图1  翼子板拉延件工艺补充面凸缘起皱

翼子板是汽车车身的重要零件，本文对翼子板在拉延过程中的起皱现象进行了分析，并从工艺、调整等方面较详细的说明了解决零件拉延起皱的方法和控制措施。

板料拉延成形是一个高度非线性塑性变形过程，伴随成形过程中的主要缺陷是起皱和拉裂，它直接影响成形的好坏和产品的质量。影响板料成形质量的因素有压边力的大小、拉延筋几何尺寸、压料面形状、凸凹模圆角半径、材料力学性能、拉延模具参数、摩擦润滑条件及板坯形状和大小等。其中，压边力的大小和拉延筋几何尺寸对拉延件凸缘部分的起皱缺陷影响尤为显著。

图2  成形极限曲线

图1是翼子板拉延件工艺补充面凸缘初始的起皱状况。一般来说，拉延件凸缘的起皱是毛坯在成形过程中受到不均匀变形，是板料在成形过程中受压失稳的主要表现形式。板料在塑性变形过程中会受到复杂的应力状态的作用，由于板料厚度方向尺寸与其他两个方向尺寸相比很小，因此板料在厚度方向最不稳定。当板料内压应力达到一定程度时，板厚分析最容易因受压而不能维持稳定的塑性变形，产生受压失稳起皱现象。

图3  翼子板Autoform成形极限图结果

拉延件凸缘起皱机理

在薄板冲压成形过程中，板料是惟一的塑性变形体，其应力应变关系是影响变形结果的最重要的因素之一。因此有必要通过分析拉延件凸缘处的应力应变关系来确定起皱的成因，并且通过改善该处的应力应变分布来达到减少或消除起皱的目的。

由于目前主流的商业化板料成形分析软件Autoform、Pamstamp以及Dynaform 等都是通过对比成形极限图来反映板料成形结果的优劣，因此我们也采用基于成形极限图建立的评价准则。

图4  提高拉延气垫力减少了部分起皱，但却得不偿失

20世纪60年代，由Keeler和Googwin共同提出了“成形极限曲线（Forming Limit Diagram/ Forming Limit Curve）”的概念。成形极限曲线的本质是基于应变的成形极限。在(ε1 ,ε2 ) 空间，每种材料的成形极限曲线可由实验或数字仿真预测得到。为了方便评价板料成形的成形性能，我们采用基于最小二乘法的多项式拟合由实验或数字仿真预测得到的成形极限曲线。

图5  用Pamstamp对翼子板成形的分析

图2是成形极限曲线（FLD）图，它的出现使得人们对于原本由诸如延伸率和断面收缩率等简单指标所表征的材料成形性有了更深层次的认识，人们可以根据FLD评估不同板料在复杂应变状态下相对成形性能的优劣。

图6  拉延筋设置图

在设计翼子板时，应用Autoform 成形极限图的结果来分析我们重点关心的拉延凸缘上的应变状况。图3是翼子板Autoform 成形极限图的结果，图中在法兰区红框内分别取了3个基本有限元网格；在FLD图中与之对应的3个点分别表示前面3个网格在应变场中所受应变的状况。可以看到，凸缘起皱最小主应变值大于最大主应变值，这也意味着该处的压应变大于拉应变，因此凸缘区域起皱有它的必然性。另一方面，我们也注意到，FLD图中凸缘区域的最小主应变值大于最大主应变值，且相差不是很大，这使我们认为有希望通过改变该区域内的应变状态来达到改变起皱状态的目的。

图7   方案１的拉延筋以及模面的设计

拉延件凸缘处起皱的主要原因是：在材料拉延成形过程中，位于凸缘处或圆角区域的板料处于法向受压、径向受拉和切向受压的应力状态，由于其切向压应力大于径向受拉应力，而法向压应力又不足以抑制材料压缩失稳，因而导致该处造成法兰区起皱。

