农用卡车油箱下壳拉深工艺分析及优化

柳亚输

（泰州职业技术学院机电学院，泰州 225300）

0 引言

农用卡车作为最常见的农业机械，应用范围非常广泛，遍布大江南北。油箱是卡车上最重要的部件之一，其质量好坏直接决定着卡车的质量。农用卡车油箱由上下两个盒形壳体焊接组成，上下盒形壳体采用板料拉深成形的生产工艺。盒形件拉深成形时，经常有起皱和减薄缺陷，这主要是由压边力造成的。因此，确定合适的压边力成为拉深成形过程中最需要解决的问题。传统做法是凭经验制造模具，然后反复试冲、修模，这通常要花费大量的时间、人力和财力；而利用CAE软件Dynaform5.9对压边力进行优化，可以大大缩短模具制造的过程，降低模具制造的成本。

1 拉深工艺分析

油箱下壳属典型的矩形盒形件，形状简单，没有急剧的轮廓变化，各部分的尺寸比例恰当。如图1所示的下壳体，凸缘的宽度为25 mm，其中10 mm为留下的拉深余量，要切割掉；剩余15 mm为焊接边，要和油箱上壳进行焊接。零件材料为08钢，厚度为（1.2±0.1）mm，拉深的深度为100 mm，底部与壁部的圆角半径R为40 mm，属于圆角半径较小的盒形件。

图1 油箱下壳

1.1 成形性分析

08钢是优质碳素结构钢，塑性好，适合弯曲、拉深、冲孔等工艺，时效敏感，切削加工性良好，焊接性能优良。油箱从形式上属于盒形件，参考《冲压手册》拉深件的工艺性判定条件[1]179，油箱下壳底部与壁部圆角半径R1（R1=40 mm）应大于1倍的料厚；凸缘与壁部圆角半径R2（R2=10 mm）应大于2倍料厚；四壁间圆角半径R3（R3=42 mm）应大于3倍料厚，均满足拉深要求。底部的2个孔直径为18 mm，满足冲孔最小尺寸要求，其孔与孔之间、孔与边缘之间的距离以及孔壁与制件直壁之间的距离均满足要求[1]。综上所述，该制件的模具加工比较容易，成形工艺性也较好。

1.2 确定毛坯尺寸

计算盒形件毛坯尺寸时，首先判断是否可以一次拉深成形，然后根据是一次拉深还是多次拉深选择相应的计算方法，计算结果加上相应的加工余量，最终确定毛坯的尺寸。

根据《模具设计与制造》拉深相对高度计算公式[2]103：

式中 r为角部圆角半径，mm；B为制件宽度，mm；H为工件高度，mm。

根据计算结果可知0.19＜0.22，属于角部半径较小的低盒形件，一般一次可以拉成。该制件从形状上属于矩形拉深件，可以采用作图法计算毛坯[1]，做出如图2所示毛坯图。

图2 毛坯展开图

根据《冲压手册》一次拉深成形的盒形件毛坯计算[1]227，计算毛坯的尺寸如下：

1）按压弯计算壁部展开长度。

式中 H为制件高度，mm；L凸为凸缘宽度，mm；r凸为凸缘圆角半径，mm；r底为制件底部圆角半径，mm；r为角部圆角半径，mm。

代入数值计算

2）按拉深计算角部毛坯半径。

3）首先将盒形件的直边（图2中AB和EM）按弯曲变形，而圆角部分按四分之一圆筒拉深变形在盒形件底部的平面上展开得到图2中的毛坯外形ABCDEM，这样的毛坯不具有圆滑过渡的轮廓，必须进行修正。由BC和DE的中点G和H做圆弧R（圆弧R的半径由工件圆角部分按圆筒拉深成形的毛坯展开方法得到）的切线，并用圆弧将G和H点出发的切线与直边展开线AB和EM连接，便得到了修正后的毛坯外形ALGHM，如此得到所要的坯料形状和尺寸。

4）计算毛坯长度。

式中 r为角部圆角半径，mm；B为工件宽度，mm；l 为壁部展开长度，mm。

通过计算初步算出大概轮廓，合适尺寸要经过反复修整毛坯边缘及四角半径才能确定。这里考虑加工余量，将毛坯尺寸定为550 mm×550 mm。

1.3 确定拉深次数

矩形盒形件初次拉深极限变形程度用相对高度h/r表示（h为拉深件高度，mm；r为角部圆角半径，mm）。平板一次拉深成矩形盒。若制件的h/r不超过极限值6，则可一次拉深成形，否则需多次拉深[3]。代入具体数值，h/r=100/42=2.38＜6，所以该制件可一次拉深成形。

