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關(guān)鍵字： 擋塵蓋；拉深；數(shù)值模擬；Marc 摘　要： 本文運(yùn)用大型商用有限元軟件MSC.Marc，對汽車車軸制動(dòng)轂擋塵蓋拉深變形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對比分析了采用不同工藝方案時(shí)金屬材料的流動(dòng)情況及拉深變形后的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。

采用大型CAD軟件Pro/E，建立了汽車車軸制動(dòng)轂擋塵蓋拉深成形的凸凹模模型；運(yùn)用大型商用有限元軟件MSC.Marc，對其拉深成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬；分析了不同成形方案下，金屬材料在拉深成形時(shí)的流動(dòng)情況及拉深成形后的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。結(jié)果表明，與先成形擋塵蓋的臺(tái)階部分相比，先成形盒形部分更有利于擋塵蓋的整體拉深成形；在擋塵蓋頂部圓角與直壁相切稍偏下的位置材料變薄最劇烈，屬于在拉深過程中易先破裂的部位，為危險(xiǎn)截面所在區(qū)域。

1 前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，模具CAD/ CAE/CAM技術(shù)已成為企業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的輔助工具，工程技術(shù)人員借助于計(jì)算機(jī)對產(chǎn)品性能、模具結(jié)構(gòu)、成形工藝、數(shù)控加工及生產(chǎn)管理進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。模具CAD/ CAE/ CAM技術(shù)對縮短模具設(shè)計(jì)與制造周期，降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量所起的顯著作用己成為模具界的共識(shí)^[1]。本文運(yùn)用大型商用有限元軟件MSC.Marc，對汽車車軸制動(dòng)轂擋塵蓋拉深變形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對比分析了采用不同工藝方案時(shí)金屬材料的流動(dòng)情況及拉深變形后的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，從而為實(shí)際成形工藝方案的制定提供了可靠的理論依據(jù)。

2 模型的建立

2.1 三維立體模型的建立

圖1所示為某汽車車軸制動(dòng)轂擋塵蓋零件結(jié)構(gòu)示意圖，材料08Al鋼，料厚 0.8 mm，外圓直徑447 mm。該零件為一套四件，兩件搭接配成一組供裝配使用，兩組之間的區(qū)別在于中間方孔的方位不同。四個(gè)零件都帶有一個(gè)周邊不完整的局部不對稱盒形結(jié)構(gòu)，長82 mm，寬63 mm，深63.8 mm，整體零件結(jié)構(gòu)中還具有6 mm及9 mm的拉深臺(tái)階、局部加強(qiáng)筋、凸出4 mm高的穿帶目字形孔、多種尺寸的圓孔、方孔、5 mm內(nèi)緣垂直翻邊、7.3 mm外緣傾斜翻邊等結(jié)構(gòu)�？紤]到拉深成形時(shí)主要的金屬流動(dòng)發(fā)生在盒形結(jié)構(gòu)的成形過程中，在模具設(shè)計(jì)時(shí)，將成形模具設(shè)計(jì)成如圖2所示的浮動(dòng)形式^[2]。

數(shù)據(jù)輸入到CAE軟件Marc中進(jìn)行模擬拉深。本文首先在大型CAD軟件Pro/E中建立了擋塵蓋拉深成形的凸凹模模型（如圖2所示），然后通過CAD和CAE之間的接口格式文件，將模型分析。

2.2 毛坯的材料參數(shù)及有限元離散化

模擬及試驗(yàn)時(shí)所采用的材料為08Al鋼，應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系式為σ=553.47×ε0.234+180, 其力學(xué)性能參數(shù)如表1所示[3]，模擬過程中所使用模具各結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

毛坯形狀較規(guī)則，采用80×80四邊形單元自動(dòng)劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)為5446個(gè)（如圖3所示）。

3 擋塵蓋拉深過程的分析

3.1 拉深過程的金屬流動(dòng)分析

由圖1可知，擋塵蓋局部盒形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角部位的圓角半徑為20 mm，而一次拉深可成形的盒形結(jié)構(gòu)的高度為圓角半徑的4～6倍[4]，即80～120 mm，大于所要求的63.8mm的高度，所以局部盒形部分可以一次拉深成形。

如圖2所示，在拉深制動(dòng)轂擋塵蓋時(shí)，凸模固定，凹模、壓邊圈向下運(yùn)動(dòng)，浮動(dòng)凸模和浮動(dòng)凹模向下移動(dòng)，毛坯夾在凹模與壓邊圈、浮動(dòng)凹模和浮動(dòng)凸模之間向下拉深成形，可采用如下所示的兩種成形方案：

成形方案一：先成形臺(tái)階、后成形盒形部分；

成形方案二：先成形盒形、后成形臺(tái)階部分。

圖4所示為采用方案一時(shí)，截選4個(gè)子載荷步的等效塑性應(yīng)變云圖；圖5所示為采用方案二時(shí)，截選4個(gè)子載荷步的等效塑性應(yīng)變云圖。

由圖4、圖5可見：不論是采用方案一還是采用方案二，盒形部分頂端的網(wǎng)格在整個(gè)拉深過程中都沒有太大的變化，基本上保持不變，說明盒形部分頂端的材料在拉深過程中沒有太大的流動(dòng)。變形最大的是盒形部分的圓角和直壁處，矩形網(wǎng)格變形成平行四邊形甚至是梯形等不規(guī)則四邊形網(wǎng)格。臺(tái)階大部分區(qū)域變形也較小，只有在6條加強(qiáng)筋和圓角部分的變形相對較大，矩形網(wǎng)格變形為不規(guī)則四邊形。

