CN100汽车发动机油底壳一次拉深成形探索研究

胡建华，覃 天，苏广才，黄晓珍

（1.柳州五顺汽车配件厂，广西 柳州 545005；2.广西工业职业技术学院机械系，广西 南宁 530001；3.广西大学材料科学与工程学院，广西 南宁530004；4.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

CN100汽车发动机油底壳是非常典型的“龙门口”类型的板料冲压拉深零件，如图1所示。

图1 油底壳零件结构示意图

这种类型的零件变形程度大，尺寸精度高，拉延深度为145 mm。拉深变形时的受力情况、金属变形情况以及流动规律，都极为复杂[1]，而且金属板料冲压的时候，容易出现起皱、破裂、减薄、未充分拉深和出现回弹量过大的问题[2]，在油底壳成形工序中，拉深是其中最为关键与最核心的部分。

由于CN100汽车发动机油底壳是典型的“龙门口”类型的板料冲压拉深零件，拉深次数的多少与企业的生产成本是直接关联的。因此，为了得到CN100汽车发动机油底壳最佳的拉深工艺方案，本文探讨了油底壳一次拉深成形工艺方案的可行性。

1 展开获得坯料轮廓线

合理地确定油底壳毛坯的尺寸及其形状非常重要，像油底壳这种“龙门口”零件，拉伸的时候各处变形的不均匀，会导致工件型腔进料的不均匀，所以零件的品质相对是难以控制的[3]。因此，对零件的冲压毛坯在大批大量生产之前，就应该对其形状进行优化设计，提高板料的成型品质[4]，获得表面品质高并且板厚变化均匀的零件。

Dynaform发展到5.5的版本时，增加了“BSE”即“坯料工程”，可以帮助用户准确地预测出毛坯的外形尺寸，帮助用户缩短计算毛坯的时间，缩短制造的周期[5]。零件展开后所得到的毛坯展开线（如图2所示），毛坯的长度与宽度如图3所示。

图2 毛坯展开轮廓线

图3 毛坯展开轮廓线的长度与宽度

2 拉伸成形方案

本方案毛坯采用长方形的毛坯，长方形的实际尺寸：长×宽为549 mm× 412 mm，圆角半径为R 35 mm。在该方案中，采用与展开毛坯轮廓线相切的长方形毛坯，然后把4个直角改成圆角，如图4所示。

图4 毛坯图

一般来说，在矩形盒的拉深中，转角部分的变形最为严重，容易引起变形与开裂。因为在变形的过程中，矩形的直边部分，是产生移动而形成弯曲变形，此部分产生很小的抗力；而在转角的部分，产生很大的抗力，所以在转角的部分变形相当的激烈[6]。

另一原因是，在转角部分比直边部分金属流动得慢。故把直角改成直径为Φ 35 mm的圆角，这样有利于零件成形[7]。

工艺参数如下：

板料厚度为t=1.5 mm；

凸凹模间隙一般取板料厚度的1.1 t，所以凸凹模间隙1.65 mm；

摩擦系数在Dynaform中，钢与钢之间的摩擦系数采用的是0.125；

虚拟冲压速度2 000 mm/s。

该方案在后处理当中的成形极限图如图5所示，厚度减薄率示意图如图6所示。

图5 成形极限图

图6 厚度减薄率图

从成形极限图5可清楚地看到，油底壳破裂严重，油底壳底部的深盒出现连续的的环形大面积拉裂，整个盒体严重破裂，产品严重报废。

观测图6板料减薄率图，板料在这部分减薄率最大为92.858 971%，大大超过了允许的30%的极限。

在油底壳的侧面取节点62 610（如图5所示），背面取节点67 895（如图5所示），这两个节点均为随机选取，详细探讨引起油底壳大面积破裂的应力因素。

图8是节点62 610的正应力分量σxx，σyy，σzz在X，Y，Z方向上随时间变化的曲线图。

图7 节点62 610轨迹图

图8 节点62 610在XX、YY、ZZ方向的正应力

追踪该节点62 610从冲压开始到冲压结束的运动轨迹（如图7所示），在成形极限图中观测该节点，发现当动画运行到第9帧的时候（如图9所示），时间点为0.013 108 s（如表1所列），油底壳侧面还没有裂，而当动画运行到第十帧（如图10所示），时间点为0.016 641 s（如表1所示），发现油底壳侧面已经裂开，在图8中观测到在该时间点Z方向的应力达到一个极大值，约为650 MP，而在该时间点X方向的应力约390 MP，在Y方向的应力约为30 MP，在该时间点X、Y、Z 这3个方向上的应力关系为

根据此可推断，Z方向的应力，是油底壳产生破裂的主要因素。

图9 节点62 610第9帧的成形极限图

图10 节点62 610第10帧的成形极限图

图12是节点67 895的正应力分量σxx，σyy，σzz在X、Y、Z方向上随时间变化的曲线图。追踪该节点67 895从冲压开始到冲压结束的运动轨迹（如图11所示），在成形极限图中观测该节点，发现当动画运行到第十帧的时候，时间点为0.016 641 s（如表1所示），油底壳侧面尚未破裂，但有破裂的危险（如图13所示），而当动画运行到第十一帧，时间点为0.020 173 s（如表1所示），发现油底壳背面已经裂开（如图14所示）。

图11 节点67 895轨迹图

图12 节点67 895在XX、YY、ZZ方向的正应力

图13 节点67 895第10帧的成形极限图

图14 节点67 895第11帧的成形极限图

在图12中观测到，在该时间点Z方向的应力达到一个极大值，约为750 MP，而在该时间Y点方向的应力约500 MP，在X方向的应力约为80 MP，在X、Y、Z 这3个方向上的应力关系为

根据此可推断，Z方向的应力，是油底壳产生破裂的主要因素。

由节点62 610、节点67 895的应力分析可知，引起大面积破裂的主要因素，来源于Z方向的应力。

表1 成形极限图每一帧图所对应的时间

表2 节点在3个方向的应力

从各节点3个方向的应力曲线图可以看出，造成零件材料破裂的主要应力，是来自各个节点Z方向的应力，分别为650 MPa、750 MPa。另外一个原因，是最大应力与最小应力相差悬殊，从而引起破裂。从表2可以看出，在在破裂的瞬间，节点62 610 Z方向的应力，比最小应力大620 MPa，节点67 895 Z方向的应力，比最小的应力大670 MPa。

3 结束语

在以上的方案当中，明显可以看出，破裂的主要区域来自深盒区域；而且出现大面积拉裂的部位，基本是出现在深盒中段部位，考虑采用二次拉深成型的可行性。

在二次成形的结果，要重点考虑深盒部分，深盒容易拉裂，因为其深度达到145 mm，那么在考虑拉深工艺的时候，首先把深盒部分先拉出一部分，这个作为第一步，然后第二次拉深的时候，再完整地把整个油底壳完整地拉出来，以此作为拉深工艺的初步设想。

[1]龚红英，何丹农，张质良.计算机仿真技术在现代冲压成形过程中的应用[J].锻压技术，2003，（5）：35-38.

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