模具工业 2016年第42卷第9期1050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110510191050891

105089110510191050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110510191050891

10508911051019

冲 模 技 术

1 引 言

图1所示为某汽车真空助力器后壳体真空助

力器是汽车制动系统的重要组成部分广泛应用于

轿车和轻型汽车上作为制动的助力装置[1]作为真

空助力器的主要覆盖件前后壳体尺寸精度高外

形复杂对强度及疲劳使用寿命有严格要求且作

为外观零件其表面质量也有较高要求需经多次

冲压拉深渐近成形[2]通过工艺计算完成助力器后

壳体冲压成形工艺的设计排布利用AutoForm软件

对零件冲压过程进行数值模拟分析并对冲压过程

相关工艺参数进行定量分析最终实现提高零件成

形质量的目的

2 助力器后壳体工艺分析及计算

21 后壳体工艺分析

对助力器后壳体成形工艺进行分析零件为典

型的回转体冲压拉深件材料为厚12 mm的低碳钢

板 ST14需在多次拉深成形后对零件进行切边冲

孔整形翻边最后还需进行冲底孔及翻孔等工序

才能完成零件的成形后壳体零件ϕ45ϕ58ϕ62mm的尺寸均有公差要求且与密封圈配合因此对

其表面粗糙度等均有严格要求台阶处为距坯料初

始平面最高点需进行反向翻边材料加工硬化趋

势及变薄趋势明显成形后壳体台阶壁厚最小

值ge08 mm增加了零件的成形难度

22 冲压工艺方案设计

助力器后壳体原冲压加工工艺为落料rarr6次

基于AutoForm的助力器后壳体冲压成形工艺优化设计

刘 学王炳岩刘军英王美微李 想

（吉林东光奥威汽车制动系统有限公司吉林 长春 130012）摘要通过数值模拟分析及工艺理论设计计算对助力器后壳体冲压成形工艺进行优化对比分析原冲

压成形工艺利用板料塑性成形数值模拟软件AutoForm对后壳体冲压成形过程进行模拟分析成形极

限图厚度云图及起皱趋势云图合理设置工艺补偿孔最终实现冲压工艺的优化

关键词助力器后壳体冲压成形数值模拟工艺优化

中图分类号TG386TP39175 文献标识码B 文章编号1001-2168（2016）09-0014-07DOI1016787jcnki1001-2168dmi201609004

Optimization design of stamping process for booster rearshell based on AutoForm

LIU Xue WANG Bing-yan LIU Jun-ying WANG Mei-wei LI Xiang(Jilin Dongguang Aowei Automobile Brake System Co Ltd Changchun Jilin 130012 China)Abstract The stamping forming process of booster rear shell was optimized after the analysis of numerical simulation and theory calculation Compared with the original and stamping forming process the stamping process of rear shell was simulated depend on the AutoForm software The forming limit diagram (FLD) the thickness of model and the wrinklingtendency were analyzed and optimized Then the technological compensation hole was reasonable set which accomplished the optimization of the stamping processKey words booster rear shell stamping forming numerical simulation process optimization

mdashmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdash

收稿日期2016-04-16作者简介刘 学（1988-）男（汉族）吉林长春人工程师主要

研究方向为冲压工艺分析及模具设计

14

网络出版时间2016-09-20 101743网络出版地址httpwwwcnkinetkcmsdetail451158TG201609201017004html

模具工业 2016年第42卷第9期

拉深（6道工序）rarr预冲孔rarr预成形rarr成形rarr拉深rarr压筋整形rarr切边冲孔rarr翻边rarr冲4个孔rarr翻大孔rarr翻孔等17道工序如图2所示该工艺采用由内而

外经多次拉深成形的冲压工艺零件经多次带凸缘

直筒拉深后容易产生冷作硬化导致成形的零件

表面出现拉伤直壁变薄及破损对后工序成形影

响较大

图2 助力器后壳体原冲压工艺

通过对原冲压工艺进行分析将原冲压工艺优

化为落料rarr1次拉深rarr2次拉深rarr3次拉深rarr压筋

整形rarr切边冲孔rarr翻大孔rarr翻边整形冲4个孔rarr翻

孔等 9道工序改进后的工艺每道工序采用内外同

时拉深的复合加工工艺由原来的带凸缘直筒形拉

深改为带凸缘锥形拉深更有利于材料流动和后工

序成形可减少加工工序助力器后壳体优化冲压

工艺路线如图3所示

图3 助力器后壳体优化冲压工艺路线

23 冲压拉深工艺计算

（1）毛坯直径D的计算板料在冲压成形过程

中经历很大的塑性变形但零件的体积和质量均

不发生变化助力器后壳体冲压为不变薄拉深因

此可用面积相等原则确定毛坯尺寸在实际生产

中还需对毛坯预留修边余量最后根据具体情况

予以修正[3]

