击性、强度及抗升温能力都有一定要求，采用SUS301L-DLT中强不锈钢材料很好地满足以上条件。该补强板构件是一种厚度小、拉延深度大且凸缘部分比较大的冲压件，拉延成形后流料剧烈部位易出现过度减薄以致开裂，零件四角处出现起皱，凸缘部分在全工序拉延以及修边后回弹量稍大且难以控制。过度减薄降低了补强板的抗冲击性能，甚至拉裂造成产品报废;起皱缺陷的出现和凸缘部分回弹大降低了轮廓精度导致难以装配。所以，有必要对此类易出现拉裂风险、易起皱、以及成形后回弹量不符合精度要求的产品加以研究。
目前，国内外学者对不同形状和种类的冲压件进行了较为广泛的探讨。张海波等[2]通过控制压边力来控制冷轧钢DC06车顶盖板减薄、起皱及拉裂等缺陷;邱晓刚等[3]利用Dynaform软件研究了模具间隙、摩擦因数和材料参数等对汽车顶盖零件成形的影响;Souza等[4]研究了材料参数和工艺参数对回弹的影响程度;Xu等[5]研究了几何参数对某汽车车身面板翻边工序成形性的影响;Dezelak等[6]针对双相(DP)先进高强钢板的扭曲回弹影响因素进行了研究;陶晨等[7]对于汽车发动机罩板拉延时出现的破裂、起皱及拉深不足等缺陷进行了模拟分析并提出优化措施;李欣等[8]模拟分析并预测了板料成形过程中拉深不足、起皱、失效的缺陷;蔡中义等[9]通过多点成形技术对弧形三维曲面蒙皮件进行了成形性分析;刘志卫等[10]通过有限元方法对板料成形过程中的起皱进行了研究。以上研究对象材料不一，缺陷控制措施广泛，但针对SUS301L-DLT不锈钢材料，在工程实践上联合控制起皱和过度减薄缺陷的分析较少。
本文以某地铁窗下补强板为例，利用通用软件AutoformR7版本模拟分析了该类易拉裂和起皱的内支撑板件的全工序成形过程，研究了结构和工艺参数对其成形性的影响，分析缺陷成因并提出解决方案，通过试验验证了方案的有效性。
1确立成形方案
补强板零件模型如图1所示，零件整体形状曲率连续式弧形延展，属于凸缘产品部分位于压料面的情形。图1(a)所示的零件内部有3个大的凹坑，深度为29.2mm，“1”处流料剧烈易拉裂;“2”处边角部分离变形区较远，自身料流量小且要承接其外部剧烈变形区向其的聚料趋势，故易于起皱。针对该补强板的结构特点及工艺性，制定了单动拉延和修边全工序设置，并在修边后设置回弹补偿工序。
2补强板前处理
前处理是一个关联性的系统工程，在保证符合基本理论原则的情况下，许多要素要依据实际生产经验，并结合模拟结果不断进行优化设置。
2.1建立材料模型
补强板件的材料是SUS301L-DLT不锈钢，厚度为0.8mm。为获得建立材料模型所需的力学性能数据，进行了单向拉伸试验，如图2所示。所获力学性能数据为：抗拉强度σb=207.7MPa;屈服强度σs=181.8MPa;硬化指数n=0.21;各项异性平均系数rm=1.65。硬化曲线采取Swift/Hockett-sherby模型，屈服曲线采取Hill模型，成形极限曲线采取表格输入模式，将测得的试验数据导入Autoform中，生成“.mtb”格式的材料模型文件用于后续模拟。
2.2设定冲压中心和方向
产品由Catia导入Autoform中，冲压中心选取重力中心，冲压方向选取平均法向，绕坐标轴旋转进一步微调冲压方向，冲压中心和方向如表1所示。
2.3划分网格
