0 引言
汽車沖壓件具有厚度薄，形狀復雜，結構尺寸大等特點，所以對沖壓工藝和模具有特殊要求，其中凸模圓角半徑的確定是沖壓件工藝設計的關鍵技術，汽車沖壓件沖壓工序包括圓筒件拉伸，凸緣圓筒件拉伸，盒型件拉伸，彎曲成形，翻邊等，本文以凸緣圓筒件拉伸為例研究凸模圓角尺寸對沖壓件成型的影響。
1 模型參數及材料參數
凸緣圓筒件所選的材料是SAPH440，SAPH440的性能參數如表1。
表1
凸緣圓筒件具體尺寸如下：圓筒直徑D=120，凸緣d=10，高H=50。材料厚度t=2，RM=R凸=R，R分別取4mm，5mm，6mm，7mm，8mm，9mm，10mm，11mm，12mm，13mm，14mm。零件凸模圓角部分為A，直壁為C，直壁到凸模圓角的過渡區為B。
2 減薄位置
經有限元模型的建立與計算所得結果如圖1所示，在沖壓成型過程中，當凸模開始接觸板料并下壓時，凸模與凹模圓角周圍的板料產生應力集中現象，使材料產生彈性壓縮，彎曲，拉伸等復雜的變形。從圖1可以看出凸緣圓筒件沖壓成型結果的減薄率主要發生在凸模圓角及直壁的下端，模擬結果與陳新平等人的實驗結果相吻合。圖中的凸緣部位均為藍色，表示凸緣增厚，凸緣部分材料由于拉深力的作用，徑向產生拉應力σ1，又由于凸緣部分材料之間相互的擠壓作用，切向產生壓應力σ3，在σ1和σ3得共同作用下，凸緣部分材料發生塑性變形，在壓邊圈的作用下，板厚方向產生壓應力σ2，凸緣部分的最大主應變是切向壓縮應變ε3，因此板厚方向產生拉應變ε2，則板料變厚;凹模圓角處徑向拉應力σ1最大，相應的拉應力ε1也最大，因此板厚方向產生壓應變ε2，板料厚度減薄;筒壁部分是已變形區和傳力區，板厚方向五應力，此處是平面應變狀態且σ3=σ1/2，凸模圓角部分承受徑向和切向拉應力σ1和σ3的作用，同時在板厚方向承受凸模圓角的壓力和彎曲作用而受到壓應力σ2的作用;筒底幾乎不變形。
圖1
從圖1可以看出最大減薄率位置隨R的變化而變化，當R=4mm時在凸模圓角處，當R=5mm到R=8mm時在凸緣圓筒件的直壁上，當R繼續增大，凸緣圓筒件的最大減薄率的位置均在凸模圓角處。這是因為當凸模圓角R小于板料厚度2t，凸模圓角過小，將使凸緣部分材料流入凹，凸模間隙時的阻力增加，且當凸模接觸板料并下壓時，板料內外面同時受到來自凸，凹模圓角的壓力及彎曲作用而產生的壓應力σ2，當凸模圓角R大于2t小于4t時凸模圓角增大，將會減小凸模端面與材料的接觸面積，使傳遞拉伸力的筒壁承載面積減小，則筒壁材料易變薄，當凸模圓角R大于4t時，由于凸模圓角R的較大，材料流動阻力小，且在凸模圓角處板料在厚度方向承受凸模圓角的壓力和彎曲作用而受到壓應力增大σ2，因此壓應變ε2引起的變薄比筒壁部分嚴重。
3 圓角尺寸對最大減薄率的影響
在圖1中從R=4mm和R=6mm圖可以看出最大減薄在筒壁下部，其次是凸模圓角，而在凸模圓角與筒壁交接處的板料減薄比筒壁和凸模圓角處小，云圖上顯示為淺色的圈;R=8mm和R=10mm圖上淺色的圈逐漸減少，表示此處的減薄與凸模圓角處和筒壁處的減薄逐漸接近;
