凸模圆角尺寸对汽车冲压件成型的影响

    0 引言

    汽车冲压件具有厚度薄，形状复杂，结构尺寸大等特点，所以对冲压工艺和模具有特殊要求，其中凸模圆角半径的确定是冲压件工艺设计的关键技术，汽车冲压件冲压工序包括圆筒件拉伸，凸缘圆筒件拉伸，盒型件拉伸，弯曲成形，翻边等，本文以凸缘圆筒件拉伸为例研究凸模圆角尺寸对冲压件成型的影响。

    1 模型参数及材料参数

    凸缘圆筒件所选的材料是SAPH440，SAPH440的性能参数如表1。

    表1

    凸缘圆筒件具体尺寸如下：圆筒直径D=120，凸缘d=10，高H=50。材料厚度t=2，RM=R凸=R，R分别取4mm，5mm，6mm，7mm，8mm，9mm，10mm，11mm，12mm，13mm，14mm。零件凸模圆角部分为A，直壁为C，直壁到凸模圆角的过渡区为B。

    2 减薄位置

    经有限元模型的建立与计算所得结果如图1所示，在冲压成型过程中，当凸模开始接触板料并下压时，凸模与凹模圆角周围的板料产生应力集中现象，使材料产生弹性压缩，弯曲，拉伸等复杂的变形。从图1可以看出凸缘圆筒件冲压成型结果的减薄率主要发生在凸模圆角及直壁的下端，模拟结果与陈新平等人的实验结果相吻合。图中的凸缘部位均为蓝色，表示凸缘增厚，凸缘部分材料由于拉深力的作用，径向产生拉应力σ1，又由于凸缘部分材料之间相互的挤压作用，切向产生压应力σ3，在σ1和σ3得共同作用下，凸缘部分材料发生塑性变形，在压边圈的作用下，板厚方向产生压应力σ2，凸缘部分的最大主应变是切向压缩应变ε3，因此板厚方向产生拉应变ε2，则板料变厚；凹模圆角处径向拉应力σ1最大，相应的拉应力ε1也最大，因此板厚方向产生压应变ε2，板料厚度减薄；筒壁部分是已变形区和传力区，板厚方向五应力，此处是平面应变状态且σ3=σ1/2，凸模圆角部分承受径向和切向拉应力σ1和σ3的作用，同时在板厚方向承受凸模圆角的压力和弯曲作用而受到压应力σ2的作用；筒底几乎不变形。

    图1

    从图1可以看出最大减薄率位置随R的变化而变化，当R=4mm时在凸模圆角处，当R=5mm到R=8mm时在凸缘圆筒件的直壁上，当R继续增大，凸缘圆筒件的最大减薄率的位置均在凸模圆角处。这是因为当凸模圆角R小于板料厚度2t，凸模圆角过小，将使凸缘部分材料流入凹，凸模间隙时的阻力增加，且当凸模接触板料并下压时，板料内外面同时受到来自凸，凹模圆角的压力及弯曲作用而产生的压应力σ2，当凸模圆角R大于2t小于4t时凸模圆角增大，将会减小凸模端面与材料的接触面积，使传递拉伸力的筒壁承载面积减小，则筒壁材料易变薄，当凸模圆角R大于4t时，由于凸模圆角R的较大，材料流动阻力小，且在凸模圆角处板料在厚度方向承受凸模圆角的压力和弯曲作用而受到压应力增大σ2，因此压应变ε2引起的变薄比筒壁部分严重。

    3 圆角尺寸对最大减薄率的影响

    在图1中从R=4mm和R=6mm图可以看出最大减薄在筒壁下部，其次是凸模圆角，而在凸模圆角与筒壁交接处的板料减薄比筒壁和凸模圆角处小，云图上显示为浅色的圈；R=8mm和R=10mm图上浅色的圈逐渐减少，表示此处的减薄与凸模圆角处和筒壁处的减薄逐渐接近；

    R=12mm和R=14mm图上的浅色的圈完全消失，且最大减薄位置靠近凸模圆角与筒壁交接处。

    从图2可以看出凸模圆角处减薄率最大，其次是直壁处，凸模圆角到直壁的过渡处减薄率最小。这是由于随着R的增大，传力区的高度减小，凸模圆角处减薄率随着R的増大逐渐减小，凸模圆角到直壁的过渡处和直壁处的减薄率在R=5mm时最大，随后逐渐减小，在R=7mm和R=8mm，凸模圆角处，凸模圆角到直壁的过渡处和直壁处的减薄率减小缓慢。凸模圆角处与凸模圆角到直壁的过渡处减薄率差值在R=4mm到R=6mm之间急剧减小，随后缓慢减小，直壁处与凸模圆角到直壁的过渡处的减薄率差值逐渐减小且趋于零。

    图2