基于DeForm的密封条钢带滚压成形过程有限元分析

魏 敏

（广西机电职业技术学院，广西 南宁 530007）

0 引 言

密封条是汽车车身密封系统中的核心零件，起防渗漏、隔音、减震保护及装饰等作用，对汽车舒适度及整车使用寿命有影响。根据密封条使用位置及功能不同，其材质和结构也不同，如门窗外水切密封条由橡胶或塑料胶条中嵌入金属骨架构成，金属骨架起固定和加强定型等作用，其成形方法是将钢带料通过多道次顺序排列的带特定孔型的滚轮，在上、下滚轮的挤压下变形得到指定的截面形状的过程，该加工方法又称为冷弯成形或辊弯成形，行业内也称为滚压成形。

滚压成形加工方法是多种变形耦合的非线性变形过程，现利用DeForm有限元软件对密封条滚压成形过程进行仿真模拟，模拟分析成形过程中滚轮基本直径递增量变化和摩擦系数变化对带料变形过程中等效应力、应变的影响，为进一步研究其他类型的汽车密封条钢带滚压成形规律提供参考。

1 滚压成形过程有限元模型建立

以某汽车车门窗密封条为研究对象，分析钢带成形过程中所受应力与应变的变化规律，密封条截面及钢带截面如图1所示。

图1 密封条

1.1 滚压成形工艺参数

（1）基本参数。实际生产中，金属带料材料为08F，宽度为29 mm，厚度为10 mm，机架间距为160 mm，上、下滚轮的基本直径按企业实际值取φ90 mm和φ100 mm，为使带料获得向前运动的动力，每轮组半径递增0.5 mm。

（2）截面成形方位及成形基准。密封条钢带在滚压成形后，为保证与下一工序密封条复合挤出成形方位一致，截面采用开口向下的方位成形，由于该截面为非对称截面，截面两侧直线边长不相等，不能简单地将两侧角度对称设置，否则会因两侧应力不等而造成钢带纵向侧弯、扭曲等缺陷，截面两侧成形角度按图2所示设置。

图2 截面成形方位及基准

（3）成形道次。滚压弯曲成形方法采用定中性线长度法，5 道次成形，各道次成形角度分配如表1所示，圆弧段①、②见图2。

表1 各道次成形角度分配

1.2 仿真模型建立

（1）几何模型与简化。带料长度取机架间距1.5倍以上，长度设置为250 mm，上、下滚轮辊缝取0.5 mm，由于钢带截面为非对称截面，几何模型采用全模型。滚压成形过程的几何模型如图3所示。

图3 几何模型

（2）模具和工件定义。模具中分别导入5 对轮组，即上、下轮共10 个滚轮，定义为刚体；工件导入250 mm×29 mm×0.5 mm 的带料，定义为塑性体；实际滚压成形采用冷却润滑液可带走摩擦产生的热量，因此可不考虑加工热效应，温度设置为常温。

（3）网格划分。滚轮为刚体，不划分网格。为了便于成形过程中网格产生较大畸变时能自动重新划分网格，工件采用四面体网格单元。为保证模拟精度并减小计算量，采用相对网格划分法，带料中部圆角变形区进行局部网格细化，两侧直线段网格划分相对稀疏。

（4）驱动条件。实际生产中，滚轮下轮为驱动轮，上轮自由旋转，由人工将带料推入滚轮辊缝以保证顺利咬入第1道次，带料进入辊缝后，在下轮的驱动下靠滚轮与带料间的摩擦力及挤出设备的牵引力，以恒定速度向成形方向运动。根据实际参数设置仿真驱动条件：增加推板推动带料进行水平运动，平移速度v=100 mm/s，再由平移速度和下滚轮基本直径的换算，设置下滚轮角速度ω=2 rad/s。

（5）接触及摩擦模型。设置接触主件为上、下滚轮及推板，接触从件为带料，摩擦类型为库仑摩擦，摩擦系数设为0.2。

（6）模拟控制参数。根据带料平移速度和机架间距换算每个分析步长，可预估得到分析求解总步数；模拟步长控制采用时间增量步数；网格重划分判据设为刚体嵌入塑性体最小单元尺寸的70%；模拟停止条件为运算达到预估时间增量步即停止。