一般情况下根据久里金法则[3]计算复杂回转

体拉深件的毛坯尺寸

旋转体面积A=2πLX

毛坯面积A0=πD24式中Lmdashmdash零件的母线长度mmXmdashmdash该段母线

至轴线的距离mmDmdashmdash毛坯直径mm

图1 汽车真空助力器后壳体

15

模具工业 2016年第42卷第9期因为旋转体面积与毛坯面积相等代入数值计

算得出助力器后壳体的毛坯直径D=350 mm（含修

边余量）

（2）冲裁力计算冲裁力是指在冲裁过程中

材料对模具的最大剪切抗力在冲裁过程中冲裁

力是材料随凸模进入深度而变化的计算冲裁力是

选择压力机和设计模具的重要依据之一[4]

采用平刃口凸模的模具冲裁时冲裁力

F = ltτ 式中F mdashmdash冲裁力Nlmdashmdash冲裁件周长mmt mdashmdash材料厚度mmτ mdashmdash材料抗剪强度MPa

在实际生产中由于模具零件间隙值的波动和

不均匀刃口的磨损板料力学性能和厚度波动等

因素的影响需给出修正系数 K = 13则实际冲裁

力为

F冲=13F=13ltτasympltσb通过计算可得F冲asymp356 kN（3）压边力计算拉深所需压边力的大小与影

响坯料起皱的因素有关当压边力过大会产生破

裂风险当压边力过小则会产生起皱

回转体各次拉深的压边力（用回转形毛坯）

F压 =π4eacuteeuml

ugraveucirc

d2n - 1 - ( )dn + 2r凹

2p

式中pmdashmdash单位面积压边力MPad1d2helliphellipdnmdashmdash

拉深件直径mmr凹mdashmdash凹模圆角半径mm通过计算可得 F压asymp195 kN

（4）拉深力计算拉深力的大小作为选择压力

机压力的重要因素之一必须首先求出拉深力给

定坯料的材质直径 D 板料厚度 t 凸模直径 d 以

及凹模的圆角半径 r凹 等采用压边圈圆筒拉深时

最大拉深力为

Fmax = 3( )σb +σs ( )D - d - r凹 t

式中Fmax mdashmdash拉深力Nσb mdashmdash材料的抗拉强

度MPaσs mdashmdash材料的屈服极限MPad mdashmdash拉

深凹模直径mm通过查表代入数值计算可求得一次拉深的拉

深力为Fmaxasymp330 kN由于设计的模具均在单动压

力机上进行冲压需要满足 F gtF拉 +F压 为安全起

见选择安全系数为 13则压力机压力需满足

Fgt13（F 拉+F 压）=680 kN结合实际生产情况采用

JH21-200曲柄压力机可以满足落料拉深及成形工

序要求

3 冲压成形过程数值模拟分析

31 拉深工艺参数设置及数值模拟分析

在AutoForm软件中设置后壳体拉深试验模拟

参数材料选择12 mm厚的ST14钢板摩擦因数为

0125其中低碳深拉伸钢板ST14的硬化曲线屈

服面成形极限曲线如图4所示

（a）硬化曲线

（b）屈服面

（c）成形极限曲线

图4 钢板ST14曲线图

16

模具工业 2016年第42卷第9期后壳体冲压成形采用单动拉深模拟凸凹模

间隙 125 mm拉深力F=195 kN由于AutoForm软

件具有强大的网格自适应功能可以自动划分网

格设置单元类型为壳单元采用基于罚函数法的

接触类型[5]完成工艺参数设置后进行拉深模拟分

析分析结果如图5~图7所示

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图5 后壳体1次拉深

分析后壳体拉深成形厚度云图发现后壳体拉

深成形厚度发生显著变化在 3次拉深成形后台阶

处出现最小壁厚厚度为0816 929 mm壁厚最大位

置出现在 2次拉深凸缘处厚度为 1297 861 mm分析起皱趋势云图可以发现在2次拉深时台阶处有

最大0111 666 mm高度的起皱趋势虽然3次拉深

成形后满足设计要求但成形后壳体台阶的最小壁

厚处要求极限尺寸为上限且通过成形极限图可发

现 3次拉深成形存在破裂趋势需要根据工艺参数

对冲压成形的影响进行分析合理设置工艺补偿

以改善台阶处变薄开裂趋势

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图6 后壳体2次拉深

