汽车高强钢大通风孔车轮轮辐成形工艺优化仿真

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1、汽车高强钢大通风孔车轮轮辐成形工艺优化仿真　　摘要：为满足汽车车轮强度要求，大通风孔钢制车轮轮辐需采用高强度钢材进行冲压成形，因此更容易产生各种成形不良问题.用PAMSTAMP对某大通风孔钢制车轮轮辐成形过程中的2道关键拉延工序进行有限元仿真和优化，通过改变模具结构和参数降低轮辐成形后的减薄量，有效防止轮辐成形过程中的开裂现象.对仿真结果和实际加工结果的对比和分析验证该仿真方法的有效性.　　关键词：汽车；车轮；轮辐；轻量化设计；拉深成形；减薄量；模具优化　　中图分类号：U463.34文献标志码：B　　0前言　　大通风孔钢制车轮轮辐与普通钢制车轮轮

2、辐相比质量明显减轻，其外观接近铝制车轮效果，因此能够在低成本下获得轻量化及良好的外观效果，故大通风孔钢制车轮轮辐已引起国内众多车轮制造企业的高度重视.冲压成形是钢制车轮轮辐成形的主要方法之一，其中拉延工序是决定冲压件质量最重要的工艺环节.由于大通风孔钢制车轮需采用强度级别更高的钢材进行冲压成形，且大通风孔钢制车轮轮辐的空间形状比普通钢制车轮轮辐更加复杂，因此拉延过程中更容易出现不同程度的板料开裂、起皱等缺陷.在传统的生产中，每一工序都要经过多次试生产和调试修正才能确定，是一个“试错”的过程，成本高、周期长，且难以满足复杂零件的技术要求.[1]10

3、　　随着有限元仿真技术的发展，数值模拟方法能够快速、高效地模拟生产加工情况[2]，预测实际加工生产中容易出现的问题，大幅缩减产品开发周期，提高成形件质量.目前国内外针对采用高强钢进行车轮轮辐冲压成形仿真的研究较少.徐成林等[3]提出有别于常规轮辐冲压成形的工艺方案，并基于Dynaform对车轮的新工艺方案进行有限元分析，对车轮冲压成形缺陷进行预测，但仅限于普通钢制车轮轮辐，且没有考虑成形板料的减薄量.卫原平等[4]基于Dynaform以轮辐冲压成形为例，对板料的二次拉深进行有限元仿真，得到的工件的厚度和应变情况与实际加工非常接近，但其轮辐材料为普

4、通钢材而非高强钢.高蔚然等[5]基于Autoform对钢制车轮成形中的拉深、反拉深和成形工序进行仿真，对成形零件厚度进行预测，验证有限元模型的有效性，对轮辐拉深成形的仿真比较全面.陈龙等[6]应用Deform模拟预冲孔的圆环一步冲压成形过程，分析冲压速度、摩擦条件和凹模圆角半径对成形载荷的影响规律，认为圆角半径对成形结果影响较大.10　　FERRAN等[7]利用SIMEX显式有限元算法对车轮盘成形进行简化数值模拟并与实际冲压结果进行比较，认为SIMEX算法能够更好的模拟厚度应变，但是其对厚板的厚度预测减薄量偏大.TAN等[8]指出板料在拉深成形过

5、程中拐角处会出现减薄现象，提出在轮辐内侧拐角处降低减薄量的优化方案，认为增大冲头拐角处圆角半径可以有效避免板料在此处剧烈减薄，并通过有限元仿真模拟和试验分别验证此方案的可行性.MORI等[9]通过拉深成形试验探究冲击线出现的位置，并通过修改模具模型和调整仿真参数进行多次仿真，认为在拉深板件的拐角处降低减薄率可以有效减少冲击线的产生，增加模具圆角半径可以有效防止厚度局部减少和圆角处的材料堆积.　　本文基于PAMSTAMP对采用抗拉强度达560MPa的高强钢的某型大通风孔车轮轮辐的冲压工艺进行仿真.针对产品成形过程中的开裂问题，仿真分析模具圆角半径、

6、轮辐成形半径和摩擦因数等参数对轮辐成形效果的影响，通过改变模具圆角和结构，降低圆角开裂部位减薄量，避免轮辐开裂现象，有效指导大通风孔车轮轮辐冲压模具的设计.　　1冲压成形过程及工艺仿真方法　　某型大通风孔钢制车轮的拉延工序由4个子工序组成：拉深、反拉深、成形和翻边校形.对每一子工序在CAD软件中建立板料和模具的三维模型，导入PAMSTAMP软件中，调整模具与板料之间的相对位置保证模具运动方向与板料为同一轴线方向，见图1.　　a）反拉深工序　　b）成形工序　　图1轮辐冲压成形有限元模型　　Fig.1Finiteelementmodelforwhee

7、lspokestampingforming　　对板料进行网格划分，为保证计算精度，网格大小不宜过大.设置均匀网格大小为3.00mm，板料网格划分见图2.　　图2划分网格后的板料（1/4模型）　　Fig.2Meshedsheet（1/4model）　　板料各项材料参数是影响成形结果的最主要因素，该轮辐材料为高强钢DP580，板料初始厚度为5.5010mm，其材料力学性能参数见表1.板料成形分析选用Hill48各向异性屈服模型.仿真计算中将终止条件设置为凸凹模间隙值为1.1倍板料厚度，模具与板料间摩擦因数设为0.12.板料成形过程采用显式增量算法[4

8、]，回弹过程选用先进隐式算法.表1DP580钢材料参数　　Tab.1MaterialparametersofDP580steel参数值参