圓筒件翻孔成形模擬分析及驗證
汽車尾氣後處理製件的封裝材料一般為不鏽鋼鈑金件，為對商用車筒式後處理製件的工藝進行改進及結構優化，需要對筒式製件進氣口翻孔形狀進行改善。
而圓筒件進氣口翻孔前的開料輪廓直接影響其翻孔後的形狀，採用常規的方法難以確定圓筒件翻孔前的開料輪廓，也不能保證其翻孔後的形狀。
DYNAFORM軟體可以對板料成形進行模擬模擬，預測板料在成形過程中的開裂、起皺、減薄、回彈等缺陷，評估板料成形的可行性，同時減少製件的開發成本和縮短開發周期。
現結合UG和DYNAFORM軟體對圓筒件進氣口翻孔進行模擬分析並對其進行生產驗證。
優化前後對比
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進氣口翻孔改進前後結構對比
圖1所示為圓筒件進氣口改進前結構，其中製件的翻孔高度一致，使進氣口翻孔後孔端面出現一定的空間圓弧。
圖1 圓筒件進氣口改進前結構
圖2 圓筒件進氣口改進後結構
圖2所示為圓筒件進氣口改進後結構，改進後翻孔高度不一致，但是其翻孔後的孔端面形成一個平面，且和進氣口的軸線相垂直，為後序減少焊接工序做準備，可提升焊接效率，降低製造成本。
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筒式進氣端焊接工序對比
一般商用車筒式排氣系統的進氣端主要由進氣圓形法蘭、進氣管、進氣孔管（消聲管）、圓形筒體、端蓋等組成。
（a）焊前
（b）焊後
圖3 改進前筒式排氣系統進氣端焊前和焊後結構
圖3所示為改進前筒式排氣系統進氣端焊前和焊後的結構；該結構的進氣端除了進氣圓形法蘭與進氣管之間的焊縫外，還有另外2條焊縫，分別是進氣管與進氣孔管（消聲管）之間的焊縫，進氣孔管（消聲管）與圓形筒體翻孔進氣口之間的焊縫，焊縫多，焊接效率低。
（a）焊前
（b）焊後
圖4 改進後的筒式排氣系統進氣端焊前和焊後的結構
圖4所示為改進後的筒式排氣系統進氣端焊前和焊後的結構；該結構的進氣端除了進氣圓形法蘭與進氣管之間的焊縫外，還有另1條焊縫（為進氣管、進氣孔管（消聲管）、圓形筒體翻孔進氣口三者共同焊接的焊縫）。
圓形筒體翻孔結構優化後，可以使圓筒件進氣口翻孔的端面和進氣孔管（消聲管）端面有1mm的高度差。保證焊接質量的同時，用1條焊縫就可以將進氣管、進氣孔管（消聲器）以及筒體翻孔進氣口進行焊接固定。
表1所示為以常用進氣管徑為?93mm的圓筒件為例，對圓筒進氣口翻孔結構改進前、後的進氣端焊接工序進行對比；改進後的結構不僅減少了1條焊縫，還節省了焊絲用量、縮短了生產時間，降低了生產成本。
註：①表中焊縫數量包含進氣圓形法蘭與進氣管之間的焊縫；②表中工業機器人MIG焊接速度為13.3mm/s；③表中每條焊縫的焊絲用量=焊道理論長度+10mm（焊縫重合長度）。
工藝分析及開料輪廓確定
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結構及工藝性分析
該圓筒件材料為SUS436不鏽鋼板材，厚度為1.5mm，其成形工序如表2所示，圓筒件側面進氣口翻孔後的結構為改進後的結構，如圖5所示。
圖5 圓筒件三維模型
其中OP10板材下料和OP50進氣口翻孔是成形方案的技術難點，進氣口的開料輪廓在OP10中進行，且進氣口開料輪廓直接關係到最後OP50翻孔的成形質量。而翻孔過程中又以切向拉深為主，理論上越靠近孔口處，板料的減薄越嚴重，為了保證進氣口的翻孔結構形狀以及翻孔後的強度，需要嚴格控制這2個關鍵工序。
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進氣口翻孔前開料輪廓確定
改進進氣口翻孔成形後，孔的端面為一個平面，理論上筒體進氣口的開料輪廓是近似橢圓的不規則輪廓。
