基于Dynaform的钢制车轮轮辐冲压成形有限元模拟

孙腾

（钦州学院，广西钦州535011）

基于Dynaform的钢制车轮轮辐冲压成形有限元模拟

孙腾

（钦州学院，广西钦州535011）

板料成形技术是工业领域中最重要的一种金属加工方式。利用“分解-综合”原理，对反拉深成形工步进行工艺分析，在对预拉深成形型面进行优化的同时，改进了轮辐冲压成形工艺方案。基于Dynaform冲压成形软件，建立了汽车轮辐反拉深有限元模型，并对有限元模型进行数值模拟，验证了优化过的模具型面和新工艺路线的合理性和可行性。最后，针对轮辐翻孔成形减薄严重，设计了四因素、四水平的正交试验表，通过极差分析找到了一组轮辐轴孔翻边成形最佳工艺参数。

轮辐冲压成形；工艺分析；有限元；正交试验

板料成形技术是先进制造技术的重要组成部分，其成形过程中通常伴随着大位移、大变形[1]。大多数冲压件成形过程都较为复杂，其成形过程大都需要反复试验，造成生产周期过长和人力财力的大量浪费[2-4]。随着有限元技术发展日趋成熟，将制定工艺流程与计算机仿真技术相结合，有利于节约成本，提高生产效率。高蔚然等人[5]建立了冲压轮辐三维有限元模型，对轮辐翻孔成形的关键工序进行了有限元模拟，验证了有限元模型的可靠性。焦明成等人[6]利用高强度钢对钢圈轮辐的成形参数进行优化，并通过有限元模拟与实际生产测试结果相比较，验证了工艺参数的合理性。路平等人[7]利用ABAQUS软件建立轮辐三旋压的错距强力旋压过程弹塑性有限元模型，并对成形过程进行了分析。

汽车轮辐作为汽车车轮中最重要的冲压件，如果在成形过程中出现成形缺陷，将对汽车整体的可靠性产生深远影响。本文基于Dynaform软件对广西某厂的汽车轮辐成形过程进行数值模拟，并寻找最佳成形参数，对提高汽车轮辐的成形质量和生产效率具有重要的指导意义。

1 轮辐结构特点及其成形工艺分析

1.1 轮辐的结构特点

如图1所示为某厂汽车轮辐冲压件，该轮辐形状轮廓较为复杂，其结构具有形状尺寸大、空间曲面多的特点。为了得到轮辐冲压件的预拉深型面和反拉深型面，通过在三维软件中对轮辐轴孔、螺栓孔等部位进行工艺填充，经过逆向反推最终得到了模具的CAD型面图，如图2和图3所示。其成形部分可以看成由若干个直壁、曲面轴对称形状构成。其成形过程拉深与局部拉延同时存在，这也是轮辐成形过程中，产生各种变形缺陷的原因。

图1 轮辐结构图

图2 预拉深模具型面图

图3 反拉深模具型面图

1.2 轮辐成形工艺分析

根据汽车轮辐结构特点可以得出，通过一次拉深成形并不能得到该复杂形状的轮辐冲压件。其冲压过程主要经过预拉深-反拉深两步成形，其中反拉深成形过程是否成功，关系到轮辐冲压件质量是否合格。因此，对汽车轮辐冲压件采取“分解——综合”方法进行变形分析。

首先依据汽车轮辐的成形特点将其划分为三个单元，即轮辐轴孔凸台，凸台周围的圆柱形小凸包及梯形凸包三个单元。在反拉深成形过程中，压边圈首先下行，压住预拉深成形中的板料。凹模向下运动，对预成形的板料进行反向拉延，直至反拉深冲压过程结束。因此，从上述各单元的变形分析可知：轮辐反拉深冲压成形过程中，三个变形单元均发生了不同程度的反向拉深，其中，在双向拉应力的作用下，四个梯形凸包、轴孔凸台部分在预拉深的基础上均反向拉延了较大的距离。特别是在四个梯形凸包和四个直壁小凸台顶部的过渡圆角处，由于其过渡圆角曲率半径较小导致材料流动阻力过大，且与其它单元既相互制约又相互影响，在径向和切向拉应力作用下，产生双向拉深形变，同时也受到弯曲变形，减薄尤为严重。

因此，基于以上变形分析，轮辐反拉深成形中的成形缺陷主要是由于超出了材料的极限拉深系数而导致轮辐轴孔侧壁、四个梯形凸包以及轮辐周围四个小凸台的直壁和圆角处出现开裂现象。连接三个单元之间的板料不会产生压缩失稳，主要防止拉延破裂。

2 轮辐成形有限元模拟

2.1 有限元模型的建立

随着有限元理论以及材料本构关系研究的日渐成熟，CAE技术也迎来了高速发展，冲压成形分析软件Dynaform、Autoform能够在产品正式投产前就能对金属板料成形过程进行数值模拟，将产品生产过程中可能出现的问题生动形象的展现在设计人员面前，很大程度上降低了生产成本，提高了生产效率[8-10]。根据该厂制定的工艺方案即首先对金属板料进行预拉深成形再进行反拉深，在预拉深过程中凸台部分首先拉深12 mm，反拉深成形在预拉深的基础上继续拉延。为了得到板料在成形过程中的成形信息，本文利用Dynaform软件建立了汽车轮辐反拉深成形有限元模型。利用Belytschko-Tsay薄壳单元对模型进行网格划分，选取SAPH440热轧钢本构关系，凸凹模间隙为1.1倍的板料厚度；压边力设定为20×104N，冲压速为3 000 mm/s.建立反拉深成形有限元模型如图4所示。