2 凹模设计

2.1 凹模工作尺寸计算

2.1.1 确定凸、凹模圆角半径

圆角半径值的选取要恰当，太小会增大拉深力，影响模具寿命，太大会减小压力面积，制件易起皱，甚至拉裂。根据《冲压工艺学》表4—79拉深凹模的圆角半径数值可知[1]309，凹模圆角半径rdmin=8 t=8×1.2=9.6，rdmax=13 t=13×1.2=15.6（t为拉深件厚度，mm）根据成型后零件的外形尺寸，取rd=10 mm。对本制件来说，凸模圆角半径rp应与零件圆角半径相同，即rp=40 mm。

2.1.2 凸、凹模间隙的确定

拉深模的间隙是指凸、凹模间横向尺寸之差值。确定间隙大小的一般原则是：既考虑板料公差的影响，又考虑拉深件口部增厚现象[4]。因此间隙值一般比毛坯厚度略大一些。一般盒形件凸、凹模单边间隙值为：

在本文中，材料厚度为（1.2±0.1）mm，所以间隙值取平均值1.42 mm。

2.1.3 凸、凹模工作尺寸及公差

根据《冲压手册》表4—75可知凸模尺寸计算公式如下[1]：

式中 dp为凸模尺寸，mm；dmax为制件最大外形尺寸，mm；△为制件制造公差[5]，mm；δp为凸模制造公差，mm。

代入数值

相对应的凹模尺寸计算公式如下：

式中 dd为凹模尺寸，mm；δd为凹模制造公差，mm。

代入数值

2.2 凹模设计

使用Dynaform模拟油箱下壳拉深时，只需导入凹模和板料模型即可，凸模和压料板可直接由凹模生成，故模具部分只设计凹模及其相关部分。

2.2.1 凹模结构设计

凹模采用整体式，它的两侧各配有两个吊耳作为起吊装置，凹模底部设有顶出机构和排气孔，上表面开设3个安装定位销的孔。凹模下底面尺寸为1 000 mm×850 mm，上底面尺寸为730 mm×730 mm，具体形状如图3—4所示。由于拉深模具的失效主要为粘附磨损和磨粒磨损，要求模具材料必须有较高耐磨性和抗粘附性能，以及足够的强度。根据《模具设计指导》[6]表3—5，选用钼铬铸铁，其热处理火焰淬硬HRC50～55。

图3 凹模俯视图

图4 凹模侧视

2.2.2 顶出机构设计

此拉深模由凹模底部的顶板顶出工件。当凸模回到上死点时，由气垫顶出分布在顶板底面四周的推杆。顶板材料为45钢，其尺寸主要取决于凹模，具体数值为320 mm×320 mm×50 mm，结构如图5所示。

图5 顶出器

2.2.3 排气装置

为防止制件与凸模之间产生真空，使制件紧箍在凸模上或被凹模内压缩空气顶瘪，应在凸、凹模上设计通气孔，防止制件底部出现不平现象影响其精度，甚至损坏模具。根据凹模形状，气孔以圆形排布，数量为12个，由《冲压手册》表4—77可知气孔直径为9.5 mm[1]。

2.2.4 压边圈

拉深成形薄壁盒形件，容易出现起皱和减薄的情况，通常可以通过增加压边圈提供压边力来消除这些缺陷。压边圈可通过Dynaform软件根据凹模尺寸直接生成，因此只需要计算压边力即可。由《冲压手册》表4—81得[1]：

式中 A为压边圈下毛坯面积，m2；P为单位压边力，MPa。

由《冲压手册》表4—83[1]，查得P=3 MPa，根据毛坯形状计算其面积A＝95 739.74 mm2，所以F压=AP＝95 739.74×3＝287（kN）。

3 模拟优化

本次设计中，运用Dynaform软件对拉深过程进行数值模拟。可以预测成形过程中板料的破裂、起皱、减薄、划痕、回弹，评估板料的成形性能，从而为板料成形工艺及模具设计人员减少模具开发时间及试模周期[7]。应用Dynaform5.9软件对冲压成形进行数值模拟的基本步骤是：建立曲面模型→划分单元网格→建立分析模型→模拟计算模拟结果后处理[8]。