本文模型采用三角形网格，由于补强板零件有小于2mm的圆角存在，故模具体网格设置0.05mm的容错公差和30mm的最大边长。板料网格给予一个比较高的精度值，半径穿透值设为0.22mm，最大单元角度设为22.5°，最大细化级别设置为6。
2.4创建工具体
板料尺寸的设定要保证拉延结束后收料边线距离拉延筋外围5mm以上，设置为780mm×490mm。取补强板上表面，沿着补强板凸缘按照曲率连续地方式延展，由此得到工艺补充面。在Catia中创建模面，模面边缘较料片线外延20mm。如图3所示，其整体作为模面。
在Autoform过程控制器(Process)的工具体(Tool)中通过拾取模面完成上、下模以及压边圈的创建。在选项Pilots中以压边圈为基体创建4个定位销。在料片控制器(Blank)的边线(Outline)中根据Dependant功能依据模面边缘内沿20mm设置料片线，从而完成料片的创建。通过软件自身自动识别零件边线的Autometic功能，完成修边刀具的创建。设定各工具体相对位置，如图4所示。
3成形缺陷分析及控制
3.1成形缺陷分析
初始模拟成形参数设置为压边力1000kN，设置单边模具间隙0.15mm，该零件产品实际生产采用塑料薄膜包绕，依据实际生产条件设置摩擦因数0.03，设置完全包绕产品强度为0.4的虚拟拉延筋。图5为按照此初始条件设置的模拟参数所生产的拉延半成品零件，可见在模面边角处有明显起皱现象，内形坑处出现了拉裂现象，产品轮廓精度亦无从谈起。
起皱缺陷、拉裂和轮廓精度差等缺陷均受拉延筋分布和强度、压边力、模具间隙以及摩擦因数等多重因素制约，其对缺陷的影响互相掣肘，需整体上做协调平衡性的考量。本文先考虑协调起皱和过度减薄缺陷，在取得合适的结果后，在基于此结果的参数设置基础之上，结合回弹补偿工序再行考虑轮廓精度问题。
3.2起皱和拉裂缺陷的联合控制
采用较大压边力1000kN，较大强度系数为0.4的虚拟拉延筋的条件下，边角仍然出现了起皱现象。为彻底消除边角起皱这一不稳定因素，本文优化拉延筋布置，在边角处增加附加虚拟重拉延筋。该重拉延筋布置在边角处，能很好地利用边角余料，没有过大降低材料利用率;该重拉延筋和初始拉延筋采用相同的强度配置，其他参数在初始模拟结果基础上设定。由于无论是否出现起皱缺陷，Autoform软件默认情况下在拉延工序结束后均拍平零件来显示结果，所以采用该新布置的拉延筋，选取拉延到底前2mm的成形极限图来评估起皱情况，模拟结果如图6所示，可见，边角起皱情况已经消除。从模拟结果可初步推断，边角布置重拉延筋对边角起皱缺陷的控制有效果。该补强板零件起皱和拉裂缺陷并不孤立存在，受多重因素交互制约。正交试验是研究多因素多水平，高效率且经济的一种试验设计方法，因此本文采用正交试验法研究多个工艺参数对补强板产品起皱和拉裂缺陷的影响，最终优化结果对这两个伴生的缺陷进行联合控制。
本文根据产品包绕塑料薄膜并且加润滑的实际情况，摩擦因数取0.03固定不变，拉延筋分布和形式已经选定，故定义拉延筋强度系数、压边力和模具间隙分别为因素A、B、C，选取补强板上最大减薄率、拉延到底前2mm左右时的边角起皱情况和零件整体拉延不足区域程度为评判参数。Autoform软件中模具间隙已经默认计算料厚在内，补强板零件料厚为0.8mm，根据模具间隙设计的理论原则和实际经验，选取模具单边间隙不低于0.1mm且不高于0.2mm。该正交试验中3因素3水平的分配情况如表2所示，正交试验表L9(33)如表3所示，正交试验模拟结果如表4所示。