方案一與方案二的主要區(qū)別在于成形盒形部分工序的先后順序。從擋塵蓋的幾何形狀可知，與成形擋塵蓋臺(tái)階部分相比，成形盒形部分時(shí)材料所需產(chǎn)生的流動(dòng)范圍較大。采用方案一時(shí)，材料的流動(dòng)有利于成形盒形部分；采用方案二時(shí)，先成形的臺(tái)階部分使得一部分材料在拉深初期便被限制在浮動(dòng)凸凹模的臺(tái)階型腔內(nèi)部，對后續(xù)成形盒形部分時(shí)材料的補(bǔ)充流動(dòng)不利。

3.2 拉深成形后的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律

圖6、圖7所示分別為采用兩種不同方案拉深時(shí)4個(gè)區(qū)域的三向應(yīng)變曲線，如圖8所示，其中曲線①為頂端中部區(qū)域，曲線②為側(cè)壁區(qū)域，曲線③為底部圓角1區(qū)域，曲線④為底部圓角2區(qū)域。

由圖6、圖7可見，采用不同的方案拉深成形后，在擋塵蓋頂部圓角與直壁相切稍偏下的位置均存在材料變薄的最嚴(yán)重現(xiàn)象，屬于在拉深過程中易先破裂的部位，為危險(xiǎn)截面所在區(qū)域。由圖6、圖7還可以看出，方案二的壁厚減薄程度比較輕，說明先拉深盒形部分，再成形臺(tái)階這種工藝方案比較好。

圖9所示為采用方案二時(shí)的擋塵蓋拉深成形后的等效應(yīng)力應(yīng)變云圖。由圖9可見，盒形部分是整個(gè)零件中應(yīng)力最大的部位，最容易破裂。特別是盒形部分的頂端圓角和直壁的交接處，應(yīng)力最大，是最危險(xiǎn)的截面。臺(tái)階處的加強(qiáng)筋圓角部位也是應(yīng)力比較大的地方，但是與盒形部分相比較安全，屬于非危險(xiǎn)截面。

4 試驗(yàn)研究

4.1 拉裂現(xiàn)象及其防止措施

一般來講，拉裂是拉深過程中所產(chǎn)生的主要問題。模擬及試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)凸凹模及浮動(dòng)凸凹模間隙小于一倍的料厚（0.8 mm）時(shí)，在盒形部位內(nèi)側(cè)頂部直壁處會(huì)產(chǎn)生拉裂現(xiàn)象，如圖10所示。從金屬的流動(dòng)和應(yīng)力應(yīng)變的分布情況可知，越靠近毛坯的外緣，參與變形的金屬越多，而靠近盒形部位頂部的直壁處與頂部圓角切點(diǎn)稍上一點(diǎn)的位置，在拉深過程中參與變形的金屬比較少，且頂部的金屬材料又由于凸模圓角處摩擦作用的制約，也很難流動(dòng)到側(cè)壁部分，故這部分材料受拉變形比較嚴(yán)重，壁厚沒有增加反而有所降低，易產(chǎn)生拉裂現(xiàn)象。

4.2 產(chǎn)品試制

圖11所示為采用方案二時(shí)的模擬結(jié)果和實(shí)物對比。由圖11可知，模擬結(jié)果和實(shí)物對應(yīng)較好，盒形部分成形也較好，說明本文所建立的汽車車軸制動(dòng)轂擋塵蓋拉深有限元模型是正確的。

5 結(jié)論

通過對汽車車軸制動(dòng)轂擋塵蓋拉深成形的有限元數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究，得出以下主要結(jié)論：

（1）采用CAD/CAE相結(jié)合技術(shù)，使用pro/E建立實(shí)體模型輸出igs格式文件，導(dǎo)入Marc中進(jìn)行有限元分析，采用CAE計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是科學(xué)有效的，可極大提高工作效率，節(jié)省人力和物力。

（2）根據(jù)對擋塵蓋在不同方案下拉深情況的數(shù)值模擬可知，對具有不對稱局部盒形結(jié)構(gòu)的零件，先拉深盒形部分能確保擋塵蓋拉深成形過程的順利進(jìn)行。

（3）由擋塵蓋的應(yīng)力應(yīng)變分析可知，對具有不對稱局部盒形結(jié)構(gòu)的零件，在其頂部圓角與直壁相切稍偏下的位置材料變薄最劇烈，屬于在拉深過程中易先破裂的部位，為危險(xiǎn)截面所在區(qū)域。

（4）試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果吻合度較好，說明所建立的擋塵蓋拉深有限元模型是正確的。

參考文獻(xiàn)

[1] 李德群，肖祥芷.模具CAD/CAE/CAM的發(fā)展概況及趨勢[J]．模具工業(yè) ,2005.(07) ：P9～12.

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[3] 夏琴香，尚越，程秀全.汽車輪轂端蓋拉伸成形模計(jì)算機(jī)輔助工程[J]．模具工業(yè)，2006年第32卷第3期：P22~26．

[4] 盧險(xiǎn)峰.沖壓工藝模具學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

The finite element numerical simulation of the deep drawing

process for the dust cover for the brake hub

By  Xia Qinxiang&Huo Yulin&Shang Yue&Zhu Xiaoke

Abstract: The 3D model of the punch-die during the dust-cover deep drawing of brake-hub used in automobile axle is established by the large-scale software, Pro/E; and the deep drawing process is simulated numerically by the large-scale FEA software, Marc; the metal flow during deep dra

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