关键字： 挡尘盖；拉深；数值模拟；Marc 摘　要： 本文运用大型商用有限元软件MSC.Marc，对汽车车轴制动毂挡尘盖拉深变形过程进行了数值模拟，对比分析了采用不同工艺方案时金属材料的流动情况及拉深变形后的应力应变分布规律。

采用大型CAD软件Pro/E，建立了汽车车轴制动毂挡尘盖拉深成形的凸凹模模型；运用大型商用有限元软件MSC.Marc，对其拉深成形过程进行了数值模拟；分析了不同成形方案下，金属材料在拉深成形时的流动情况及拉深成形后的应力应变分布规律。结果表明，与先成形挡尘盖的台阶部分相比，先成形盒形部分更有利于挡尘盖的整体拉深成形；在挡尘盖顶部圆角与直壁相切稍偏下的位置材料变薄最剧烈，属于在拉深过程中易先破裂的部位，为危险截面所在区域。

1 前言

随着计算机技术的发展，模具CAD/ CAE/CAM技术已成为企业生产中不可缺少的辅助工具，工程技术人员借助于计算机对产品性能、模具结构、成形工艺、数控加工及生产管理进行设计和优化。模具CAD/ CAE/ CAM技术对缩短模具设计与制造周期，降低生产成本和提高产品质量所起的显著作用己成为模具界的共识^[1]。本文运用大型商用有限元软件MSC.Marc，对汽车车轴制动毂挡尘盖拉深变形过程进行了数值模拟，对比分析了采用不同工艺方案时金属材料的流动情况及拉深变形后的应力应变分布规律，从而为实际成形工艺方案的制定提供了可靠的理论依据。

2 模型的建立

2.1 三维立体模型的建立

图1所示为某汽车车轴制动毂挡尘盖零件结构示意图，材料08Al钢，料厚 0.8 mm，外圆直径447 mm。该零件为一套四件，两件搭接配成一组供装配使用，两组之间的区别在于中间方孔的方位不同。四个零件都带有一个周边不完整的局部不对称盒形结构，长82 mm，宽63 mm，深63.8 mm，整体零件结构中还具有6 mm及9 mm的拉深台阶、局部加强筋、凸出4 mm高的穿带目字形孔、多种尺寸的圆孔、方孔、5 mm内缘垂直翻边、7.3 mm外缘倾斜翻边等结构。考虑到拉深成形时主要的金属流动发生在盒形结构的成形过程中，在模具设计时，将成形模具设计成如图2所示的浮动形式^[2]。

数据输入到CAE软件Marc中进行模拟拉深。本文首先在大型CAD软件Pro/E中建立了挡尘盖拉深成形的凸凹模模型（如图2所示），然后通过CAD和CAE之间的接口格式文件，将模型分析。

2.2 毛坯的材料参数及有限元离散化

模拟及试验时所采用的材料为08Al钢，应力－应变关系式为σ=553.47×ε0.234+180, 其力学性能参数如表1所示[3]，模拟过程中所使用模具各结构参数如表2所示。

毛坯形状较规则，采用80×80四边形单元自动划分网格，网格单元数为5446个（如图3所示）。

3 挡尘盖拉深过程的分析

3.1 拉深过程的金属流动分析

由图1可知，挡尘盖局部盒形结构转角部位的圆角半径为20 mm，而一次拉深可成形的盒形结构的高度为圆角半径的4～6倍[4]，即80～120 mm，大于所要求的63.8mm的高度，所以局部盒形部分可以一次拉深成形。

如图2所示，在拉深制动毂挡尘盖时，凸模固定，凹模、压边圈向下运动，浮动凸模和浮动凹模向下移动，毛坯夹在凹模与压边圈、浮动凹模和浮动凸模之间向下拉深成形，可采用如下所示的两种成形方案：

成形方案一：先成形台阶、后成形盒形部分；

成形方案二：先成形盒形、后成形台阶部分。

图4所示为采用方案一时，截选4个子载荷步的等效塑性应变云图；图5所示为采用方案二时，截选4个子载荷步的等效塑性应变云图。

由图4、图5可见：不论是采用方案一还是采用方案二，盒形部分顶端的网格在整个拉深过程中都没有太大的变化，基本上保持不变，说明盒形部分顶端的材料在拉深过程中没有太大的流动。变形最大的是盒形部分的圆角和直壁处，矩形网格变形成平行四边形甚至是梯形等不规则四边形网格。台阶大部分区域变形也较小，只有在6条加强筋和圆角部分的变形相对较大，矩形网格变形为不规则四边形。

