一种基于复杂U型件全开放式拉延模具型面的混合式拉延筋结构确定方法

摘要

本发明公开了一种基于复杂U型件全开放式拉延模具型面的混合式拉延筋结构确定方法，属于拉延成型技术领域。本发明的步骤为：步骤一、确定拉延筋中心线偏移拉延模具开模线距离，设置拉延筋中心线；步骤二、根据复杂U型件成型过程中各部分结构分布规律对拉延筋中心线进行分段；步骤三、获取步骤二所得各拉延筋段的最优拉延阻力；步骤四、根据步骤三所得拉延阻力分布情况，反求各拉延筋段对应拉延筋结构。本发明运用于成型深度和截面变化大的复杂U型件开放式拉延模具时，非常有效的提供在成形过程中各部分所需的进料阻力，从而可以有效的克服成型缺陷，控制冲压回弹现象，保证最终产品的成型质量。

说明书

技术领域

本发明涉及拉延成型技术领域，更具体地说，涉及一种基于复杂U型件全开放式拉延模 具型面的混合式拉延筋结构确定方法。

背景技术

拉延是汽车覆盖件冲压成形的重要方式，起皱和拉裂是拉延过程中常见的缺陷。在复杂 U型件全开放式拉延模具领域中，比如一些汽车车身U型件全开放模具，其成型深度和截面 宽度变化大，多数由复杂的空中自由曲面构成，其拉延成形过程中板料各部分区域变形及进 料阻力是不均匀的，造成产品容易出现起皱、拉裂、扭曲回弹等质量缺陷，特别是运用高强 度钢材料后，成型缺陷更加严重。

为了消除上述成型缺陷，需要在模具上相应位置设置拉延筋，通过拉延筋人为地调节材 料的流动，使不同断面流入量差异变小以避免起皱。而产品成型前模具是否需要设置拉延筋、 拉延筋的设置数量、拉延筋的具体结构等都是事先需要考虑的因素。

现有的拉延筋设置方法多通过将产品模型输入电脑中并设置相关参数，利用电脑模拟落 料模拉延成型，成型后可以直观地看出产品是否起皱，起皱的部位；如果产品有起皱，设计 人员通过经验在相应位置设置拉延筋以控制材料流动。拉延筋设置后再次利用电脑模拟落料 模拉延成型，如果还有起皱，则调整拉延筋位置或数量，直到不起皱为止。现有方法虽然能 够比较准确的确定拉延筋的位置和数量，但由于在拉延成形过程中计算机需对整个零件的塑 性变形进行模拟，计算量很大，花费时间较长，对于某些变截面零件起皱趋势预测不及时。

关于拉延筋的优化设计，唐炳涛于2008年10月在《塑性工程学报》发表了“一种快速 有效地板料成形拉延筋优化设计方法”，该方法采用将变形前后各个单元相对厚度变化之和作 为目标函数，来衡量成形零件的变形均匀性，以单位长度拉延筋阻力为优化设计变量，采用 灵敏度分析的方法，对拉延筋阻力的布置优化进行研究。然而该方法计算公式复杂，求解灵 敏度较差，仍非常耗时。

此外，中国专利申请号200910103254.5，申请日为2009年2月24日，发明创造名称为： 零件拉延成型中拉延筋设置判断方法；以及中国专利申请号201310334455.2，申请日为2013 年8月2日，发明创造名称为：一种梯度拉延筋拟合变压边力实际效果的方法，上述申请案 均公开了拉延筋的优化设计方案，但设计复杂U型件全开放式拉延模具的拉延筋结构时，鉴 于复杂U型件结构的特殊性，必须考虑到复杂U型件成形过程中板料各部分区域变形所需的 拉延阻力，因此，上述申请案并不适用于复杂U型件拉延模具的拉延筋结构设计。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于解决现有拉延筋设计方法不能有效控制复杂U型件各部分材料变形的 不均匀性，导致复杂U型件成型过程中出现起皱、拉裂、扭曲回弹等质量缺陷的问题，提供 了一种基于复杂U型件全开放式拉延模具型面的混合式拉延筋结构确定方法；本发明利用检 测出的最优化的拉延阻力分布设置对应的拉延筋，特别适用于金属薄板拉延成型的全开放式 拉延模具的拉延筋结构设计。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种基于复杂U型件全开放式拉延模具型面的混合式拉延筋结构确定方法，其 步骤为：

