王 暉 劉軍輝

（河源職業(yè)技術學院機電工程學院，廣東河源 517000）

汽車覆蓋件為利用沖壓方法生產的一類薄壁零件，其產品一般具有整體尺寸大、材料薄和空間曲面結構復雜等特點，它的沖壓成形技術是汽車行業(yè)的重要技術之一，直接關系到汽車產品的質量、外觀和生產成本，并對縮短汽車產品的開發(fā)周期有重要作用［1］。汽車側翼廂門（汽車側門）就是一種典型的較大類型的鈑金覆蓋件產品。如圖1所示，研究對象為某車型的側門，該產品特點為:其表面拉深深度較小且整體曲面較為光順，是一個變曲率的薄板沖件;由于產品屬于汽車外觀件，沖件產品表面不允許存在擦傷、壓印和起皺等現象;同時考慮到汽車側門的強度，需要控制鈑金的最大變薄程度。

結合產品的結構要求與表面特征，汽車側門面板在沖壓成形過程中，其板料各處均存在非常復雜的應力、應變分布?？梢哉f，產品的沖壓成形過程，是一個集幾何非線性、材料非線性、接觸非線性為一體的強非線性問題，由于在變形過程中物體的形狀不斷改變，因此需要考慮變化中物體的平衡方程及其線彈性和塑性變形等幾何非線性問題［2］。按照傳統(tǒng)的生產方法，在進行汽車覆蓋件成形時，基本是利用“經驗”+“反復試?！钡哪Ｊ絹碓O計沖壓模具，倘若設計師的經驗不夠，造成初始設計偏離太多，將直接導致整個沖壓工程失敗，迫使重新設計與加工模具。我們可以認為，對一個鈑金覆蓋件的成形進行定量分析，從而指導模具生產，由人工進行理論方程式計算是非常困難的。隨著非線性有限元技術在金屬塑性成形領域的發(fā)展，數值模擬技術已成為復雜沖壓件成形分析的關鍵技術與手段。如業(yè)界廣泛運用的有限元仿真軟件Dynaform，可在產品初始設計階段進行坯料的形狀和尺寸計算、沖壓模面的設計和產品的可成形性分析及工藝優(yōu)化，在模具制造之前對產品的成形質量可以起到很好的預判作用。

本文利用Dynaform對汽車側門外板進行成形仿真分析，通過對比原來的模具設計方案出現的成形缺陷，提出了優(yōu)化設計方案，成功地解決了汽車側門的起皺與拉裂問題。

1 材料與設計參數設置

沖壓材料采取拉深鋼ST16，在Dynaform中選擇相應的T36號材料模型，厚度t為1.2 mm，根據經驗毛坯與模具各部件間的靜摩擦與動摩擦系數均取0.11［3］。凸凹模間隙為 1.5t（t為板料厚度），即 1.8 mm。材料屈服模型選擇Barlat殼單元模型。

鈑金材料的密度ρ=7.85 kg/m3，屈服極限σs=190 MPa，楊氏模量E=2.07×105N/mm2，泊松比 μ=0.28，各項異性指數r=1.9，硬化指數n=0.23，強度系數K=510 N·ms·m－2，其應力應變曲線如圖2所示。

2 產品有限元模型的建立

該車型側門的整體尺寸為1 055 mm×1 200 mm，拉深方向深度為150 mm，由造型軟件如NX對側門進行曲面建模，再以圖形通用格式IGS導入到Dynaform軟件。對汽車側門中間的孔進行工藝面補充，為了模擬計算的準確性，選擇質量較好的四邊形網格單元，考慮到產品整體尺寸較大，可以適當把網格單元取大一些來減少計算量，為后續(xù)大量的不同工藝參數組計算節(jié)約時間，在此網格劃分的尺寸為25 mm。為了保證網格的質量，需要進行必要的檢查，設置單元的翹曲度不超過 3°，內角大于 5°，同時檢查網格模型的邊界是否正確，去除重疊單元，根據實際模具工作狀態(tài)調整好模型的沖壓方向，最終得到產品有限元模型如圖3所示，共有52 345個單元，62 533個節(jié)點。

