拉延筋的设置对某型汽车横梁拉延成形质量影响的研究熊文韬，谢三山，黄兆飞，刘剑

（成都工业学院 材料工程学院，四川 成都 611730）摘要：汽车覆盖件拉延成形过程中，起皱、破裂、充形不全等质量缺陷不仅会影响零件尺寸精度，而且对零件外形美观也会造成极大的影响，在实际生产中是绝不允许的，而拉延筋的合理布置与设置对板料的成形质量中起到了十分重要的作用。基于此，本文以某些汽车横梁为研究对象，搭乘非线性有限元分析软件 Dynaform，详细地分析了拉延筋的布置方式以及拉延筋拉延阻力的合理设置对某型汽车横梁拉延成形质量的影响。最终，结合零件自身结构特点，通过利用变拉延阻力方法解决了该零件起皱与充形不全的问题。为同类零件解决起皱与充形不全问题提供了一种较新的解决思路。关键词：汽车横梁；冲压成形；拉延筋；起皱；充形不全

中图分类号：TG386 文献标志码：B

Study on the Effect of Drawing Bar Setting on Drawing Forming Quality of a Automobile Cross BeamXiong wentao, Xie Sanshan, Huang Zhaofei, Liu Jian

(School of Materials Engineering, Chengdu Technological University 611730)

Abstract: In the drawing process of automobile covering parts, wrinkling, cracking, incomplete filling would not only affect the dimensional accuracy of the parts, but also had a great impact on the appearance of the parts. It is absolutely not allowed in the actual production, and the reasonable arrangement and setting of drawing ribs played an important role in the drawing process of sheet metal. Based on this, this paper took a automobile beam as the research object and takes the non-linear finite element analysis software Dynaform to analyze and study in detail the layout of drawing beams and the effect of reasonable setting of drawing resistance of drawing beams on the forming quality of certain automobile beams. According to the structural characteristics of the parts, wrinkling and filling defects could be greatly reduced by using the variable drawing resistance method. It provided a new solution for similar parts to solve wrinkling and incomplete filling of stamping parts.

Key words：Automobile Crossbeam Part; Drawing forming；Drawing Bar；wrinkling；Incomplete filling 汽车覆盖件拉延成形属于一种复杂的弹塑性、

大变形力学过程，具有高度的几何非线性、材料非线性、边界非线性等特点[1]。

汽车覆盖件在成形过程中主要有破裂、起皱、回弹以及充形不全等质量缺陷。其中，板料的充形不全会直接影响零件的成形精度，甚至使得零件无法满足基本的装配要求[2]。

为了改善板料充形效果，通常会在凹模口设置不同的拉延筋，改变板坯在凹模口部受到的拉深阻力分布形式，即在对应于板坯流动速度大的区域设

置大拉深阻力的拉深筋，在板坯流动速度小的位置设置小拉延阻力的拉深筋，从而平衡板坯在凹模口部的流动速度差异，提高零件成形质量。1.模型建立与工艺设计

1.1三维模型与材料选用如图 1 所示为汽车横梁的三维数模，板料厚度

为 1.2mm。根据实际生产要求，该零件材料选用DC01 型冷轧钢板，如表 1 所示为选用材料的力学性能。

图 1 汽车横梁三维模型表 1 DC01 材料性能参数

Tab.1 Mechanical properties of materials of DC01

杨氏模量/Gpa

屈服强度/Mpa

抗拉强度/Mpa

伸长率/%

207 211.4 ≥270 ≥34

1.2工艺补充面设计概述工艺补充设计的目的在于使得在冲压成形后，

所得在制品符合设计需求而在原有零件基础上添加

的起到特定作用的工艺结构，由于这部分并非成形后产品实际结果。在后续的修边、冲孔工序中将去除。通过大量研究结论表明，能否合理地进行工艺补充设计不仅对于制品的成形质量至关重要的影响，对于后序的修边、冲孔、整形以及翻边等工序均有

很大的影响[3]。利用 UG NX 三维造型软件与有限元分析软件

Dynaform 对汽车横梁进行工艺补充面设计，如图 2所示，为完成工艺补充面设计后的三维模型。

图 2 工艺补充后的凹模三维模型2 基于 Dynaform 的汽车横梁拉延成形分析将三维模型结果导入至 Dynaform 有限元软件

中以构建有限元模型。本文研究对象在拉延成形过程主要涉及拉延成形和冲孔修边两大工序，如图 3所示为包含两道工序的有限元模型。

图 3 汽车横梁有限元模型1、参数设置依据经验公式压边力 F 根据经验公式计算得出

为 670KN；冲压速度在有限元分析时，通常需要对实际冲压速度放大若干倍来进行仿真分析，冲压速度值取 2000mm/s ； 模 具间隙取值为 板 厚 的10%~15%时，板料的成形较果最佳 [4]。故取值为1.21mm；摩擦系数在 Dynaform 软件中一般用于模拟板料在冲压过程中拉延油的作用。参照实际生产需要取值为 0.120。