步骤一、确定拉延筋中心线偏移拉延模具开模线距离，设置拉延筋中心线；

步骤二、根据复杂U型件成型过程中各部分结构分布规律对拉延筋中心线进行分段；

步骤三、获取步骤二所得各拉延筋段的最优拉延阻力；

步骤四、根据步骤三所得拉延阻力分布情况，反求各拉延筋段对应拉延筋结构。

更进一步地，步骤一中拉延筋中心线偏移拉延模具开模线的距离为20～30mm。

更进一步地，步骤二中对拉延筋中心线进行分段的具体过程为：

(1)模拟拉延模具不设拉延筋情况下，压边力初始值为2000KN时，板料是否出现拉裂 情况；若板料不出现拉裂现象，则以10KN为梯度递增压边力值，直至板料出现拉裂情况， 将该板料出现拉裂情况对应的压边力值设置为最大压边力值；

(2)设置最小压边力值为0，采用二分法在最小压边力值和最大压边力值区间内进行 10～20次模拟成型试验，确定不出现拉裂情况时的最优压边力；

(3)在最优压边力条件下，依次模拟拉延模具设凹筋圆角半径为2mm、3mm、4mm、 5mm的半圆形拉延筋时的板料成型情况；以及拉延模具设凹筋圆角半径为2mm、3mm、4mm、 5mm的矩形拉延筋时的板料成型情况；

(4)找出步骤(3)所得8组模拟结果中板料成型质量最好的一组，在该质量最好的板 料成型模拟界面中，取起皱区域、拉裂区域、正常成型区域的分割线上一点，做该分割线上 点到拉延筋中心线的垂线，对拉延筋中心线进行分段。

更进一步地，步骤三中获取最优拉延阻力的过程为：

a、对步骤二所得各拉延筋段附着拉延阻力，设置拉延阻力初始值为200～400N/mm，模 拟板料成型情况；

b、若所述拉延筋段对应拉延阻力初始值出现起皱情况，则以10N/mm为梯度递增拉延阻 力值，模拟板料成型直至出现拉裂情况，将出现拉裂情况时对应的拉延阻力值作为最大值， 在10N区间内采用二分法进行10～20次模拟成型试验，确定不出现拉裂情况时的拉延阻力值， 作为该拉延筋段的最优拉延阻力值；

c、若所述拉延筋段对应拉延阻力初始值出现拉裂情况，则以10N/mm为梯度递减拉延阻 力值，模拟板料成型直至出现起皱情况，将出现起皱情况时对应的拉延阻力值作为最小值， 在10N区间内采用二分法进行10～20次模拟成型试验，确定不出现起皱情况时的拉延阻力值， 作为该拉延筋段的最优拉延阻力值；

d、若所述拉延筋段对应拉延阻力初始值正常成型，则保留拉延阻力初始值作为该拉延筋 段的最优拉延阻力值。

更进一步地，步骤四确定拉延筋结构的过程为：

1)根据待成型板料的材质及厚度，确定拉延筋阻力临界值；

2)判断步骤三所得最优拉延阻力值与拉延筋阻力临界值的大小，若最优拉延阻力值小于 所述拉延筋阻力临界值，则对应拉延筋段设置半圆形拉延筋；若最优拉延阻力值大于拉延筋 阻力临界值，则对应拉延筋段设置矩形拉延筋，相邻拉延筋段光滑过渡。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种基于复杂U型件全开放式拉延模具型面的混合式拉延筋结构确定方 法，针对复杂U型件冲压成形材料各部分进料阻力设置混合式拉延筋，能够很好的利用成形 过程中板料流动规律，非常有效的控制板料变形均匀性，使得板料有效区域得到很好地塑性 变形，提高了板料的成型精度，有效地防止了起皱、拉裂、扭曲回弹等成型缺陷；

(2)本发明的一种基于复杂U型件全开放式拉延模具型面的混合式拉延筋结构确定方 法，对整个拉延筋结构确定过程进行了优化，计算复杂度大大减弱，确定拉延筋结构花费时 间缩短，预测复杂U型件起皱趋势的及时性得到增强，特别适用于金属薄板拉延成型的全开 放式拉延模具的拉延筋结构设计。

附图说明

图1为本发明实施例1中拉延筋中心线分布情况示意图；

图2为本发明中矩形拉延筋截面形状以及尺寸示意图，图中R₁为凸筋圆角半径，D为拉 延筋高度，R₂为凹筋圆角半径，L₁为拉延筋宽度，L₂为筋槽宽度；

图3为本发明中半圆形拉延筋截面形状以及尺寸示意图，图中R₁为凸筋圆角半径，D为 拉延筋高度，R₂为凹筋圆角半径，L₁为拉延筋宽度，L₂为筋槽宽度；

图4为本发明实施例1确定的具有混合式拉延筋结构的立体凹模型面示意图。

示意图中的标号说明：

1、凹模；2、拉延筋。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合附图，本实施例的一种基于复杂U型件全开放式拉延模具型面的混合式拉延筋结构 确定方法，其步骤为：

