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摘要：使用UG三維CAD軟件對汽車覆蓋件零件進(jìn)行三維建模，并轉(zhuǎn)換到DYNAFORM中建立了零件的有限元模型；通過模擬計(jì)算分析，討論了拉延筋幾何參數(shù)、坯料尺寸、壓邊力、材料參數(shù)等多種因素對零件成形的影響，解決了模具設(shè)計(jì)、沖壓工藝和選材問題。
關(guān)鍵詞：沖壓成形，數(shù)值模擬，拉延筋，壓邊力，材料參數(shù)

1 引言

汽車覆蓋件因?yàn)槠洫?dú)特的特點(diǎn)決定了汽車整車開發(fā)周期，成形模具設(shè)計(jì)制造依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試模的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足市場發(fā)展的要求了。CAD/CAE/CAM一體化系統(tǒng)已經(jīng)成為國內(nèi)外汽車公司設(shè)計(jì)和制造新產(chǎn)品制勝的法寶，這一技術(shù)的采用，保守估計(jì)，可以使模具設(shè)計(jì)與制造周期縮短2/5，模具生產(chǎn)成本降低1/3，進(jìn)而大大降低整車成本，增強(qiáng)市場的競爭力[1]。目前板材成形有限元仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車和鋼鐵工業(yè)等諸多領(lǐng)域，為模具設(shè)計(jì)、沖壓工藝的制定、沖壓零件的科學(xué)選材等起到了積極作用。

本文采用顯式動(dòng)力有限元軟件DYNAFORM對汽車側(cè)圍外板進(jìn)行有限元分析，對拉延筋幾何參數(shù)、坯料尺寸、沖壓工藝、材料參數(shù)（值）等多種因素對成形的影響進(jìn)行了研究分析，為該零件確定了最佳的成形方案。采用ASAME應(yīng)變分析方法對實(shí)際零件進(jìn)行測試，與模擬結(jié)果進(jìn)行比較。

2 研究方法

2.1 三維幾何模型及有限元模型建立

在復(fù)雜型面的板料沖壓仿真分析過程中，幾何模型建立的工作量占總的模擬過程工作量的很大比例，并且?guī)缀文Ｐ徒�立的質(zhì)量直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度。側(cè)圍外板零件尺寸較大，幾何型面非常復(fù)雜，多為復(fù)雜的空間自由曲面，無法用解析形式表述，只能用參數(shù)曲面來表示。eta／DYNAFORM的前處理功能根本不能滿足建模的需要，所以使用大型三維造型軟件UG進(jìn)行幾何模型的建立，如圖1所示即為UG建立的幾何模型。在建立幾何模型時(shí)，要同時(shí)考慮沖壓方向，工藝補(bǔ)充面及壓料面的添加。

圖1 UG建立的零件模型

當(dāng)精確的CAD模型建立之后，通過專用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口如IGES、VDA等，將曲面模型轉(zhuǎn)入eta/DYANFORM前處理器中進(jìn)行曲面網(wǎng)格的劃分，采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分法，將單元?jiǎng)澐譃樗倪呅尉W(wǎng)格。模具單元定義為剛性殼單元，模具間隙=1.1t0（t0為原始板厚），建立起來的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。凸模與板料的靜摩擦系數(shù)μ1=0.15，動(dòng)摩擦系數(shù)μ2=0.04。凸模和壓邊圈運(yùn)動(dòng)速度設(shè)為2000mm/s，凸模和壓邊圈同時(shí)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)壓邊圈接觸板料后，停止運(yùn)動(dòng)，并施加一定的壓邊力，凸模繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，直至零件完全成形。在定義好模具各部分的運(yùn)動(dòng)和邊界條件后就可以調(diào)用計(jì)算模塊進(jìn)行分析計(jì)算。

圖2 模具和板料的有限元模型

由于該零件是大型覆蓋件，零件的曲面形狀較復(fù)雜，各部位的沖壓深度不同，因此，可造成板料變形流動(dòng)不均勻。為了更好地控制板料流動(dòng)，使板料變形流動(dòng)均勻，作者在凹模上建立了等效拉延筋。分別設(shè)置了兩條拉延筋，即拉延筋A(yù)和拉延筋B，如圖3所示。采用梯形筋的方式輸入各參數(shù)，如圖4所示。

圖3 拉延筋位置設(shè)置

圖4 拉延筋截面形狀

2.2 材料模型及性能參數(shù)選取

由于冷軋鋼板都具有明顯的各向異性，根據(jù)Hill各向異性彈塑性模型的屈服準(zhǔn)則，選擇DYNAFORM中可以設(shè)置各向異性參數(shù)的36號三參數(shù)彈塑性材料模型[2]，其等效應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[1、2]：

式中, σ為等效應(yīng)力,輸入?yún)��?shù)有：彈性模量E=2.07×10⁵MPa，泊松比ν=0.3，強(qiáng)度系數(shù)K，硬化指數(shù)n，三個(gè)方向的塑性應(yīng)變比r0、r45、r90，初始屈服應(yīng)力的應(yīng)變?chǔ)?，RP0.2。本文所使用的材料性能參數(shù)見表1所示。