利用 Dynaform 有限元软件对未设置拉延筋的情况进行有限元数值模拟，逐一完成拉延、修边两大工序，如图 4 所示为无拉延筋情况下的拉延成形极限图。

由图 4可知，本文研究对象在未设置拉延筋时出现如下缺陷：

A 区域：此处出现大面积的拉深未充分，因为在于在没有拉延筋的作用时，模具和材料之间的摩擦力不足以满足材料塑性变形和塑性流动的要求；

B 区域：该区域出现了较明显的起皱现象，较严重地影响了产品的质量。由于该起皱区域受外拉力作用，并且起皱沿一个区域扩充，因此，此处是因拉应力导致的严重起皱。

图 4 汽车横梁拉延成形极限图通过如上分析，本文研究对象的塑性成形过程

所须要的沿周边分布的拉力不足以保证板料的塑性变形。因此，须要压边圈上设置能够提供更大阻力

的拉延筋，以满足板料塑性成形的要求。3 拉延筋对汽车横梁成形质量的影响

目前，利用有限元分析软件进行板料成形数值模拟中，有两种较为普遍的拉延筋模拟方式：

（1）利用三维软件建立真实的拉延筋几何模型，在数值模拟中更直观地反映板料承受弯曲变形，但是导入 Dynaform 软件后，拉延筋部分不仅需要重新划分网格而且需要重新定义凸模、压边圈结构，无疑会增大计算量，提高时间成本。

（2）借助有限元软件自带模块用一条等效拉延筋线来代替完整拉延筋几何形状。等效拉延阻力模型选取著名的 Weidemann 拉延阻力模型，该模型将板料通过生成的拉延筋中心线，然后选择拉延

筋的截面形状和设置拉延筋的几何参数来生成相应的拉延筋阻力值，在加载时把生成的拉延筋阻力曲线加载到生成的拉延筋中心线上[5]。

本文采用等效拉延筋的方式，通过合理布置拉延筋的分布情况以及调整拉延阻力值的大小来优化本文研究对象出现拉延不充分与起皱的质量缺陷。

3.1 拉延筋布置对成形质量的影响由于在板料的拉延成形过程中，拉延筋合理布

置不仅可以能够提供更大阻力的拉延阻力，满足板料塑性成形的要求；还可以有效地抑制破裂、起皱、拉延补充分等质量缺陷[6]。

(1) 试验方案拟定为了确定最优的拉延筋布置方案，设置如下图

所示的三种拉延筋的布置方式：

图 5 直线型拉延筋布置方式

图 6 直线大圆弧型拉延筋布置方式

图 7 周向型拉延筋布置方式(2) 不同拉延筋布置方式下的拉延成形分析按照图 5-图 7 的三种不同的拉延筋布置方式，

对某型汽车横梁件，分别进行拉延成形分析。1）直线型拉延筋布置方式如图 8 所示为采用直线型的拉延筋布置方式，

成形质量，由该图可知如下缺陷：A 区域：该区域出现了大面积的未充分拉深区

域。其主要原因为直边区域金属进入凹模相对较慢，未充分变形所致；

B、C 区域：该区域出现了明显起皱现象。其

主要原因在于上下两侧已完全成形，中间区域由于拉延阻力较低，而出现受压失稳而导致的起皱。

图 8 直线型拉延筋布置方式成形极限图2）直线大圆弧型拉延筋布置方式如图 9 所示，为采用直线大圆弧型拉延筋布置

方式所得成形极限图图。由该图可知，成形质量相对于直线型（如图 8 所示）有一定改善，未在 C 区域出现起皱现象。但A 区域与 B 区域仍分别出现了未充分拉深与起皱，主要原因仍为拉延阻力过低。

图 9 直线大圆弧型拉延筋布置方式成形极限图3）周向型拉延筋布置方式如图 10 所示，为采用周向型拉延筋布置方式

所得成形极限图。由该图可知，成形质量直线型大圆弧型基本一致（如图 9 所示）。

图 10 周向型拉延筋布置方式成形极限图通过以上分析可得如下两个结论：(1) 针对本案例，虽然三种布置方式所得成形

结果均不满足实际生产需要，但是，采用周向型与直线大圆弧型的拉延筋布置方式成形结果优于直线

型拉延筋布置方式；(2) 针对本案例，周向型与直线大圆弧拉延布

置分析，成形质量基本一致，但是有周向型布置方式相对于直线大圆弧型布置方式更为繁琐。因此，本文采用直线大圆弧型拉延筋布置方式。3.2 拉延筋阻力大小对成形质量的影响(1) 拉延阻力等值设置方式通过以上分析，选用直线大圆弧型拉延筋布置

方式（如图 6 所示），对其中的 4条拉延筋的拉延阻 力均分别设 置 为 500N/mm ；600N/mm ；700N/mm；800N/mm，然后逐一进行拉延成形分析。试验结果如下图所示：

图 11 拉延阻力为 500N/mm 成形极限图

图 12 拉延阻力为 600N/mm 成形极限图如图 11 与图 12 中 A 区域所示，相对于优化前，

充形面积不断增加，只有较少区域出现成形不全的质量问题。如图 11 与图 12 中 B 区域所示，随着拉延阻力的不断提升，起皱问题也得以明显改善。但是，仍未达到企业生产标准，故进一步提升拉延阻力值。