步骤一、确定拉延筋中心线偏移拉延模具开模线距离，设置拉延筋中心线。

基于CAE分析软件，在距离拉延模具开模线20～30mm的范围内，寻找设置拉延筋中心 线的最佳位置，本实施例将模具开模线沿着压料面偏移25mm，再通过投影的方式投影到压 料面上，最后在Dynaform软件下生成等效的拉延筋中心线。值得说明的是，本实施例限制拉 延筋中心线的设置范围为20～30mm，是发明人在大量实验的基础上总结得出的，在该范围内 设置拉延筋中心线，结合本实施例提供的拉延筋结构确定方法，设计出的混合式拉延筋结构， 能够使得板料在整个成型过程中，始终作用在设置的拉延筋上，板料成型质量更好。

步骤二、对复杂U型件在不同条件下成形情况进行分析，以得出其各部分结构分布规律， 并根据该结构分布规律对拉延筋中心线进行分段。具体过程为：

(1)模拟拉延模具不设拉延筋情况下，压边力初始值为2000KN时，板料是否出现拉裂 情况。若板料不出现拉裂现象，则以10KN为梯度递增压边力值，直至板料出现拉裂情况， 将该板料出现拉裂情况对应的压边力值设置为最大压边力值。

(2)设置最小压边力值为0，采用二分法在最小压边力值和最大压边力值区间内进行 10～20次模拟成型试验，确定不出现拉裂情况时的最优压边力。试验次数根据具体情况而定， 本实施例采用二分法进行20次模拟成型试验，鉴于二分法的原理已被大众熟知，此处不再赘 述。

(3)在最优压边力条件下，依次模拟拉延模具设凹筋圆角半径为2mm、3mm、4mm、 5mm的半圆形拉延筋时的板料成型情况；以及拉延模具设凹筋圆角半径为2mm、3mm、4mm、 5mm的矩形拉延筋时的板料成型情况。

(4)找出步骤(3)所得8组模拟结果中板料成型质量最好的一组，在该质量最好的板 料成型模拟界面中，已将起皱区域、拉裂区域、正常成型区域用不同颜色区分，操作者只需 选择起皱区域、拉裂区域、正常成型区域的分割线上一点(鉴于分割线上点的选择并不会显 著影响整个拉延筋结构设计效果，操作者凭肉眼大致判断该点为起皱区域与拉裂区域、起皱 区域与正常成型区域、拉裂区域与正常成型区域相切的一点即可，无需进行准确计算)，做 确定的分割线上点到拉延筋中心线的垂线，拉延筋中心线与垂线的交点即为各拉延筋段的端 点，即完成了对拉延筋中心线的分段操作。参看图1，本实施例根据图1所示复杂U型件的 结构分布规律，将拉延筋中心线分成了20段。

步骤三、获取步骤二所得各拉延筋段的最优拉延阻力。具体过程为：

a、对步骤二所得各拉延筋段附着拉延阻力，设置拉延阻力初始值为200N/mm，模拟板 料成型情况。

b、若所述拉延筋段对应拉延阻力初始值出现起皱情况，则以10N/mm为梯度递增拉延阻 力值，模拟板料成型直至出现拉裂情况，将出现拉裂情况时对应的拉延阻力值作为最大值， 在10N区间内(即最大值-10N作为二分法初始最小端点值)采用二分法进行20次模拟成型 试验，确定不出现拉裂情况时的拉延阻力值，作为该拉延筋段的最优拉延阻力值。

c、若所述拉延筋段对应拉延阻力初始值出现拉裂情况，则以10N/mm为梯度递减拉延阻 力值，模拟板料成型直至出现起皱情况，将出现起皱情况时对应的拉延阻力值作为最小值， 在10N区间内采用二分法进行20次模拟成型试验，确定不出现起皱情况时的拉延阻力值， 作为该拉延筋段的最优拉延阻力值。

d、若所述拉延筋段对应拉延阻力初始值正常成型，则保留拉延阻力初始值作为该拉延筋 段的最优拉延阻力值。

本实施例依据上述描述，确定的20段拉延筋中心线对应最优拉延阻力分布情况，如表1 和表2所示：

表1编号为[1]～[10]的拉延筋段的最优拉延阻力分布情况

拉延筋线段 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 拉延筋阻力F(Ν/mm) 120 720 280 240 880 460 988 0 620 1550

表2编号为[11]～[20]的拉延筋段的最优拉延阻力分布情况

拉延筋线段 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 拉延筋阻力F(Ν/mm) 0 792 280 250 880 430 810 0 620 1550