32 成形工艺优化设计

分析后壳体拉深成形台阶处变薄现象主要原

因是台阶处凸包成形所需材料由壳体四周向中心

提供即工艺补偿面设置在四周凸缘位置其向中

心材料补偿比较困难虽然可以通过增大凸模圆

角半径改善材料的流动性但由于台阶高度限制

17

模具工业 2016年第42卷第9期

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图7 后壳体3次拉深

增大圆角半径材料堆积过多在 3次拉深成形阶段

会造成后壳体台阶起皱综上分析通过中心向后

壳体台阶进行材料补充是最适宜的工艺补偿方法

即在一次拉深时冲制工艺补偿孔增强补偿孔周围

材料的流动性从而对台阶处进行材料补偿[6]

优化工艺路线为第1次拉深为拉深冲孔即通

过模具结构设计在 1次拉深成形后在壳体中心冲

制ϕ18 mm工艺孔在后工序拉深过程中此孔会对

台阶成形进行工艺补偿[7]利用AutoForm软件对优

化拉深成形工艺进行数值模拟 [89]如图 8~图 10所示

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图8 后壳体优化1次拉深

分析后壳体优化拉深成形工艺数值模拟厚度

云图可知在3次拉深成形后壁厚最薄处依然在台

阶处但厚度最小值为0955 969 mm可见后壳体台

阶壁厚显著增加分析起皱趋势云图可知起皱趋

势最明显处依然是在 2次拉深后台阶处但起皱高

度最大为 0087 689 mm相比原工艺有明显降低

分析成形极限图可知3次拉深成形后壳体的破裂

趋势显著降低通过测量发现工艺补偿孔扩大为

ϕ28 mm在保证中心孔成形尺寸为ϕ36 mm的前提

18

模具工业 2016年第42卷第9期

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图9 后壳体优化2次拉深

下单边4 mm的切边余量满足冲孔要求说明设置

ϕ18 mm工艺补偿孔较为合理

4 结束语

由于助力器后壳体冲压成形受制于其形状及

材料特性需进行多次拉深渐近成形通过有限元

数值模拟证实后壳体内外同时拉深的复合工艺切

实可行对模拟结果进行研究分析通过设置工艺

补偿孔对工艺进行合理优化再次进行数值模拟分

析证实优化改进方案可有效增加后壳体台阶壁厚

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图10 后壳体优化3次拉深

值经过生产实践验证后壳体内外同时拉深的复

合工艺可极大减少工序次数且有效满足成形零件

的性能要求在实际生产中取得了满意效果

参考文献

[1]柳恩芬李文惠陈思琦等真空助力器壳体应变疲劳寿

命研究[J]工程与试验2013(12)21-26[2]刘 学张心明高 帅等助力器后壳体冲压成形首次

拉深模优化设计[J]模具工业201541(7)36-41[3]肖景容姜奎华冲压工艺学[M]北京机械工业出版社

19

模具工业 2016年第42卷第9期

拉深（6道工序）rarr预冲孔rarr预成形rarr成形rarr拉深rarr压筋整形rarr切边冲孔rarr翻边rarr冲4个孔rarr翻大孔rarr翻孔等17道工序如图2所示该工艺采用由内而

外经多次拉深成形的冲压工艺零件经多次带凸缘

直筒拉深后容易产生冷作硬化导致成形的零件

表面出现拉伤直壁变薄及破损对后工序成形影

响较大

图2 助力器后壳体原冲压工艺

通过对原冲压工艺进行分析将原冲压工艺优

化为落料rarr1次拉深rarr2次拉深rarr3次拉深rarr压筋

整形rarr切边冲孔rarr翻大孔rarr翻边整形冲4个孔rarr翻

孔等 9道工序改进后的工艺每道工序采用内外同

时拉深的复合加工工艺由原来的带凸缘直筒形拉

深改为带凸缘锥形拉深更有利于材料流动和后工

序成形可减少加工工序助力器后壳体优化冲压

工艺路线如图3所示

图3 助力器后壳体优化冲压工艺路线

23 冲压拉深工艺计算

（1）毛坯直径D的计算板料在冲压成形过程

中经历很大的塑性变形但零件的体积和质量均

不发生变化助力器后壳体冲压为不变薄拉深因

此可用面积相等原则确定毛坯尺寸在实际生产

中还需对毛坯预留修边余量最后根据具体情况

予以修正[3]