如图 13 所示，将直线大圆弧型拉延筋布置方式，将拉延阻力提升至 700N/mm时，相对于图 9、图 11 以及图 12 所示的成形极限图，成形质量有了极大的改进，仅有极少部分出现了成形不全的现象（如图 13 中 A 区域）。但是，如图 13 中 C 区域所示，此区域已出现了破裂的风险，说明如果在进一步增大拉延阻力，该研究对象有可能发生破裂。

图 13 拉延阻力为 700N/mm 成形极限图

图 14 拉延阻力为 800N/mm 成形极限图如图 14 所示，当拉延阻力值提升至 800N/mm

时，该汽车横梁已经发生了明显的破裂缺陷，在实

际生产中这是绝对不允许出现的。(2) 变拉延阻力设置方式通过对比图 13 与图 14可知，如果采用拉延阻

力为 700N/mm 的设置方式，型面中仍有少部分区域存在 成 形 不 全 的 问 题 。 如 果 延 用 拉 延 阻 力 为800N/mm 的设置方式，型面将出现明显破裂缺陷。

基于上述分析，结合本零件自身结构特性，采用变拉延阻力设置方式，进行拉延阻力参数设定。亦即在不同部位设置不同大小的拉延阻力值，在保证该零件不出现破裂问题的前提下，尽可能的保证充形完整。

图 15 汽车横梁成形区域划分如图 15 所示，为参照图 14 中的破裂区域（C

区域）与图 13 中充形不全区域（A 区域），将该零件进行成形区域进行划分。

图 16 变拉延阻力拉延筋设置方式如图 15 所示，I 区域仅出现了破裂风险，但如

图 13 中 A 所指，存在小面积成形不全，故在此区域将拉延阻力设置为 750N/mm；II、III 区域为破裂区域，参照图 13 拉延阻力设置方式，将此处拉延阻力设置为 700N/mm；III 区域出现轻微破裂，并且在图 13 中对应位置出现了小部分成形不全，故此处设置为 750N/mm；IV 区域，一半出现破裂，另一半成形效果良好，故此处设置为 700N/mm；如图 15 所示，V、VII 区域成形质量较好，为保证不出现成形不全，设置为 800N/mm；VI 区域出现破裂缺陷，参照图 13 设置方式，在此处设置为750N/mm。综上，可得如图 16 所示的拉延筋阻力布置方

式。利用 Dynaform 软件进行拉延成形分析。由图

17可知，该零件在采用变拉延筋阻力设置后，成形质量得到较大提升。没有出现破裂，起皱、成形不全等质量缺陷。达到了企业生产要求。

图 17 采用变拉延阻力设置方式的成形极限图

4 结论(1) 本文研究对象在无拉延筋的作用下，仅靠

压边力很难保证零件完整充形，故须要引入合理的拉延筋布置方式与合理的拉延筋阻力设置保证完整充形；

(2) 通过对比发现，采用直线大圆弧型拉延筋布置方式，在其他条件一致的情况下，成形效果最佳；

(3) 针对本文研究对象，随着拉延阻力不断增加，可明显改善成形质量，较大程度上减小起皱现象与充形不全缺陷。但是，随着阻力的不断上升，零件出现破裂的风险也随之增加，故结合零件自身特点通过设置变阻力拉延筋可有效解决该零件破裂与充形不全两大质量缺陷。

5 参考文献[1] 阳春启,杨旭静.基于不等截面拉延筋的冲压工艺

及回弹控制[J].湖南大学学报(自然科学版),2010,37(10):21-39．

[2] 熊文韬.基于 GS 理论与神经网络的汽车覆盖件成形优化[硕士毕业论文].昆明：昆明理工大学,2017:1-2.

[3] 熊文韬,刘泓滨,孙元贵,等. 基于 Dynaform 的汽车左后侧围外板起皱问题的分析与解决[J].模具工业,2017,43(05):25.

[4] OH S I. Finite element analysis of metal forming problem with arbitrarily shaped dies. International Journal of Mechanical Science.1982,24:479-493

[5] 谢延敏, 王新宝,等.基于灰色理论和 GA-BP 的拉延筋参数反求.机械工程学报.2013.49(4):45

[6] 王晓红 . 汽 车 覆 盖 件 拉 深 工 艺 研 究 . 模 具 工业,2012,38(2):41-42

附录：1、作者信息：第一作者（通讯作者）：熊文韬（1991-）男，四川成都人，助教，硕士，主要从事金属板料塑性成形数值模拟与优化研究，已在国内外知名刊物上发表学术论文 9篇；电话：13881785783；E-mail：417180627@qq.com

四川省成都市郫都区，成都市郫都区中信大道二段1 号 ， 成 都 工 业 学 院 ， 材 料 工 程 学 院 ，邮编

650500。2、基金项目支撑：

四 川 省 教 育 厅 重 点 项 目 （ 项 目 编 号 ：18ZA0016）