3 原工藝方案及成形結果

由于汽車側門整體具有一定的弧度，因此設計與產品弧度一致的壓邊圈，壓邊邊緣尺寸為150mm。根據坯料計算模塊MSTEP計算得到側門坯料的尺寸為1 368 mm×1 513 mm，最終得到如圖4所示的模具有限元模型，總共有302 163個單元，其中凸模、凹模和壓邊圈選擇剛性材料，坯料采取彈塑性材料B170P1。

設置模擬環(huán)境為單動拉深成形，合模階段凹模下壓的速度V合為2 m/s，拉延成形階段凹模具下壓速度V拉提高至5 m/s，壓邊力F為250 kN，凸凹模間隙Z為1.8 mm。經過LS－DYNA計算得到如圖5所示的板料厚度變化圖和圖6所示的材料成形極限FLD圖。

由于該汽車側門彎曲弧度較小，從圖6可以看出，產品兩端有較多成形不足的灰色區(qū)如1、2區(qū)，產品壓邊區(qū)域存在起皺，但產品本身不存在起皺，因此不用考慮。從厚度變薄圖5可知變薄率最大的地方達到了28.14%，超過了材料ST16的變形極限26%，造成3、4區(qū)域的拉裂。為了解決成形不足和起皺問題，需要加大壓邊力，但由于3區(qū)的存在，單純地加大壓邊力必然導致破裂面積的進一步擴大。通過改變壓邊力等工藝參數進行重新模擬，最終不能得到合格的產品。經過分析發(fā)現，產品4區(qū)存在破裂點的原因很可能是此處模面過渡不平滑，導致板材在發(fā)生金屬流動時出現失穩(wěn)狀態(tài)，因此可以對模具面設計更大的圓角，但不是越大越好，因為入模圓角越大，材料在拉深時可能會造成成形不足區(qū)域的擴大，因此需要進行一定的模擬實驗來確定合理值?？紤]到成形不足和拉裂共存的狀態(tài)，需要在合適的位置布置拉深筋，進料阻力通過拉深筋的高度變化進行調節(jié)。

4 優(yōu)化方案及成形結果

4．1 模具端部圓角的優(yōu)化方案

在設計模具有限元模型時，需要進行模具內側面設計，需要考慮它的拔模角和模具端部圓角的大小，如圖7所示。從圖5、6中可以看出，在4區(qū)域存在拉裂現象，把該區(qū)域的側面與底部的圓角變大，使得金屬在經過該處時變得流暢，不至于過分拉深導致破裂。

但是該圓角并非越大越好，它的取值過大會導致金屬流動受阻太小，使金屬沒有充分拉深，進而影響產品的質量，因為一個產品存在過多的拉深未充分區(qū)域會使產品強度變差和回彈變大［4－5］。因此需要進行一個單因子試驗來確定最佳的圓角大小，其它參數如前文所述，側面拔模角為20°，底部圓角半徑為20～60 mm，通過Dynaform有限元模擬軟件以5 mm的遞增進行模擬試驗，試驗結果如表1所示。

表1 模具圓角優(yōu)化試驗

分析表1試驗結果，當模具底部圓角半徑小于45 mm時，4區(qū)都存在拉裂現象，且圓角越小，拉裂程度越嚴重，這充分說明了圓角過小會導致該處的金屬流動困難，造成金屬過分拉深而破裂;當圓角半徑大于45 mm時，產品其他區(qū)域開始增加拉深未充分區(qū)域，且圓角半徑越大，增加的程度越大。因此該模具最佳的模具底部圓角半徑是45 mm，即方案6，它除了保證4區(qū)域的成形質量外，還不會影響到其他區(qū)域的成形。方案6的FLD圖如圖8所示。

