基于CAE端盖拉伸模设计

袁可平，杨延相，耿 祥，谈秉乾

（无锡恒和环保科技有限公司，江苏无锡 214177）

1 引言

在发动机排气系统中，端盖作为一种连接过渡件，几乎每台柴油，汽油车在大批量使用，不同型号发动机使用不同种类端盖。由于大批量不同种类直径的使用，需找到一种切实可行，效率高、成本低的开模方案。

CAE有限元分析软件正是解决了实际生产中的需求，有限元软件可以帮助设计人员：①验证冲压模具设计的工步，减少开模成本；②提高模具设计成功率，在电脑上就能验证内容；③减少试模成本；④缩短新品的开发周期。

Dynaform专为深拉伸设计了一个全自动的（也可手动划分网格）网格划分系统：专业模拟模块化、集成化的模块，包括前处理、模拟器、后处理器3大模块。前处理器处理对坯料，模具进行输入、成形条件的输入，建立边界条件，包括有限元网格生成器；模拟器采用弹性、弹塑性、刚（粘）塑性、热传导于一体的世界优良有限元求解器；后处理器是将模拟结果可视化，支持0PGI图形模式，并输出用户所需的模拟数据、图片、视频等。Dynaform允许用户对其数据库进行操作，对系统设置进行修改，以及定义自己的材料模型等端盖结构及加工工艺简介。

端盖是一种深拉伸件，材料一般为SUH409L/SUS441，料厚1.5mm的板材，要求外表面光顺平滑，周边尺寸精度为0.8mm，外观美观，制件轮廓图如图1所示。由于制件成形时拉伸量较大，很容易产生拉裂、拉伤、起皱都不良反应很低，材料在拉伸过程中产生塑性变形，会增强制件的刚性，对拉伸不利，容易使制件表面在成形过程中产生表面凹凸不平。

最后翻边工艺进行成形工艺仿真：主要是模拟制件在冲压过程中避免发生缩颈现象，通过仿真：改善成形制件尺寸和模具设计，模具试模，从而有效的避免设计的错误。本文CAE分析主要内容：使用Dynaform软件，对工件仿真成形极限云图和厚度变化图以及应力分布情况进行综合分析。

2 毛坯形状预测

此端盖要求成品（见图1）最薄处为1.2mm，外观美观，无明显，撕裂等不良现象。端盖展开计算：用专业软件，比如Dynaform、Autoform等软件展开，展开直径为φ186.5mm。

图1 制件

（1）模具工艺步骤分析：由于此端盖需要多次拉伸成形，每次成形减薄量控制在0.1mm内，以满足最小减薄率。

（2）假想工艺路线（根据经验）：假设op10、op20、op30、op40、op50工序成立（见图2），再由CAE对工艺步骤进行验证。

图2 假想成形步骤

3 成形CAE分析验证

（1）op10成形假设：首次成形是关键：根据以往经验，形状定位如图3所示。

图3 假设第一步成形

采用Dynaform5.9中最优压边力方案计算，对其进行网格划分以及在不同压边力下的分析，在压边力900,000N下进行分析。成形模拟分析（见图4、图5）：最薄处厚度1.05mm，最厚1.6mm不满足要求，一次性变薄0.45mm，成形极限图不满足设计预计要求。

图4 厚度分布图

图5 成形极限图

在压边力700,000N下进行分析，成形模拟分析（见图6、图7）：最薄处厚度1.21mm，最厚1.62mm，一次性变薄0.29mm,不满足要求，成形极限图不满足设计要求。

图6 厚度分布图

图7 成形极限图

在压边力500,000N下进行分析，成形模拟分析（见图8、图9）：最薄处厚度1.32mm，最厚1.64mm，一次性变薄0.18mm,不满足要求，成形极限图不满足设计要求。

图8 厚度分布图

图9 成形极限图

在压边力201,800N下进行分析：成形模拟分析（见图10、图11）：最薄处厚度1.40mm，最厚1.66mm，一次性变薄0.10mm，基本满足要求，成形极限图满足设计要求。

图10 厚度分布图

图11 成形极限图

在压边力100,000N下进行分析，成形模拟分析（见图12、图13）：最薄处厚度1.41mm，最厚1.67mm，一次性变薄0.09mm，满足要求，成形极限图中，有部分起皱趋势，基本满足设计要求。

图12 厚度分布图

图13 成形极限图

在压边力50,000N下进行分析，成形模拟分析（见图14、图15）：最薄处厚度1.42mm，最厚1.67mm，一次性变薄0.08mm，满足要求，成形极限图种，起皱趋势明显，不满足设计要求。