2 仿真模拟结果

带料滚压成形过程中，带料在不同成形参数下的变形情况及受力状态均会发生较大变化，成形质量也随之受到影响。影响零件成形质量的参数较多，现主要对滚轮基本直径递增量及摩擦系数对带料成形过程中应力应变的影响进行讨论。

2.1 滚轮基本直径递增量的影响

滚轮的基本直径是图2中水平展开基准线位置的滚轮直径，即带料的平移速度和滚轮圆周速度一致的点处的滚轮直径。成形过程中为避免带料在相邻滚轮中间出现堆积现象，一般要逐道次增大滚轮的基本直径，以此逐渐增大滚轮的圆周速度，使带料在成形过程中具有一定的张力。当各轮组的下滚轮中心位置等高、而滚轮基本直径递增量不同变化时，带料所受应力和应变也会随之变化，引起带料边缘纵向变形及横截面上纵向延伸的变化。模拟计算上、下滚轮基本直径逐道次递增量分别为0.5 mm 和1 mm 时的带料成形过程，下滚轮中心位置位于同一水平线，每道次上滚轮中心相应上移，保证与下滚轮辊缝尺寸为0.5 mm，如图4所示。

图4 下滚轮基本直径递增

为准确获得成形过程中带料不同位置的应力应变情况，在带料前端两侧边缘分别取2 个追踪点作为分析对象，如图5 中P1、P2点所示，仿真结果如图6、图7所示。

图5 追踪点

图6 不同滚轮基本直径递增量最大等效应力对比

由图6、图7 对比可以看出，随着滚轮基本直径递增量变大，带料两侧边缘的等效应力和等效应变有所减小，P2点一侧边缘的等效应力、应变下降幅度大于P1点一侧边缘，即增大滚轮基本直径递增量，带料两侧的等效应力和应变会随之减小，使带料成形过程更加稳定，避免产生边缘波浪、褶皱等缺陷。

2.2 摩擦系数的影响

图7 不同滚轮基本直径递增量等效应变对比

滚压成形过程中滚轮与带料间的润滑程度影响带料的成形质量，而摩擦系数的大小可直观反映润滑条件的优劣。分别对摩擦系数为0.1 和0.2 的2种情况进行仿真计算，在带料前端两侧边缘分别取P1、P2（见图5）追踪点作为分析对象，仿真结果如图8、图9所示。

图8 不同摩擦系数的最大等效应力对比

图9 不同摩擦系数的等效应变对比

由图8、图9 可以看出，不同摩擦系数下，P1、P2追踪点的等效应力、应变曲线随道次变化的规律基本一致，随着摩擦系数的增大，每道次的最大等效应力、应变均随之增大，而P1点一侧带料边部应力应变增大幅度明显。

3 结束语

对密封条钢带滚压成形过程进行有限元模拟仿真分析，得到了成形过程中滚轮基本直径和摩擦系数的变化对带料成形过程中应力、应变的影响。

（1）增大滚轮基本直径的递增量，可以降低带料成形过程中的等效应力应变，保证成形过程中的稳定性并防止边缘波浪、褶皱等缺陷的产生。但基本直径递增量也不宜过大，否则拉力过大会造成带料过度延伸而产生成形缺陷，根据相关文献数据，直径递增量一般不应超过滚轮基本直径的1%。

（2）摩擦系数增大使得滚轮与带料之间的摩擦力增大，成形过程中带料的应力、应变也随之增大，因此适当增加辅助润滑或提高滚轮与带料表面粗糙度要求，有助于减小带料成形过程中的应力，尽量避免因摩擦力过大造成带料边缘成形缺陷。根据企业实际生产条件调整成形设备润滑条件，能有效提高零件成形质量及合格率。

通过运用数值仿真模拟得到优化后的工艺参数并进行了现场试验，试验的钢带成形过程与仿真成形过程基本相符，满足工艺设计要求，验证了利用数值模拟方法指导新产品研制的可行性。