3.1 建立曲面模型

对于拉深成形工艺，模拟零件只需通过Pro/E建立板料和凹模的曲面模型，然后导入Dynaform5.9中，通过偏置等处理生成凸模和压边圈，如图6—8所示。

图6 板料曲面

图7 凹模曲面

图8 装配曲面

3.2 划分单元网格

毛坯的工具圆角半径值定为3.0 mm，它表示模型中最小半径，半径越小，坯料网格就越密；半径越大，产生的网格越粗糙。凹模曲面网格化时，网格参数最大尺寸设为20.0 mm，角度设为10.0°，划分后的网格如图9所示。

3.3 建立分析模型

1）网格划分完毕并检查后，通过偏置处理和复制方法生成凸模和压边圈。在等距偏移凸模时，偏移距离设为1.42 mm。该数值实际上就是凸、凹模的间隙值。

2）毛坯材料选择Dynaform5.9材料库中的CQ钢Type24，它的弹性模量是2.07×105MPa，泊松比是0.28，屈服应力是150.50 MPa（该钢性能最接近08钢）。设置拉深类型为Single Action，接触间隙定为1.2 mm，冲压速度定为3 000 mm/s，行程设为100 mm，压边力设为230 kN。通过前处理器设置好的模型如图10所示。

3.4 模拟计算

前处理器设置完成后，可通过与求解器LSDYNA的接口直接运行求解，如图11所示。

3.5 模拟结果后处理

在盒形件拉深过程中，制件最容易出现的缺陷是圆角处的拉裂和法兰处的起皱。压边力是板料拉深成形过程的重要工艺参数之一, 对金属的塑性流动进行控制，合理控制压边力的大小, 可以避免起皱或拉裂缺陷[9]。保持其他工艺条件不变，通过多次调整参数模拟，最终选择压边力为260 kN、300 kN、280 kN的三种情况，研究制件的成形情况。

图9 曲面网格

图10 定义后的模型

图11 运算求解过程

1）如图12和图13所示是压边力为260 kN时成形极限图和厚度变化图。由图12可看出，制件的凸缘处起皱十分明显，并且在凸缘外缘处最为剧烈。这是由于拉深时毛坯法兰的最大切向压应力产生在毛坯法兰外缘处，起皱首先从此开始。由图13可看出，其最薄处厚度为0.93 mm，在安全范围内，最厚处为1.87 mm。这是因压边力较小，凸缘处剧烈的起皱产生折叠，使局部变厚且制件底部出现大范围压不足现象。由于该制件要求有15 mm的焊接边，凸缘处的起皱说明了该压边力较小，不能满足要求。

图12 成形极限图

图13 厚度变化图

图14 成形极限图

图15 厚度变化图

2）如图14和图15所示是压边力为300 kN时的成形极限图和厚度变化图。由图14可看出，制件凸缘处平整，起皱现象不明显，但圆角靠近口处被拉裂。这是因直边和圆角变形区内的材料受力情况不同，圆角处材料向凹模流动的阻力要远大于直边处，且圆角处材料的径向伸长变形大，直边处材料的径向变形小，使变形区内两处材料的位移量不同。压边力较大时，增大了材料向凹模流动的阻力，增加了危险断面（圆角处）的拉应力，圆角处拉深变薄后又得不到足够的材料补充，导致被拉裂。由图15可看出，制件在圆角处变薄比较严重，说明压边力较大，不利于拉深成形。

图16 成形极限图

图17 厚度变化图

3）如图16和图17所示是压边力为280 kN的成形极限图和厚度变化图。由图16可看出，该制件凸缘处较为平整，无明显起皱现象。油箱下壳外缘所留15 mm焊接边并没有较高的精度要求，因此此种情况可满足使用要求。由图17可看出，最小厚度出现在圆角处，其值为0.87 mm。圆角处虽没有出现被拉裂现象，但圆角处黄色区域分布较为明显，有被拉裂的危险，所以实际生产中压边力取值应小于280 kN（实际生产时压边力取275 kN）。由此可知此时工艺参数可满足要求，达到了较为理想的情况。

由上文可知，压边力计算值约为287 kN，而模拟后得出的理想压边力为280 kN。这是因Dynaform5.9材料库采用美国的材料标准，该材料库中没有与08F性能接近的材料，并且在建立分析模型时，一些工艺参数（如摩擦系数）采用了缺省值，所以导致计算值与模拟结果有少许出入。

4 结论

通过对农用卡车油箱下壳的拉深工艺分析、模具参数的经验计算与设计，并对其拉深成形过程进行模拟可知，无论压边力过大或过小都会在四周凸缘和靠近口部的圆角部位出现折皱或拉裂情况；只有当压边力接近经验计算值时，才能生产出合格的制件。这对设定拉深过程中的压边力，控制和防止缺陷产生具有重要的借鉴意义。

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