减少、消除拉延件凸缘起皱的对策

拉延件产生凸缘起皱主要是由于拉延时板料受压缩变形而引起的，消除起皱的最直观的办法是增加起皱处的法向接触力，但这有导致其他部位被拉裂的危险。因此，消除零件的起皱也并非易事，它要求能准确地判断材料的流动状况。

图8   方案１的计算结果

如图4所示，简单提高拉延气垫力后虽然减少了部分起皱，但由于采用单一提高拉延气垫力的方法导致大大增加了板内径向拉应力，在消除皱纹的同时最终造成零件在凸模最薄弱处破裂失效。显然这种方法是得不偿失的。

根据以上对翼子板拉延件在成形过程中板料在凸缘处起皱的分析，我们认为，起皱的主要原因是在凸缘处压缩失稳，导致径向受拉、切向受压的应力状态，其切向压应力导致法兰区起皱。薄板失稳起皱实质是由板面内的压应力引起的。

图9  方案２的拉延筋以及模面的设计

克服起皱的最好办法是在模具上合理地布置拉延筋，科学地控制进料阻力，改变材料流动状态，不但可以有效地防止起皱，还可避免增大压边力而导致拉裂。由于以往我们对拉延压料面起皱机理研究不深不透，要么对拉延压料面不做改造，要么在做拉延压料面改造的时候一律采用在压料面拉延筋外空开0.3 mm，即所谓“里紧外松”的做法，显然都不够妥当。

图5是用Pamstamp对翼子板成形的分析（Pamstamp 采用有别于Autoform的动力显式算法、四边形单元。其优点是算法和单元基本符合实际情况，完全三维成形模拟，起皱和破裂模拟准确），图中可以很清楚地看到，这种拉延压料面改造对防止压料凸缘的起皱是无益的。直观上，这种做法的结果是在压料面外侧减少了对凸缘面材料法线压力的控制。

图10  方案２的计算结果

在后期对翼子板拉延件凸缘起皱的改造过程中，由于拉延工艺补充面造型已确定。所以对拉延件凸缘应变来讲其切向压应变值是不可改变的（由工艺补充面造型而定）。剩余可以改变的还有该处的压料面间隙、压料力以及拉延筋的形状（图6是拉延筋设置图）。其中前两项可改变该处的压应变值，后一项通过改变拉延筋的截面形状可改变拉延筋对板料流动的阻力来改变径向拉应变值，同时达到减少凸模内材料拉裂的目的。

以下例举的两套方案就是通过改变压料面上拉延筋入模、出模半径来调整材料进料阻力的。

图11  Pamstamp对两个方案凸缘区域最小主应变的对比

实际效果的对比

方案1是压料力75 t时，拉延筋以及模面的设计（如图7）,图8为计算结果。

方案2是压料力85 t时，拉延筋以及模面的设计（如图9），图10为计算结果。

从以上两个方案Pamstamp翼子板拉延成形模拟分析的对比中可以看到，改变凸缘区域的压应变值和径向拉应变值对件起皱的影响显而易见。

图12  改进后的拉延件实际出件结果

图11是Pamstamp对上面两个方案凸缘区域最小主应变的对比，这个结果从理论上印证了应力状态改变对拉延件凸缘起皱的影响。

结论

以上我们从工艺和拉延模具设计及调整几个方面进行了分析，探讨了如何防止或解决翼子板的拉延起皱问题。

据此，我们在调整翼子板拉延件时可采用以下几种方法：

1. 增大压料力（增大压料力也可通过改变局部凹模与压边圈间隙的方法来达到局部强压的效果），目的是增加凸缘区域的法向压力抑制该区域内材料失稳；

2. 改变拉延筋形状，目的是减小进料阻力平衡因进一步提高压料力增加进料阻力而造成的拉延件内部破裂；

3. 提高模面的表面粗糙度。

图12是改进后的拉延件实际出件结果，其凸缘部分的起皱减轻效果与理论分析结果是吻合的，同时也验证了我们最初的减轻和消除拉延件凸缘起皱的设想。

引起拉延件起皱、破裂的原因很多，但只要对发生的现象仔细研究和分析，不同情况用不同的方法去解决，就会得出表面质量好的覆盖件。