4．2 拉深筋的設計及方案優(yōu)化

從圖8可知，產品中還存在拉裂和成形未充分區(qū)域，這兩個成形缺陷在沖壓工藝上是對立的。金屬拉裂是因為拉深時金屬進料受阻嚴重，料不夠而導致破裂的，在調試沖壓工藝參數時一般需要減小壓邊力;而成形未充分是因為金屬沒有進行足夠的流動拉深，沒有使金屬進行類似加工硬化的二次變性，導致產品該處沒有足夠的強度，且容易回彈，在調試沖壓工藝參數時一般需要增大壓邊力。因此單純地增減壓邊力不能解決產品成形問題。為了解決拉裂和成形未充分的矛盾，優(yōu)化方案可以采取先減小壓邊力，使產品拉裂現象消除。經模擬實驗得到當壓邊力為180 kN時，產品拉裂現象消失，如圖 9所示的FLD圖。由于壓邊力的減小，導致成形未充分區(qū)域面積的擴大。設計時可以在凹模入口80 mm處設置拉深筋，在需要增大進料阻力的地方設計拉深筋，而成形良好的區(qū)域則設置高度較小的拉深筋或不設置。顯然在產品的上下兩端需要設置較大的拉深筋以增大兩端的進料阻力，這是設計拉深筋的重點區(qū)域，其余部分拉深筋設置如圖10所示。此處拉深筋截面形狀采取半圓形結構，如圖11所示，為了控制金屬進料阻力，可以控制圓半徑R的大小來調節(jié)。根據經驗公式拉深筋的全鎖系數［6］為1.15Knnt，帶入上述的K、n值計算大約為502，其他參數不變，設計了8組拉深筋高度值進行模擬，如表2所示。

表2 拉深筋半徑優(yōu)化試驗

分析表2，1、3處拉深筋設計成相等的半徑R，原因是這2個區(qū)域的產品都存在大量的拉深未充分區(qū)域，設置R相等有利于保證金屬進料的平衡，它們從20 mm逐漸增加到45 mm;2、4、5處的拉深筋半徑R應小一些，這些區(qū)域相對1、3處區(qū)域附近成形要好，且要注意4、5處在設置拉深筋后可能會導致原來的破裂區(qū)域再次拉裂。2處拉深筋從15 mm逐漸增加到35 mm，4、5處拉深筋從10 mm逐漸增加到30 mm。從表2中可以看出，只有方案6，即拉深筋半徑R依次為40、30、40、25、25mm，才可以保證產品沒有出現拉裂缺陷，且不存在拉深未充分區(qū)域，相應的FLD圖如圖12所示，厚度變化率如圖13所示。

5 試驗驗證

根據上述模具參數與沖壓工藝參數的優(yōu)化結果，加工出相應的沖壓模具，在t=1.2 mm、V合=2 m/s、V拉=5 m/s、F=250 kN、Z=1.8 mm、模具底部圓角為45 mm的情況下，且采取第6方案的拉深筋數據，利用單動拉深機進行試沖，產品如圖14所示。從圖中可以看出起皺區(qū)域只出現在平面壓邊區(qū)域，產品區(qū)域成形良好，與優(yōu)化后的FLD圖基本吻合;且產品最薄處在圖13的小部分區(qū)域處，實際厚度為0.924 mm，變薄率為23%。由圖14所示的最大變薄率24.33%相差在5%以內，由此說明實際沖壓結果與模擬結果基本一致，同時顯示了上述模具結構優(yōu)化與相應工藝參數的合理性，對實際生產具有很好的指導意義。

6 結語

針對拉深鋼ST16材質的汽車側門外板成形，在合模階段凹模下壓的速度為2 m/s，拉延成形階段凹模具下壓速度為5 m/s，壓邊力F為250 kN，凸凹模間隙Z為1.8 mm的情況下，通過鈑金成形模擬軟件Dynaform進行結構與相應參數的優(yōu)化，得出以下結論:

（1）當產品底部圓角成形出現拉裂傾向或拉裂現象時，可以通過設計較大的模具底部圓角半徑，使在相同的工藝參數下解決材料過度變薄或破裂的缺陷。本文涉及到的模具底部圓角半徑為45 mm;

（2）當產品成形同時在不同區(qū)域出現拉深不足和破裂缺陷時，可以通過在相應區(qū)域附近排布不同半徑R的拉深筋進行材料進料阻力的控制，在拉深不足區(qū)域附近的拉深筋半徑設置的較大一些，在破裂危險區(qū)域附近的拉深筋半徑設置的較小一些，通過控制進料阻力來實現成形優(yōu)化。本文中涉及到的拉深筋半徑R數據為:40、30、40、25、25 mm。

［1］周天瑞．汽車覆蓋件沖壓成形技術［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2000．

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［4］楊曼云，孫希平，胡忠勇．汽車覆蓋件成型數值模擬過程及影響因素研究［J］．模具技術，2006，31（1）:3－7．

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