一般情况下根据久里金法则[3]计算复杂回转

体拉深件的毛坯尺寸

旋转体面积A=2πLX

毛坯面积A0=πD24式中Lmdashmdash零件的母线长度mmXmdashmdash该段母线

至轴线的距离mmDmdashmdash毛坯直径mm

图1 汽车真空助力器后壳体

15

模具工业 2016年第42卷第9期因为旋转体面积与毛坯面积相等代入数值计

算得出助力器后壳体的毛坯直径D=350 mm（含修

边余量）

（2）冲裁力计算冲裁力是指在冲裁过程中

材料对模具的最大剪切抗力在冲裁过程中冲裁

力是材料随凸模进入深度而变化的计算冲裁力是

选择压力机和设计模具的重要依据之一[4]

采用平刃口凸模的模具冲裁时冲裁力

F = ltτ 式中F mdashmdash冲裁力Nlmdashmdash冲裁件周长mmt mdashmdash材料厚度mmτ mdashmdash材料抗剪强度MPa

在实际生产中由于模具零件间隙值的波动和

不均匀刃口的磨损板料力学性能和厚度波动等

因素的影响需给出修正系数 K = 13则实际冲裁

力为

F冲=13F=13ltτasympltσb通过计算可得F冲asymp356 kN（3）压边力计算拉深所需压边力的大小与影

响坯料起皱的因素有关当压边力过大会产生破

裂风险当压边力过小则会产生起皱

回转体各次拉深的压边力（用回转形毛坯）

F压 =π4eacuteeuml

ugraveucirc

d2n - 1 - ( )dn + 2r凹

2p

式中pmdashmdash单位面积压边力MPad1d2helliphellipdnmdashmdash

拉深件直径mmr凹mdashmdash凹模圆角半径mm通过计算可得 F压asymp195 kN

（4）拉深力计算拉深力的大小作为选择压力

机压力的重要因素之一必须首先求出拉深力给

定坯料的材质直径 D 板料厚度 t 凸模直径 d 以

及凹模的圆角半径 r凹 等采用压边圈圆筒拉深时

最大拉深力为

Fmax = 3( )σb +σs ( )D - d - r凹 t

式中Fmax mdashmdash拉深力Nσb mdashmdash材料的抗拉强

度MPaσs mdashmdash材料的屈服极限MPad mdashmdash拉

深凹模直径mm通过查表代入数值计算可求得一次拉深的拉

深力为Fmaxasymp330 kN由于设计的模具均在单动压

力机上进行冲压需要满足 F gtF拉 +F压 为安全起

见选择安全系数为 13则压力机压力需满足

Fgt13（F 拉+F 压）=680 kN结合实际生产情况采用

JH21-200曲柄压力机可以满足落料拉深及成形工

序要求

3 冲压成形过程数值模拟分析

31 拉深工艺参数设置及数值模拟分析

在AutoForm软件中设置后壳体拉深试验模拟

参数材料选择12 mm厚的ST14钢板摩擦因数为

0125其中低碳深拉伸钢板ST14的硬化曲线屈

服面成形极限曲线如图4所示

（a）硬化曲线

（b）屈服面

（c）成形极限曲线

图4 钢板ST14曲线图

16

模具工业 2016年第42卷第9期后壳体冲压成形采用单动拉深模拟凸凹模

间隙 125 mm拉深力F=195 kN由于AutoForm软

件具有强大的网格自适应功能可以自动划分网

格设置单元类型为壳单元采用基于罚函数法的

接触类型[5]完成工艺参数设置后进行拉深模拟分

析分析结果如图5~图7所示

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图5 后壳体1次拉深

分析后壳体拉深成形厚度云图发现后壳体拉

深成形厚度发生显著变化在 3次拉深成形后台阶

处出现最小壁厚厚度为0816 929 mm壁厚最大位

置出现在 2次拉深凸缘处厚度为 1297 861 mm分析起皱趋势云图可以发现在2次拉深时台阶处有

最大0111 666 mm高度的起皱趋势虽然3次拉深