表1 材料性能參數(shù)

2.3 模擬分析方案的設(shè)置

由于沖壓過程的影響因素較復(fù)雜，筆者重點(diǎn)考慮了拉延筋幾何參數(shù)、坯料尺寸、壓邊力、材料參數(shù)（值）等多種因素對計(jì)算結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)了四水平四因素的計(jì)算方案，見表2、表3。

表2 拉延筋幾何參數(shù)計(jì)算方案

表3 各影響因素的計(jì)算方案

3 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 拉延筋幾何參數(shù)對拉延阻力的影響

對于大型復(fù)雜形狀零件的沖壓成形，為了保證尺寸、形狀精度及足夠的剛性要求一般采用對毛坯施加適當(dāng)?shù)母郊永�力的成形方法，以增加板料中的拉�?yīng)力、控制材料的流動(dòng)、避免起皺，拉延筋是實(shí)現(xiàn)這種要求的有效手段。通過設(shè)置拉延筋，①能方便有效地實(shí)現(xiàn)對材料流動(dòng)的控制。②增加進(jìn)料阻力，使拉深部位的坯料承受足夠的拉應(yīng)力，提高拉深件的剛度和減少由于回彈而產(chǎn)生的扭曲、松弛、波紋及收縮等缺陷；③靠壓料面和拉延筋來控制各處的壓邊力，可以擴(kuò)大壓邊力的調(diào)節(jié)范圍；④降低對壓料面制造精度的要求。同時(shí)，由于拉延筋的存在增加了壓邊圈與凹模壓料面間的間隙，使壓料面的磨損減少，從而提高了它的使用壽命。通過模擬分析，找出各參數(shù)與拉延阻力之間的關(guān)系，各參數(shù)對拉延阻力的影響見圖5，從圖中可以看出隨著筋高h(yuǎn)的增大，拉延阻力增大，隨著筋寬b的增大，拉延抗力減小。拉延筋各幾何參數(shù)中對拉延阻力影響最大的是圓角R2，然后依次是圓角R1，筋高h(yuǎn)，筋寬b。并且圓角R2對拉延阻力的影響是幾倍甚至十幾倍，所以如果想在大范圍內(nèi)調(diào)整拉延阻力，就可以通過調(diào)整圓角R2的大小來實(shí)現(xiàn)。筋寬b對拉延阻力的影響最小，并且對拉延阻力的影響不大，如果要在小范圍內(nèi)調(diào)整拉延阻力的大小，可以通過調(diào)整這個(gè)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

圖5 拉延筋幾何參數(shù)對拉延阻力的影響

根據(jù)試算的結(jié)果和板料的流動(dòng)規(guī)律，最終確定等效拉延筋阻力為：拉延筋A(yù)的拉延阻力為50.3N/mm，拉延筋B的拉延阻力為104.4N/mm。本文的模擬分析均為該條件的拉延筋阻力。

3.2 板料毛坯形狀的優(yōu)化及對成形的影響

在覆蓋件成形過程中，坯料的形狀和尺寸對成形影響非常大，合理的毛坯形狀對拉延成形工藝具有重要意義。圖6為板料毛坯優(yōu)化之前的模擬結(jié)果，從圖中可以看到，在1、2號部位零件已經(jīng)開裂，此處是局部壓制深度較大的鼓包，材料由于難以得到其他部位材料的補(bǔ)充而容易破裂。解決這一問題的有效辦法就是在坯料的適當(dāng)部位開工藝切口，使易于破裂的區(qū)域能夠從相鄰的其它部位得到材料補(bǔ)充。3號部位板料多余部分太多，不利于材料流動(dòng)，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p除。

圖6 板料毛坯優(yōu)化之前模擬結(jié)果

圖7為優(yōu)化后的毛坯形狀，其中1、2為兩個(gè)工藝切口位置。圖8是優(yōu)化后的板料模擬結(jié)果，從圖8-b的FLD中可以看出，開兩個(gè)工藝切口板料流動(dòng)順利，沒有再出現(xiàn)開裂。

圖7 優(yōu)化后的板料毛坯

圖8 優(yōu)化板料后的模擬結(jié)果

3.3 壓邊力的優(yōu)化

不改變其他工藝參數(shù)以及板料性能參數(shù)，分別設(shè)置壓邊力為100KN、140KN、180KN、220KN進(jìn)行數(shù)值模擬，圖9和圖10是壓邊力對板料成形的厚度減薄率、成形力的影響�？梢钥闯�,隨著壓邊力的增大，板料厚度的減薄率增大。隨著壓邊力的增大，成形力逐漸減小。綜合幾個(gè)參數(shù)，認(rèn)為在此工藝參數(shù)條件下，壓邊力為180KN時(shí)比較適合成形。

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