相关期刊推荐：《吉林大学学报(工学版)》(双月刊)创刊于1957年，是由教育部主管、吉林大学主办的工学门类学术期刊，收稿学科范围:车辆工程、机械工程、材料科学与工程、动力工程及工程热物理、控制科学与工程、计算机科学与技术、电子科学与技术、信息与通信工程、交通运输工程、农业工程。
成形极限图;图7(b)为对应的减薄率，可见破裂风险点的减薄率为31%;图7(c)为经游标卡尺测定拉伸试样断裂时的厚度0.56mm，用该厚度近似代替补强板试样拉裂时的钢板厚度0.8mm，计算可得拉裂时30%左右的减薄率。综合图7(b)的模拟结果，选取出现破裂风险时的临界状态减薄率为30%。
表4试验结果中，以减薄率不超过30%为良品指标，且满足无边角起皱、拉延不足在正常范围内;可以看到试验组中只有第4组、5组和6组满足良品要求。
表5中，Mi1、Mi2、Mi3为影响因素(i=A，B，C)不同水平下零件最大减薄率的加和;mi1、mi2、mi3分别为影响因素不同水平下零件最大减薄率加和的平均值;R为最大平均值与最小平均值之差。由表5可见，拉延筋强度系数、压边力和模具间隙对减薄率的影响依次递减。减薄率与拉延筋强度系数、压边力成正比;在模具单边间隙范围内，模具间隙对减薄率影响很小。考虑参数设置距30%减薄率这一安全警戒线留有一定的余量和后续回弹不应过大，放弃表4中第4和第6组的良品结果，选取第5试验组A2B2C3的参数设置为最终的优化结果，即拉延筋强度系数为0.35、压边力为800kN和单边模具间隙为0.20mm。根据最终优化结果进行模拟计算其拉延到2mm前的成形极限、拉延修边全工序模拟后的成形极限、减薄率及轮廓精度如图8所示，可见A2B2C3组合解决了过度减薄和边角起皱问题，但零件轮廓精度不达标，在零件的长边凸缘处出现的4个回弹区域超出了±1.5mm的公差要求。
3.3型面补偿法轮廓精度控制
该补强板零件轮廓精度采用“法向偏置距离”衡量，考虑拉延和修边等工序的回弹，并进行相应设置。由于此类零件对压料面精度要求高，故将模面上零件区域定义为直接补偿区，其余模面定义为过渡区，如图9所示。
回弹数值随补偿系数变化趋势如图10所示，可见，取补偿系数为0.8至1.2之间均可满足零件精度要求，其中取补偿系数1.1时回弹数值最小，为0.763mm，故将模面型面补偿系数设定为1.1。
4试验验证
根据模拟优化结果设计模具和参数，成形试验如图11所示，成品件如图12所示。采用样板进行轮廓精度检测，现场如图13所示，可见，成品和检具最大缝隙值为1mm左右，与模拟计算结果0.763mm对比，符合±1.5mm公差要求。说明本文模拟参数结果可信，满足补强板使用要求。
5结论
(1)SUS301L-DLT轨车辆窗下补强板件成形后易于出现内形坑流料剧烈过度减薄甚至拉裂、边角处聚料起皱和回弹大所致的轮廓精度不足缺陷。这些缺陷相互制约掣肘，优化措施需要做平衡性综合考量。
(2)模面边角处设置重拉延筋极大抑制了边角起皱的发生。在正交试验中，通过对拉延筋强度系数、压边力、模具间隙这些参数的控制，协调地控制了内形坑过度减薄和边角起皱缺陷的出现。本文研究的补强板件最佳参数设定如下：拉延筋强度系数为0.35，压边力为800kN，单边模具间隙为0.20mm。
(3)采用模具型面回弹补偿方法可有效控制补强板轮廓精度，对于SUS301L-DLT补强板件而言，设置1.1的补偿系数为最优值。——论文作者：谷诤巍1，陈琳1，赵立辉1，徐虹1，李欣1，于歌1，2