成形后满足设计要求但成形后壳体台阶的最小壁

厚处要求极限尺寸为上限且通过成形极限图可发

现 3次拉深成形存在破裂趋势需要根据工艺参数

对冲压成形的影响进行分析合理设置工艺补偿

以改善台阶处变薄开裂趋势

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图6 后壳体2次拉深

32 成形工艺优化设计

分析后壳体拉深成形台阶处变薄现象主要原

因是台阶处凸包成形所需材料由壳体四周向中心

提供即工艺补偿面设置在四周凸缘位置其向中

心材料补偿比较困难虽然可以通过增大凸模圆

角半径改善材料的流动性但由于台阶高度限制

17

模具工业 2016年第42卷第9期

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图7 后壳体3次拉深

增大圆角半径材料堆积过多在 3次拉深成形阶段

会造成后壳体台阶起皱综上分析通过中心向后

壳体台阶进行材料补充是最适宜的工艺补偿方法

即在一次拉深时冲制工艺补偿孔增强补偿孔周围

材料的流动性从而对台阶处进行材料补偿[6]

优化工艺路线为第1次拉深为拉深冲孔即通

过模具结构设计在 1次拉深成形后在壳体中心冲

制ϕ18 mm工艺孔在后工序拉深过程中此孔会对

台阶成形进行工艺补偿[7]利用AutoForm软件对优

化拉深成形工艺进行数值模拟 [89]如图 8~图 10所示

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图8 后壳体优化1次拉深

分析后壳体优化拉深成形工艺数值模拟厚度

云图可知在3次拉深成形后壁厚最薄处依然在台

阶处但厚度最小值为0955 969 mm可见后壳体台

阶壁厚显著增加分析起皱趋势云图可知起皱趋

势最明显处依然是在 2次拉深后台阶处但起皱高

度最大为 0087 689 mm相比原工艺有明显降低

分析成形极限图可知3次拉深成形后壳体的破裂

趋势显著降低通过测量发现工艺补偿孔扩大为

ϕ28 mm在保证中心孔成形尺寸为ϕ36 mm的前提

18

模具工业 2016年第42卷第9期

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图9 后壳体优化2次拉深

下单边4 mm的切边余量满足冲孔要求说明设置

ϕ18 mm工艺补偿孔较为合理

4 结束语

由于助力器后壳体冲压成形受制于其形状及

材料特性需进行多次拉深渐近成形通过有限元

数值模拟证实后壳体内外同时拉深的复合工艺切

实可行对模拟结果进行研究分析通过设置工艺

补偿孔对工艺进行合理优化再次进行数值模拟分

析证实优化改进方案可有效增加后壳体台阶壁厚

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图10 后壳体优化3次拉深

值经过生产实践验证后壳体内外同时拉深的复

合工艺可极大减少工序次数且有效满足成形零件

的性能要求在实际生产中取得了满意效果

参考文献

[1]柳恩芬李文惠陈思琦等真空助力器壳体应变疲劳寿

命研究[J]工程与试验2013(12)21-26[2]刘 学张心明高 帅等助力器后壳体冲压成形首次

拉深模优化设计[J]模具工业201541(7)36-41[3]肖景容姜奎华冲压工艺学[M]北京机械工业出版社

19

模具工业 2016年第42卷第9期因为旋转体面积与毛坯面积相等代入数值计

算得出助力器后壳体的毛坯直径D=350 mm（含修

边余量）

（2）冲裁力计算冲裁力是指在冲裁过程中

材料对模具的最大剪切抗力在冲裁过程中冲裁

力是材料随凸模进入深度而变化的计算冲裁力是

选择压力机和设计模具的重要依据之一[4]

采用平刃口凸模的模具冲裁时冲裁力

F = ltτ 式中F mdashmdash冲裁力Nlmdashmdash冲裁件周长mmt mdashmdash材料厚度mmτ mdashmdash材料抗剪强度MPa

