卡车用铝镁合金油箱盖板拉深成形的有限元模拟

刘奎武，边 巍

(1.江苏食品药品职业技术学院， 淮安 223003；2.江苏财经职业技术学院， 淮安 223003)



卡车用铝镁合金油箱盖板拉深成形的有限元模拟

刘奎武1，边 巍2

(1.江苏食品药品职业技术学院， 淮安 223003；2.江苏财经职业技术学院， 淮安 223003)

摘要：以某卡车用AA5754铝镁合金油箱盖板为研究对象，利用DYNAFORM有限元软件对其拉深成形过程进行有限元模拟，研究了板料厚度、模具间隙及压边力对最大减薄率的影响，并进行了试验验证。结果表明：油箱盖板最大减薄率随着板料厚度及压边力的增大而增加，随着模具间隙的增大而减小；最大减薄率及最大增厚率的模拟值与试验值的相对误差分别为7.85%与9.48%，验证了有限元模拟的准确性；通过有限元模拟,将板料的厚度从3 mm降至2.5 mm。

关键词：油箱盖板；拉深成形；有限元模拟；板料厚度；最大减薄率

0引言

油箱盖板是卡车燃油箱的重要组成部分，它是通过拉深成形并拼焊到卡车燃油箱上。油箱盖板的材料通常为AA5754铝镁合金，具有密度小、耐腐蚀等优点，能满足汽车轻量化的要求。油箱盖板的拉深成形涉及到材料在复杂应力状态下的塑性硬化及塑性流动等问题，常因产生起皱及拉裂等成形缺陷而导致产品不合格。在实际生产过程中，单凭实践经验难以准确预测板料的冲压成形性能，导致较难评估模具设计的正确性[1-4]。有限元模拟在设计的早期阶段可以对零件及模具设计、工艺设计的可行性进行评价；在试模阶段可以进行故障分析以解决实际生产问题；在批量生产阶段可以用于零件缺陷的分析以改善产品质量。在油箱盖板的拉深成形过程中板料的最大减薄率与最大增厚率会对产品的质量以及材料的利用率等产生影响，为了缩短生产周期并降低生产成本，作者利用DYNAFORM有限元软件模拟了油箱盖板的拉深成形过程，分析了板料厚度、模具间隙及压边力对最大减薄率的影响，并对产品的成形质量进行了预测，从而优化工艺参数。

1有限元模型的建立

1.1　几何模型

作者以某卡车的油箱盖板为研究对象，其拉深深度为75 mm，在底部有加强筋。利用UG软件建立油箱盖板拉深成形的几何模型，如图1所示，将凸模、凹模、压边圈及板料的三维造型保存为IGES格式，并导入到DYNAFORM软件中，然后对油箱盖板的拉深成形过程进行数值模拟。模拟过程分为两步：第一步，压边圈压住板料；第二步，板料在模具的作用下进行拉深成形。其中，板料厚度t为2.5 mm，模具间隙为1.1t，压边圈的压下速度为2 000 mm·s-1，压边力为80 000 N，凸模的虚拟冲压速度为5 000 mm·s-1，摩擦因数为0.125。板料设置为弹塑性体，凸模、凹模及压边圈设置为刚性体，并采用自适应网格划分功能对其进行网格划分。

图1　油箱盖板拉深成形几何模型Fig.1　Geometric model of deep drawing for the oil tank cover plate

1.2　材料参数

在有限元模拟中，取AA5754铝镁合金的弹性模量为69 000 MPa，泊松比为0.33，各向异性系数为0.77，硬化指数为0.255，其应力-应变曲线如图2所示。

图2　AA5754铝镁合金的应力-应变曲线Fig.2　Stress-strain curve of AA5754 aluminium magnesium alloy

2模拟结果与讨论

2.1　成形极限图

由图3可知，油箱盖板的成形质量整体处于较安全的区域，但在油箱盖板底部加强筋部分区域及侧壁边缘的部分区域存在潜在的起皱危险。在实际生产过程中应注意防止该区域的起皱，以免造成产品成形的缺陷。

图3　模拟得到的油箱盖板成形极限图Fig.3　Forming limit diagram of the oil tank cover plate by simulation

2.2　板料厚度对最大减薄率的影响

板料厚度的改变会影响油箱盖板拉深成形过程中材料的流动。为了研究板料厚度对油箱盖板最大减薄率的影响，将板料厚度分别设置为1.5，2，2.5，3 mm，在其它参数保持不变的情况下进行板料拉深成形的模拟。

从图4可以看出，油箱盖板最大减薄率随着板料厚度的增加逐渐增大。对于油箱盖板件而言，当材料及拉深模具确定之后，随着板料厚度增加，板料拉深到相同变形程度所需的拉深力随之增加，所产生的变形也随之增加，因而成形后的减薄率也增大。由图4还可发现，板料厚度与最大减薄率之间为非线性关系，利用Origin软件拟合出两者之间的函数关系，见式(1)。

(1)

式中：y为油箱盖板最大减薄率；t为板料厚度。

图4　板料厚度与油箱盖板最大减薄率的关系曲线Fig.4　Curves of blank thickness versus the maximumthinning rate of the oil tank cover plate

2.3　模具间隙对最大减薄率的影响

模具间隙对油箱盖板的成形质量具有显著影响，若间隙过大，零件容易出现起皱现象；间隙过小，板料容易拉裂，并会加剧模具的磨损。选取板料厚度t为2.5 mm,模具间隙分别为1.1t，1.3t，1.5t，1.7t，在其它参数保持不变的情况下进行拉深成形的数值模拟。由图5可知，油箱盖板最大减薄率随着模具间隙的增加而逐渐减小。增大模具间隙不仅会减小油箱盖板成形过程中的摩擦力，还会有利于材料的流动，因而材料的最大减薄率随模具间隙的增加呈现上述变化趋势。利用Origin软件对模拟数据进行线性拟合，得到了油箱盖板最大减薄率与模具间隙之间的函数表达式，见式(2)。