R=12mm和R=14mm圖上的淺色的圈完全消失，且最大減薄位置靠近凸模圓角與筒壁交接處。
從圖2可以看出凸模圓角處減薄率最大，其次是直壁處，凸模圓角到直壁的過渡處減薄率最小。這是由于隨著R的增大，傳力區的高度減小，凸模圓角處減薄率隨著R的増大逐漸減小，凸模圓角到直壁的過渡處和直壁處的減薄率在R=5mm時最大，隨后逐漸減小，在R=7mm和R=8mm，凸模圓角處，凸模圓角到直壁的過渡處和直壁處的減薄率減小緩慢。凸模圓角處與凸模圓角到直壁的過渡處減薄率差值在R=4mm到R=6mm之間急劇減小，隨后緩慢減小，直壁處與凸模圓角到直壁的過渡處的減薄率差值逐漸減小且趨于零。
圖2
從圖2可以看出凸模圓角處平均減薄率隨R的增大逐漸減小，凸模圓角到直壁的過渡處和直壁處的平均減薄率先增大后減小，凸模圓角到直壁的過渡處的平均減薄率均遠遠小于凸模圓角處的平均減薄率，凸模圓角到直壁的過渡處的平均減薄率隨R的變化趨勢與直壁處相同。凸模圓角到直壁的過渡處與直壁處的平均減薄率的差值逐漸減小且趨于零。說明凸模圓角到直壁的過渡處的平均減薄率大小由一開始的與凸模圓角處和直壁處的明顯區分到逐漸與直壁處接近，最后凸模圓角到直壁的過渡處平均減薄率與直壁處相等。直壁處的平均減薄率在R=4mm時是%遠遠小于凸模圓角處的%，直壁處的平均減薄率從R=5mm到R=8mm均比凸模圓角處平均減薄率大，從R=9mm到R=14mm圓筒件的直壁處平均減薄率小于凸模圓角處平均減薄率，且凸模圓角處與直壁處的平均減薄率差值增大。
從圖3可以看出當圓筒件的凸緣，直徑及深度尺寸不變，改變圓角尺寸，圓筒件的最大減薄率隨圓角的增大而減小，表示更易成型。這是由于圓筒件變形區及過渡變形區增大，而傳力區減小。從R=5mm到R=7mm圓筒件最大減薄率從%急劇減小到%，隨后隨R逐漸減小。當R=14mm時略有增加。此結果與陳新平等人的實驗相吻合。
圖3
4 實驗驗證
選取某副車架進行實驗驗證，模型局部如圖所示：圖a為改進之前模型，圖b為改進后模型。
模型基本參數：
圖a凹模圓角尺寸是10mm，凸模圓角尺寸8mm，最大深度h=85mm，圖b凹模圓角尺寸為17mm，凸模圓角為20mm，最大深度h=85mm。沖壓模擬成型結果如圖4所示。
圖c顯示成型結果最大減薄率為%，遠遠大于材料的斷后延伸率30%，增大圓角后成型結果如圖d，最大減薄率%，結果比未增大圓角結果小很多。最大減薄率位置由零件直壁部位轉移到零件圓角部位。由此證實圓角越大，減薄率越小。
圖4
5 結論
綜上所述得以下結論：
(1)圓筒件最大減薄率位置當R=4mm時在凸模圓角處，當R=5mm到R=8mm時在直壁處，當R=9mm到R=14mm時在凸模圓角處。
(2)凸模圓角到直壁的過渡處的平均減薄率介于凸模圓角處與直壁處中間，此現象當R越小越明顯，且隨R的增大，凸模圓角到直壁的過渡處的平均減薄率逐漸趨于與直壁相等。在云圖上顯示為凸模圓角到直壁的過渡處逐漸與直壁處融合。
(3)圓筒件的其他尺寸不變，其最大減薄率隨R的增大逐漸減小，表明R越大越有利于沖壓成型。