在实际生产中由于模具零件间隙值的波动和

不均匀刃口的磨损板料力学性能和厚度波动等

因素的影响需给出修正系数 K = 13则实际冲裁

力为

F冲=13F=13ltτasympltσb通过计算可得F冲asymp356 kN（3）压边力计算拉深所需压边力的大小与影

响坯料起皱的因素有关当压边力过大会产生破

裂风险当压边力过小则会产生起皱

回转体各次拉深的压边力（用回转形毛坯）

F压 =π4eacuteeuml

ugraveucirc

d2n - 1 - ( )dn + 2r凹

2p

式中pmdashmdash单位面积压边力MPad1d2helliphellipdnmdashmdash

拉深件直径mmr凹mdashmdash凹模圆角半径mm通过计算可得 F压asymp195 kN

（4）拉深力计算拉深力的大小作为选择压力

机压力的重要因素之一必须首先求出拉深力给

定坯料的材质直径 D 板料厚度 t 凸模直径 d 以

及凹模的圆角半径 r凹 等采用压边圈圆筒拉深时

最大拉深力为

Fmax = 3( )σb +σs ( )D - d - r凹 t

式中Fmax mdashmdash拉深力Nσb mdashmdash材料的抗拉强

度MPaσs mdashmdash材料的屈服极限MPad mdashmdash拉

深凹模直径mm通过查表代入数值计算可求得一次拉深的拉

深力为Fmaxasymp330 kN由于设计的模具均在单动压

力机上进行冲压需要满足 F gtF拉 +F压 为安全起

见选择安全系数为 13则压力机压力需满足

Fgt13（F 拉+F 压）=680 kN结合实际生产情况采用

JH21-200曲柄压力机可以满足落料拉深及成形工

序要求

3 冲压成形过程数值模拟分析

31 拉深工艺参数设置及数值模拟分析

在AutoForm软件中设置后壳体拉深试验模拟

参数材料选择12 mm厚的ST14钢板摩擦因数为

0125其中低碳深拉伸钢板ST14的硬化曲线屈

服面成形极限曲线如图4所示

（a）硬化曲线

（b）屈服面

（c）成形极限曲线

图4 钢板ST14曲线图

16

模具工业 2016年第42卷第9期后壳体冲压成形采用单动拉深模拟凸凹模

间隙 125 mm拉深力F=195 kN由于AutoForm软

件具有强大的网格自适应功能可以自动划分网

格设置单元类型为壳单元采用基于罚函数法的

接触类型[5]完成工艺参数设置后进行拉深模拟分

析分析结果如图5~图7所示

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图5 后壳体1次拉深

分析后壳体拉深成形厚度云图发现后壳体拉

深成形厚度发生显著变化在 3次拉深成形后台阶

处出现最小壁厚厚度为0816 929 mm壁厚最大位

置出现在 2次拉深凸缘处厚度为 1297 861 mm分析起皱趋势云图可以发现在2次拉深时台阶处有

最大0111 666 mm高度的起皱趋势虽然3次拉深

成形后满足设计要求但成形后壳体台阶的最小壁

厚处要求极限尺寸为上限且通过成形极限图可发

现 3次拉深成形存在破裂趋势需要根据工艺参数

对冲压成形的影响进行分析合理设置工艺补偿

以改善台阶处变薄开裂趋势

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图6 后壳体2次拉深

32 成形工艺优化设计

分析后壳体拉深成形台阶处变薄现象主要原

因是台阶处凸包成形所需材料由壳体四周向中心

提供即工艺补偿面设置在四周凸缘位置其向中

心材料补偿比较困难虽然可以通过增大凸模圆

角半径改善材料的流动性但由于台阶高度限制

17

模具工业 2016年第42卷第9期

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图7 后壳体3次拉深

增大圆角半径材料堆积过多在 3次拉深成形阶段

会造成后壳体台阶起皱综上分析通过中心向后

壳体台阶进行材料补充是最适宜的工艺补偿方法

即在一次拉深时冲制工艺补偿孔增强补偿孔周围

材料的流动性从而对台阶处进行材料补偿[6]