图4 轮辐反拉深工步有限元模型

通过Dynaform软件仿真可得板料成形极限图和减薄图如图5中（a）、（b）所示，从反拉深的成形极限图可知，轮辐在轴孔凸台侧壁、四个梯形凸包以及四个圆柱形小凸台的过渡圆角处均有较大幅度减薄，其中在轮辐轴孔附近减薄率已达到91.79%，与广西某厂实际生产中次品缺陷处出现的位置相同。根据“分解——综合”原理，考虑到四个梯形凸包以及四个圆柱形小凸台均有较大程度的反向拉延，且均与轴孔凸台位置距离较近，采取先不对轮辐轴孔部位进行拉深，采用“先冲孔——再翻边”的工艺方式来实现轴孔凸台翻边工步。同时，为了增加材料的流动性，将工厂的预拉深型面曲率半径由62 mm变为55 mm，为反拉深成形工步提供更大的成形裕度，如图5所示。

图5 预拉深型面改进前后对比图/mm

通过对改进的模具型面和新的工艺设计进行有限元仿真，可以观察到反拉深工序的成形极限图和减薄图，如图6中（c）、（d）所示，减薄率由91.79%降到了25.23%.同时通过预冲孔，再翻边的工艺也降低了四个梯形大凸包圆角过渡处、四个小圆柱形凸台圆角处材料的流动阻力，有效提高了反拉深工步中的轮辐成形的安全裕度，验证了新模具型面及工艺设计的合理性。

图6 改进前后的反拉深工步成形极限图与减薄图

2.2 基于正交实验的轮辐轴孔翻边成形

通过采用“预拉深-反拉深-冲孔-翻边”的新工艺方案后，在一定程度上改善了轴孔凸台侧壁部位的拉裂现象，提高了车轮轮辐成形质量，但由图7中（a）、（b）所示，发现翻孔工序减薄率最大值为55.5%，虽较原有工艺方案相比有所降低，但仍不能达到实际工程要求的标准，需要进一步的研究。

正交试验是一种可以通过较少的试验次数就可以得到各水平最优搭配的一种多因素试验设计方法[11-13]。本文通过选取对轮辐轴孔成形影响较大的四个因素（冲压速度A、预冲孔直径B、预翻孔直径C、模具间隙D）作为正交试验的四个影响因子，设计四因素、四水平的正交实验表。同时，在正交实验表的基础上，利用Dynaform对不同工艺参数组合进行数值模拟，并以Y值来表示仿真的输出值，即减薄率，如表1所示。最后，利用公式（1）对正交试验表进行极差分析来确定最佳成形参数，如表2所示。

表1 正交表实验结果

表2 极差分析表

由极差分析表可知，最佳工艺参数组合为B4、A1、D2、C4，即：预翻孔33 mm；冲压速度1.5 m/s；凸凹模间隙3.6 mm；预翻孔直径45 mm.通过Dynaform模拟实验后得到成形极限图、减薄图如图7中（c）、（d）所示，发现汽车翻孔成形减薄率为18.9%，所以优化方案可行。

3 结束语

根据“分解——综合”原理完成了汽车轮辐成形各单元变形分析，掌握每个单元的变形规律和特点，确定了冲压成形时可能产生的危险部位，并设计了预拉深成形——反拉深成形——预冲孔——翻边成形的新工艺方案。基于Dynaform软件对对汽车轮辐的反拉深成形进行了数值模拟，并通过修改预拉深模具型面、改善成形工艺解决了反拉深成形中板料容易拉裂的问题。最后，针对轮辐翻边侧壁开裂严重的问题，制定了四因素、四水平的正交试验设计表，通过极差分析，找到了一组最佳成形翻边参数。

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The Finite Element Simulation of Stamping Process for Steel Wheel Spoke Based On Dynaform

SUN Teng
（Qinzhou University，Qinzhou Guangxi 535011，China）

Sheet metal forming technique is one of the most important forming methods and is widely applied in industrial fields.Adopt“decomposition-comprehensive”method，stamping process and profile for predrawing are optimized.The finite element simulation of car spoke is established and simulated based on dynaform，the rationality and feasibility of the numerical simulation designs are verified.At last，in order to improve thinning and other defects in sheet metal forming，four factors and four levels orthogonal table is designed which has a practical significance for getting a set of parametres through range analysis to improve stamping process for hole flanging.

wheel spoke stamping；process analysis；the finite element；orthogonal experiment

TG386.1

A < class="emphasis_bold">文章编号：1

1672-545X（2017）05-0094-03

2017-02-01

广西高校中青年教师基础能力提升项目（编号：KY2016LX435）；钦州学院教改项目（编号：2016QYJGB39）

孙腾（1988-），男，助教，研究方向为机械CAD/CAM/CAE.