圖6 毛坯孔的形狀確定流程圖
現採用UG對圓形筒體的三維模型進行前期處理，再將其導入DYNAFORM中，進行進氣口迭代式展開計算以及翻孔成形模擬，如圖6所示，最後得出進氣口開料輪廓，如圖7所示。
圖7 筒體進氣口開料輪廓
毛坯孔的形狀是通過DYNAFORM軟體先對圓形筒體進行模型網格劃分，然後將圓形筒體展平，得到圓形筒體進氣口展平形狀。以進氣口展平形狀作為圓形筒體的進氣口開料輪廓輸入，在DYNAFROM中設置凹模、凸模、壓板料和工藝參數，進行圓形筒體進氣口的翻孔成形模擬，然後將模擬後的翻孔結果與三維數模進行對比，根據對比結果自動更新圓形筒體的進氣口開料輪廓；再次進行翻孔成形模擬，並與數模進行對比；以此迭代式的更新計算直到圓形筒體進氣口翻孔後的模擬結果與三維數模對比的結果在設置的公差內（見圖6）。
模擬計算及驗證
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翻孔模及坯料的建立
圖8 翻孔模及坯料定義
利用UG對翻孔模、坯料進行建模，導入DYNAFORM軟體中，對其進行相應的網格劃分、坯料定義、工具定義、設置運動曲線、受力載荷曲線等相關的參數，完成模擬計算的前處理。定義完成的模具及坯料如圖8所示。
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模擬計算
前處理後，提交計算機進行計算，經計算得出相應的計算結果。
此圓筒件進氣口的成形可行性判斷主要有：①成形極限圖；②板材的減薄程度。成形極限圖主要是針對製件在成形過程中是否出現開裂、起皺等缺陷進行預測，減薄程度主要是針對零件成形後，對板材的厚度變化進行預測，鈑金件的板材減薄率＜20%，增厚率＜5%為合格。
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翻孔成形可行性
圖9 進氣口翻孔成形極限圖
圖9所示為圓筒件進氣口的成形極限圖（FLD）。由圖9可知，進氣口部位主體區域處於安全區，表明該圓筒件的進氣口翻孔成形可行。
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成形後板材厚度變化
圖10 進氣口翻孔厚度變化雲圖
圖10所示為圓筒件進氣口成形後的板材厚度變化雲圖。由圖10可知，該圓筒件進氣口翻邊後最薄的部分預測厚度為1.27mm。經計算，圓筒件進氣口翻孔後的模擬減薄率約為15.3%，故該圓筒件進氣口翻孔厚度合格。
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試驗驗證
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成形可行性驗證
圖11 改進後進氣口翻孔效果
圖11所示為實際生產的圓筒件進氣口翻孔製件，製件外表面無開裂、起皺等成形缺陷，且翻孔後的孔端面形成一個平面。對進氣口翻孔外形尺寸進行檢測，結果如表3所示，由表3可知，圓筒件進氣口翻孔外形尺寸合格。
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減薄率驗證
圖12所示為圓筒件進氣口翻孔後的切片圖，其內部的整個輪廓的厚度分布均勻，且翻孔後的頂部板材沒有發生明顯的減薄現象。
圖12 進氣口翻孔切片
在頂部取6個點進行厚度檢測，其結果如表4所示，計算得出進氣口翻孔頂部的實際板材減薄率約為16.3%<20%，符合板材減薄率要求，該圓筒件進氣口翻孔的板材減薄率合格。
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