本实施例通过确定上述各拉延筋段最优拉沿阻力值，保证了复杂U型件成形过程中各部 分流入凹模的速度最优，以得到合理的成形质量。通过重点研究在不等截面的拉延筋分布下 不同拉延阻力的分布状况对冲压成形质量的影响，列举出8种比较典型的拉延筋设置情况， 来分析成形结果及影响规律，得出了合理的不等截面拉延筋的拉延阻力分布情况。

步骤四、根据步骤三所得拉延阻力分布情况，反求各拉延筋段对应拉延筋结构。具体过 程为：

1)根据待成型板料的材质及厚度，确定拉延筋阻力临界值。本实施例的拉延筋阻力临界 值选择参看表3：

表3半圆形拉延筋和矩形拉延筋阻力临界值

2)本实施例选择板料厚度为1mm的高强度钢DP780，参看表3，其拉延筋阻力临界值 为450N/mm。结合表1和表2，判断步骤三所得最优拉延阻力值与拉延筋阻力临界值的大小， 若小于450N/mm，则对应拉延筋段设置半圆形拉延筋；若大于450N/mm，则对应拉延筋段设 置矩形拉延筋，相邻拉延筋段光滑过渡。

同时，本实施例根据拉延筋设置的经验法则，确定拉延筋凸筋圆角半径R₁、拉延筋高度 D，然后利用阻力模型计算出凹筋圆角半径R₂值。

参看图3和图4，针对不同尺寸、不同形状的复杂U型件，其拉延模具设置矩形拉延筋 或半圆形拉延模具时，凸筋圆角半径R₁的取值范围0.5t～1000mm，t为板料厚度；凹筋圆角半 径R₂的取值范围0.5t～1000mm；拉延筋宽度L₁的取值范围t～1000mm；筋槽宽度L₂＝ L₁+2t+2CL，CL为筋槽间隙，取值范围为0～100mm；拉延筋高度D的取值范围为0～1000mm。

具体到本实施例，各拉延筋段的尺寸参看表4：

表420段拉延筋的结构、尺寸参数设置

本实施例确定的具有混合式拉延筋结构的立体凹模型面参看图4，图4中标号1为凹模， 标号2为拉延筋。从图4可以看出，拉延筋中心线[1]到[7]及[12]到[17]处设置连续的拉延筋， 由不同尺寸矩形和半圆形拉延筋混合而成，相邻拉延筋段光滑过渡；拉延筋中心线[9]、[10] 和[19]、[20]处也设置连续的拉延筋，由不同尺寸矩形拉延筋混合而成，相邻拉延筋段光滑 过渡；拉延筋中心线[2]、[8]和[18]处不设拉延筋。

值得说明的是，本实施例提供的混合式拉延筋结构确定方法，是发明人经过严谨的理论 分析及大量的试验得出的，通过对整个拉延筋结构确定流程进行反复推敲，以及对压边力初 始值、递增(递减)梯度、采用二分法模拟成型试验次数等参数的优化，实现了整个拉延筋 结构确定过程计算复杂度的大大减弱，花费时间大大缩短，预测复杂U型件起皱趋势的及时 性也得到增强。通过优化检测出成型质量最好、冲压回弹最小条件下最优的附着在拉延筋中 心线上的拉延阻力分布情况，设置对应的拉延筋结构，能够获得高质量的成型产品。

实施例2

本实施例的一种基于复杂U型件全开放式拉延模具型面的混合式拉延筋结构确定方法， 基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例步骤一中将模具开模线沿着压料面偏移20mm 设置拉延筋中心线；步骤二中采用二分法进行10次模拟成型试验，确定不出现拉裂情况时的 最优压边力；步骤三中设置拉延阻力初始值为400N/mm，采用二分法进行15次模拟成型试 验，确定不出现拉裂情况或不出现起皱情况时各拉延筋段对应拉延阻力值。

实施例3

本实施例的一种基于复杂U型件全开放式拉延模具型面的混合式拉延筋结构确定方法， 基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例步骤一中将模具开模线沿着压料面偏移30mm 设置拉延筋中心线；步骤二中采用二分法进行15次模拟成型试验，确定不出现拉裂情况时的 最优压边力；步骤三中设置拉延阻力初始值为300N/mm，采用二分法进行10次模拟成型试 验，确定不出现拉裂情况或不出现起皱情况时各拉延筋段对应拉延阻力值。

实施例1～3所述的一种基于复杂U型件全开放式拉延模具型面的混合式拉延筋结构确定 方法，针对复杂U型件冲压成形材料各部分进料阻力设置混合式拉延筋，能够很好的利用成 形过程中板料流动规律，非常有效的控制板料变形均匀性，使得板料有效区域得到很好地塑 性变形，提高了板料的成型精度，有效地防止了起皱、拉裂、扭曲回弹等成型缺陷，特别适 用于金属薄板拉延成型的全开放式拉延模具的拉延筋结构设计。