图14 厚度分布图

图15 成形极限图

在压边力30,000N下进行分析：成形模拟分析（见图16、图17）：最薄处厚度1.42mm，最厚1.69mm，一次性变薄0.08mm，满足要求，成形极限图种，起皱趋势十分明显，不满足设计要求。

图16 厚度分布图

图17 成形极限图

在压边力10,000N下进行分析：成形模拟分析（见图18、图19）：最薄处厚度1.42mm，最厚5.37mm，一次性变薄0.08mm，满足要求，成形极限图种，边缘起皱趋势异常明显，不满足设计要求。

图18 厚度分布图

图19 成形极限图

总结：综上所述，op10压边力设置:10t；在起皱与减薄量中间权衡；架模调试：可以设置在12～18t范围内调试，基本满足设计要求。

（2）op20成形假设。根据以往经验，形状尺寸如图20所示。

图20 op20成形件尺寸

由于第二部成形不需要压边力，所以采用直接成形分析；把op10成形尺寸，在Dynaform中导入op20中成形分析。

成形模拟分析，最薄处厚度1.41mm，最后1.59mm，满足要求。

成形极限图种，带有起皱趋势，基本满足设计要求。

op20成形:使得op10变薄处加厚，op20加厚处变薄。

通过CAE分析，op20假设成功。

图21 厚度分布图

图22 成形极限图

（3）op30成形假设。根据以往经验，尺寸形状（见图23）以下形状，也就是与外轮廓最终成形件轮廓基本一致。

图23 op30成形件尺寸

由于第三部成形不需要压边力，把op20成形尺寸，在Dynaform中导入op30中成形分析。

成形模拟分析（见图24、图25）：最薄处厚度1.36mm，最后1.54mm，满足要求成形极限图种，带有起皱趋势，基本满足设计要求。

图24 厚度分布图

图25 成形极限图

通过CAE分析，op30假设成功。

op40：冲孔切边，不需要CAE模拟。

（4）op50：2端同步翻边。由于第三部成形不需要压边力，把op40成形尺寸，在Dynaform中导入op50中成形分析。

成形模拟分析（见图26、图27）：最薄处厚度1.29mm，最后1.53mm，满足要求。

图26 厚度分布图

图27 成形极限图

成形极限图种，底部带有起皱趋势，但是根据以往多次经验，可以使用，基本满足设计要求。

4 假想工艺全部经过CAE分析全部成立：设计冲压模具

4.1 op10模具设计

op10：冲孔拉伸-落料复合模（见图28），采取后侧滑动导向模架，正装式结构。其工作过程：开模状态下，先将板料放在凹模上，起动压力机，滑块下行，凸凹模先切边，后成形，压力机上行时，底下弹料装置复位，顶出成形件完成第一道工序的加工。

图28 拉伸落料复合模

试模时候，不断调整顶出机构力，直到试模成功位置。

4.2 op20成形模具

op20成形模具如图29所示。试模：把op10工件放置于件放上凹模上，调节顶杆高度，使其放置时候，自动放置于中心处。

图29 成形模2

4.3 op30成形模具

op30成形模具（见图30）：试模：把op20工件放置于顶杆上面，调节顶杆高度，使其放置时候，自动对中于中心处，外观基本成形到位。

图30 成形模3

4.4 op40切边冲孔复合模

op40切边冲孔，冲孔切边复合模如图31所示，采取后侧滑动导向模架，正装式结构。其工作过程：开模状态下，先将板料放在定位型腔上，起动压力机，滑块下行，上模筒式冲孔切边，此模具设计精度很高，试模时候，对模要求高，尤其要值得注意。

图31 切边冲孔复合模具

4.5 op50上下翻边+整形模

op50翻边成形模具（见图32），其工作过程：op40工件放置于下模定位处，起动压力机，滑块下行，上下模闭合，同时上下翻边，工件贴合下模，相当于整形。

图32 翻边成形模具

经过模具设计加工装配，试模后，批量化生产，现已经冲压几十万件，质量稳定，满足了客户要求。

5 总结

根据经验假想设计工艺步骤，再通过CAE一步步验证，测量减薄率以及起皱，再看成形极限图，把假想冲压工艺步骤逐步变成现实。①针对某型端盖的结构及成形特点，采用坯料模拟展料法，制定了该制件拉伸、切边，冲孔和翻孔5道工序的冲压成形方案；②利用Dynaform软件进行了端盖成形全工序数值模拟，并对成形极限图、减薄率云图进行了分析，模拟结果符合成形要求；③按照本文提出的工艺方案进行端盖冲压批量化，得到的制件满足质检要求，验证了成形工艺方案的可行性。