优化工艺路线为第1次拉深为拉深冲孔即通

过模具结构设计在 1次拉深成形后在壳体中心冲

制ϕ18 mm工艺孔在后工序拉深过程中此孔会对

台阶成形进行工艺补偿[7]利用AutoForm软件对优

化拉深成形工艺进行数值模拟 [89]如图 8~图 10所示

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图8 后壳体优化1次拉深

分析后壳体优化拉深成形工艺数值模拟厚度

云图可知在3次拉深成形后壁厚最薄处依然在台

阶处但厚度最小值为0955 969 mm可见后壳体台

阶壁厚显著增加分析起皱趋势云图可知起皱趋

势最明显处依然是在 2次拉深后台阶处但起皱高

度最大为 0087 689 mm相比原工艺有明显降低

分析成形极限图可知3次拉深成形后壳体的破裂

趋势显著降低通过测量发现工艺补偿孔扩大为

ϕ28 mm在保证中心孔成形尺寸为ϕ36 mm的前提

18

模具工业 2016年第42卷第9期

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图9 后壳体优化2次拉深

下单边4 mm的切边余量满足冲孔要求说明设置

ϕ18 mm工艺补偿孔较为合理

4 结束语

由于助力器后壳体冲压成形受制于其形状及

材料特性需进行多次拉深渐近成形通过有限元

数值模拟证实后壳体内外同时拉深的复合工艺切

实可行对模拟结果进行研究分析通过设置工艺

补偿孔对工艺进行合理优化再次进行数值模拟分

析证实优化改进方案可有效增加后壳体台阶壁厚

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图10 后壳体优化3次拉深

值经过生产实践验证后壳体内外同时拉深的复

合工艺可极大减少工序次数且有效满足成形零件

的性能要求在实际生产中取得了满意效果

参考文献

[1]柳恩芬李文惠陈思琦等真空助力器壳体应变疲劳寿

命研究[J]工程与试验2013(12)21-26[2]刘 学张心明高 帅等助力器后壳体冲压成形首次

拉深模优化设计[J]模具工业201541(7)36-41[3]肖景容姜奎华冲压工艺学[M]北京机械工业出版社

19

模具工业 2016年第42卷第9期后壳体冲压成形采用单动拉深模拟凸凹模

间隙 125 mm拉深力F=195 kN由于AutoForm软

件具有强大的网格自适应功能可以自动划分网

格设置单元类型为壳单元采用基于罚函数法的

接触类型[5]完成工艺参数设置后进行拉深模拟分

析分析结果如图5~图7所示

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图5 后壳体1次拉深

分析后壳体拉深成形厚度云图发现后壳体拉

深成形厚度发生显著变化在 3次拉深成形后台阶

处出现最小壁厚厚度为0816 929 mm壁厚最大位

置出现在 2次拉深凸缘处厚度为 1297 861 mm分析起皱趋势云图可以发现在2次拉深时台阶处有

最大0111 666 mm高度的起皱趋势虽然3次拉深

成形后满足设计要求但成形后壳体台阶的最小壁

厚处要求极限尺寸为上限且通过成形极限图可发

现 3次拉深成形存在破裂趋势需要根据工艺参数

对冲压成形的影响进行分析合理设置工艺补偿

以改善台阶处变薄开裂趋势

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图6 后壳体2次拉深

32 成形工艺优化设计

分析后壳体拉深成形台阶处变薄现象主要原

因是台阶处凸包成形所需材料由壳体四周向中心

提供即工艺补偿面设置在四周凸缘位置其向中

心材料补偿比较困难虽然可以通过增大凸模圆

角半径改善材料的流动性但由于台阶高度限制

17

模具工业 2016年第42卷第9期

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图7 后壳体3次拉深

增大圆角半径材料堆积过多在 3次拉深成形阶段

会造成后壳体台阶起皱综上分析通过中心向后

壳体台阶进行材料补充是最适宜的工艺补偿方法

即在一次拉深时冲制工艺补偿孔增强补偿孔周围

材料的流动性从而对台阶处进行材料补偿[6]