方案一与方案二的主要区别在于成形盒形部分工序的先后顺序。从挡尘盖的几何形状可知，与成形挡尘盖台阶部分相比，成形盒形部分时材料所需产生的流动范围较大。采用方案一时，材料的流动有利于成形盒形部分；采用方案二时，先成形的台阶部分使得一部分材料在拉深初期便被限制在浮动凸凹模的台阶型腔内部，对后续成形盒形部分时材料的补充流动不利。

3.2 拉深成形后的应力应变分布规律

图6、图7所示分别为采用两种不同方案拉深时4个区域的三向应变曲线，如图8所示，其中曲线①为顶端中部区域，曲线②为侧壁区域，曲线③为底部圆角1区域，曲线④为底部圆角2区域。

由图6、图7可见，采用不同的方案拉深成形后，在挡尘盖顶部圆角与直壁相切稍偏下的位置均存在材料变薄的最严重现象，属于在拉深过程中易先破裂的部位，为危险截面所在区域。由图6、图7还可以看出，方案二的壁厚减薄程度比较轻，说明先拉深盒形部分，再成形台阶这种工艺方案比较好。

图9所示为采用方案二时的挡尘盖拉深成形后的等效应力应变云图。由图9可见，盒形部分是整个零件中应力最大的部位，最容易破裂。特别是盒形部分的顶端圆角和直壁的交接处，应力最大，是最危险的截面。台阶处的加强筋圆角部位也是应力比较大的地方，但是与盒形部分相比较安全，属于非危险截面。

4 试验研究

4.1 拉裂现象及其防止措施

一般来讲，拉裂是拉深过程中所产生的主要问题。模拟及试验结果表明，当凸凹模及浮动凸凹模间隙小于一倍的料厚（0.8 mm）时，在盒形部位内侧顶部直壁处会产生拉裂现象，如图10所示。从金属的流动和应力应变的分布情况可知，越靠近毛坯的外缘，参与变形的金属越多，而靠近盒形部位顶部的直壁处与顶部圆角切点稍上一点的位置，在拉深过程中参与变形的金属比较少，且顶部的金属材料又由于凸模圆角处摩擦作用的制约，也很难流动到侧壁部分，故这部分材料受拉变形比较严重，壁厚没有增加反而有所降低，易产生拉裂现象。

4.2 产品试制

图11所示为采用方案二时的模拟结果和实物对比。由图11可知，模拟结果和实物对应较好，盒形部分成形也较好，说明本文所建立的汽车车轴制动毂挡尘盖拉深有限元模型是正确的。

5 结论

通过对汽车车轴制动毂挡尘盖拉深成形的有限元数值模拟及试验研究，得出以下主要结论：

（1）采用CAD/CAE相结合技术，使用pro/E建立实体模型输出igs格式文件，导入Marc中进行有限元分析，采用CAE计算机辅助设计是科学有效的，可极大提高工作效率，节省人力和物力。

（2）根据对挡尘盖在不同方案下拉深情况的数值模拟可知，对具有不对称局部盒形结构的零件，先拉深盒形部分能确保挡尘盖拉深成形过程的顺利进行。

（3）由挡尘盖的应力应变分析可知，对具有不对称局部盒形结构的零件，在其顶部圆角与直壁相切稍偏下的位置材料变薄最剧烈，属于在拉深过程中易先破裂的部位，为危险截面所在区域。

（4）试验结果与模拟结果吻合度较好，说明所建立的挡尘盖拉深有限元模型是正确的。

参考文献

[1] 李德群，肖祥芷.模具CAD/CAE/CAM的发展概况及趋势[J]．模具工业 ,2005.(07) ：P9～12.

[2] 程秀全，夏琴香.汽车车轴制动毂挡尘盖冲压成形工艺与模具设计[J]．锻压技术，2005年第6期：P23~26．

[3] 夏琴香，尚越，程秀全.汽车轮毂端盖拉伸成形模计算机辅助工程[J]．模具工业，2006年第32卷第3期：P22~26．

[4] 卢险峰.冲压工艺模具学.北京：机械工业出版社，2003.

The finite element numerical simulation of the deep drawing

process for the dust cover for the brake hub

By  Xia Qinxiang&Huo Yulin&Shang Yue&Zhu Xiaoke

Abstract: The 3D model of the punch-die during the dust-cover deep drawing of brake-hub used in automobile axle is established by the large-scale software, Pro/E; and the deep drawing process is simulated numerically by the large-scale FEA software, Marc; the metal flow during deep dra

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