(2)

式中：y为油箱盖板最大减薄率；c为模具间隙。

图5　模具间隙与油箱盖板最大减薄率之间的关系曲线Fig.5　Curves of die clearance versus the maximum thinningrate of the oil tank cover plate

2.4　压边力对最大减薄率的影响

压边力通过压边圈作用于压料面而带动板料完成拉深成形，它会影响材料的流动性以及应力应变的分布，合理的压边力要保证板料成形后不出现起皱及拉裂现象。选取压边力分别为50 000，60 000，70 000，80 000 N，在其它参数保持不变的情况下进行板料拉深成形的数值模拟。

从图6可以看出，油箱盖板最大减薄率随着压边力的增加而逐渐增大。在拉深成形模具的作用下，板料的拉深成形极限随着压边力的增加而增大，从而使得材料流入变形区，导致材料的最大减薄率增加。由图6还可以看出，压边力与油箱盖板最大减薄率之间近似为线性关系，经线性拟合得出两者的函数表达式，见式(3)。

图6　压边力与油箱盖板最大减薄率之间的关系曲线Fig.6　Curves of blank holder force versus the maximumthinning rate of the oil tank cover plate

(3)

式中：y为油箱盖板最大减薄率；n为压边力。

3试验验证

有限元模拟得到的油箱盖板如图7(a)所示，拉深成形后，油箱盖板最大减薄率及最大增厚率分别为9.51%与13.17%。

为了验证有限元模拟的有效性，采用YL120/280-WG型数控液压双动拉伸机进行了拉深成形试验，板料厚度为2.5 mm，压边力为80 000 N，模具间隙为2.75 mm。由图7(b)可见，试验得到的油箱盖板没有出现成形质量缺陷。利用激光切割法对油箱盖板进行切割并测其不同部位的厚度，得到油箱盖板的最大减薄率出现在底部的四个拐角(A)处，为10.32%；最大增厚率在上端边缘的四个拐角(B)处，为14.55%。最大减薄率及最大增厚率的模拟值与试验值的相对误差分别为7.85%与9.48%，试验结果与模拟结果比较吻合。

根据实践经验，产品最大减薄率不超过20%及最大增厚率不超过15%是安全可行的。通过有限元模拟,某厂所用的板料厚度从现行工艺的3 mm降至2.5 mm，所生产的油箱盖板不仅满足强度要求，而且使单个卡车油箱节省材料0.76 kg。

4结论

(1) 油箱盖板拉深成形后其最大减薄率随着板料厚度及压边力的增加而逐渐增大，随着模具间隙的增加而逐渐减小。

(2) 油箱盖板最大减薄率及最大增厚率的模拟值分别为9.51%与13.17%，试验值分别为10.32%与14.55%，模拟值与试验值的误差分别为7.85%与9.48%，说明AA5754铝镁合金拉深成形的有限元模拟较准确。

(3) 利用油箱盖板拉深成形的有限元模拟分析，使板料厚度从3 mm降至2.5 mm，每个油箱节省材料0.76 kg。

参考文献：

[1]张璐,李言,杨明顺，等.高速冷滚打成形过程的有限元数值模拟[J].机械工程材料, 2012,36(8):86-88.

[2]林敦文,关绍康,卢广玺，等.Al-Mg-Si基合金车身板材成形极限及数值应用[J].机械工程材料, 2006,30(4):64-68.

[3]喻祖建,李钢,李建辉.镁合金拉深成形模具结构研究[J].热加工工艺, 2010(3):122-124.

[4]王浩,桂林.汽车车身铝合金板冲压成形有限元仿真与实验研究[J].锻压技术, 2014,39(7):30-34.

Finite Element Modeling on Deep Drawing for Truck Oil Tank Cover Plate

of Aluminum Magnesium Alloy

LIU Kui-wu1, BIAN Wei2

(1.Jiangsu Food & Pharmaceutical Science College, Huai′an 223003,China;

2.Jiangsu Polytechnic of Finance & Economics, Huai′an 223003, China)

Abstract:With the oil tank cover plate of truck made from AA5754 aluminum magnesium alloy as research object, the deep drawing process of this oil tank cover plate was simulated by DYNAFORM software, and the effects of blank thickness, die clearance and blank holder force on the maximum thinning rate was studied. The simulated results were verified by experimental results. The results show that the maximum thinning rate increased with the increase of the blank thickness and blank holder force, while decreased with the increase of the die clearance. The relative error between simulated and experimental value of maximum thinning rate and maximum thickening rate was 7.85% and 9.48% respectively, verifying the accuracy of the numerical simulation. Additionally, the blank thickness was decreased from 3 mm to 2.5 mm by the finite element simulation.

Key words:oil tank cover plate; deep drawing; finite element modeling; blank thickness; maximum thinning rate

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51574107)；河北省自然科学基金资助项目(E2014209191)；河北省教育厅科研项目(YQ2013003)；唐山市科学技术研究项目(14130228B)

通讯作者：杨杰教授 魏英立副教授

作者简介：雷泽红(1973-)，女，湖北武汉人，高级工程师，学士。 陈连生(1968-)，男，河北唐山人，教授，博士。

收稿日期:2014-10-21； 2015-04-10；

修订日期:2015-09-21 2015-08-25

DOI:10.11973/jxgccl201512024 10.11973/jxgccl201512023

中图分类号：TG386

文献标志码：A

文章编号：1000-3738(2015)12-0095-03