优化工艺路线为第1次拉深为拉深冲孔即通

过模具结构设计在 1次拉深成形后在壳体中心冲

制ϕ18 mm工艺孔在后工序拉深过程中此孔会对

台阶成形进行工艺补偿[7]利用AutoForm软件对优

化拉深成形工艺进行数值模拟 [89]如图 8~图 10所示

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图8 后壳体优化1次拉深

分析后壳体优化拉深成形工艺数值模拟厚度

云图可知在3次拉深成形后壁厚最薄处依然在台

阶处但厚度最小值为0955 969 mm可见后壳体台

阶壁厚显著增加分析起皱趋势云图可知起皱趋

势最明显处依然是在 2次拉深后台阶处但起皱高

度最大为 0087 689 mm相比原工艺有明显降低

分析成形极限图可知3次拉深成形后壳体的破裂

趋势显著降低通过测量发现工艺补偿孔扩大为

ϕ28 mm在保证中心孔成形尺寸为ϕ36 mm的前提

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模具工业 2016年第42卷第9期

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图9 后壳体优化2次拉深

下单边4 mm的切边余量满足冲孔要求说明设置

ϕ18 mm工艺补偿孔较为合理

4 结束语

由于助力器后壳体冲压成形受制于其形状及

材料特性需进行多次拉深渐近成形通过有限元

数值模拟证实后壳体内外同时拉深的复合工艺切

实可行对模拟结果进行研究分析通过设置工艺

补偿孔对工艺进行合理优化再次进行数值模拟分

析证实优化改进方案可有效增加后壳体台阶壁厚

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图10 后壳体优化3次拉深

值经过生产实践验证后壳体内外同时拉深的复

合工艺可极大减少工序次数且有效满足成形零件

的性能要求在实际生产中取得了满意效果

参考文献

[1]柳恩芬李文惠陈思琦等真空助力器壳体应变疲劳寿

命研究[J]工程与试验2013(12)21-26[2]刘 学张心明高 帅等助力器后壳体冲压成形首次

拉深模优化设计[J]模具工业201541(7)36-41[3]肖景容姜奎华冲压工艺学[M]北京机械工业出版社

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模具工业 2016年第42卷第9期

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图7 后壳体3次拉深

增大圆角半径材料堆积过多在 3次拉深成形阶段

会造成后壳体台阶起皱综上分析通过中心向后

壳体台阶进行材料补充是最适宜的工艺补偿方法

即在一次拉深时冲制工艺补偿孔增强补偿孔周围

材料的流动性从而对台阶处进行材料补偿[6]

优化工艺路线为第1次拉深为拉深冲孔即通

过模具结构设计在 1次拉深成形后在壳体中心冲

制ϕ18 mm工艺孔在后工序拉深过程中此孔会对

台阶成形进行工艺补偿[7]利用AutoForm软件对优

化拉深成形工艺进行数值模拟 [89]如图 8~图 10所示

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图8 后壳体优化1次拉深

分析后壳体优化拉深成形工艺数值模拟厚度

云图可知在3次拉深成形后壁厚最薄处依然在台

阶处但厚度最小值为0955 969 mm可见后壳体台

阶壁厚显著增加分析起皱趋势云图可知起皱趋

势最明显处依然是在 2次拉深后台阶处但起皱高

度最大为 0087 689 mm相比原工艺有明显降低

分析成形极限图可知3次拉深成形后壳体的破裂

趋势显著降低通过测量发现工艺补偿孔扩大为

ϕ28 mm在保证中心孔成形尺寸为ϕ36 mm的前提

18

模具工业 2016年第42卷第9期

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图9 后壳体优化2次拉深

下单边4 mm的切边余量满足冲孔要求说明设置

ϕ18 mm工艺补偿孔较为合理

4 结束语

由于助力器后壳体冲压成形受制于其形状及

材料特性需进行多次拉深渐近成形通过有限元

数值模拟证实后壳体内外同时拉深的复合工艺切

实可行对模拟结果进行研究分析通过设置工艺

补偿孔对工艺进行合理优化再次进行数值模拟分

析证实优化改进方案可有效增加后壳体台阶壁厚

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图10 后壳体优化3次拉深

值经过生产实践验证后壳体内外同时拉深的复

合工艺可极大减少工序次数且有效满足成形零件

的性能要求在实际生产中取得了满意效果

参考文献

[1]柳恩芬李文惠陈思琦等真空助力器壳体应变疲劳寿

命研究[J]工程与试验2013(12)21-26[2]刘 学张心明高 帅等助力器后壳体冲压成形首次

拉深模优化设计[J]模具工业201541(7)36-41[3]肖景容姜奎华冲压工艺学[M]北京机械工业出版社

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模具工业 2016年第42卷第9期

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图9 后壳体优化2次拉深

下单边4 mm的切边余量满足冲孔要求说明设置

ϕ18 mm工艺补偿孔较为合理

4 结束语

由于助力器后壳体冲压成形受制于其形状及

材料特性需进行多次拉深渐近成形通过有限元

数值模拟证实后壳体内外同时拉深的复合工艺切

实可行对模拟结果进行研究分析通过设置工艺

补偿孔对工艺进行合理优化再次进行数值模拟分

析证实优化改进方案可有效增加后壳体台阶壁厚

（a）成形极限图

（b）厚度云图

（c）起皱趋势云图

图10 后壳体优化3次拉深

值经过生产实践验证后壳体内外同时拉深的复

合工艺可极大减少工序次数且有效满足成形零件

的性能要求在实际生产中取得了满意效果

参考文献

[1]柳恩芬李文惠陈思琦等真空助力器壳体应变疲劳寿

命研究[J]工程与试验2013(12)21-26[2]刘 学张心明高 帅等助力器后壳体冲压成形首次

拉深模优化设计[J]模具工业201541(7)36-41[3]肖景容姜奎华冲压工艺学[M]北京机械工业出版社

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