駱 群，李 紅，袁鳳艷，李新松

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

沖壓成形是一種重要的金屬塑性成形方法，與其他加工方法相比，具有更快的生產(chǎn)效率、更高的材料利用率、良好生產(chǎn)性，并適合進(jìn)行大量生產(chǎn)，在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。特別是在汽車工業(yè)領(lǐng)域高速發(fā)展的進(jìn)程中，因其能滿足加工汽車車身零部件時(shí)的高精度、大批量生產(chǎn)的要求，行業(yè)內(nèi)絕大部分車身零部件均采用金屬板料沖壓成形技術(shù)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)。

本文以某汽車水箱固定支架為分析對(duì)象，運(yùn)用LSDYNA 軟件對(duì)其沖壓成形過程進(jìn)行分析研究，以指導(dǎo)模具的設(shè)計(jì)開發(fā)，提高制模效率，降低制模成本。

1 建立三維模型

1.1 曲面造型設(shè)計(jì)

該零件為汽車的水箱固定支架，外觀表面曲面較為復(fù)雜，不易精確測量計(jì)算，采用正向設(shè)計(jì)難以達(dá)到理想的模型結(jié)果，故采用逆向設(shè)計(jì)以得到更接近于實(shí)物的產(chǎn)品模型。

首先用三坐標(biāo)掃描儀掃描出點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)此初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理過后的云點(diǎn)如圖1 所示。本次模型設(shè)計(jì)主要是在CATIA 軟件中進(jìn)行，通過利用CATIA 軟件中的數(shù)字曲面編輯器（Digitized Shape Editor）、創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)（Generative Shape Design）、快速曲面重構(gòu)（Quick Surface Reconstruction）等模塊，最后重構(gòu)生成的實(shí)體曲面如圖2所示。

1.2 建立零件上、下模及毛坯實(shí)體模型

首先需要進(jìn)行拉深件的設(shè)計(jì)，以保證零件在沖壓成形過程中能夠高質(zhì)量和高效成形。根據(jù)零件模型設(shè)計(jì)出拉深件模型，最后根據(jù)拉深件模型來確定毛坯形狀尺寸以及模具模型。這里，為提高沖壓效率、改善沖壓質(zhì)量，并保證沖壓成形時(shí)沖壓力的平衡，采用雙件拉深工藝補(bǔ)充（即將兩個(gè)零件通過工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)成一個(gè)拉深件），將其對(duì)稱分布，設(shè)計(jì)出拉深件模型，同時(shí)以此設(shè)計(jì)出上、下模及毛坯實(shí)體模型，如圖3、圖4、圖5所示。其中毛坯板料厚度為1mm。

圖1 零件點(diǎn)云

圖2 重構(gòu)生成的實(shí)體曲面

圖3 上模

圖4 下模

2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析計(jì)算的基礎(chǔ)，所劃分網(wǎng)格的形式將直接影響計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模的大小。本次采用HyperMesh 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，該零件屬于厚度較小的薄板零件，故選用殼單元進(jìn)行有限元分析。

網(wǎng)格劃分前需對(duì)模型抽取中面，劃分網(wǎng)格時(shí)將“element size”設(shè)置為2.2 mm，“mesh type”設(shè)置為“mixed”。同時(shí)需利用“Check Elems”面板對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查，及時(shí)對(duì)網(wǎng)格不合理的地方進(jìn)行改進(jìn)或者對(duì)局部網(wǎng)格重新劃分，以改善網(wǎng)格質(zhì)量；并利用“Edges”面板檢查單元連續(xù)性，查找并消除網(wǎng)格縫隙及自由邊等。該模型單元數(shù)為80 930 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為81 017個(gè)。網(wǎng)格模型見圖6。

圖5 毛坯

圖6 網(wǎng)格模型

3 導(dǎo)入LS－DYNA進(jìn)行求解計(jì)算分析

在HyperMesh 軟件中將改進(jìn)后的網(wǎng)格模型以“.mod”格式文件導(dǎo)出，同時(shí)在K（Keyword）文件中定義材料屬性、載荷情況等相關(guān)工藝參數(shù)，并將其導(dǎo)入LS－DYNA 軟件中進(jìn)行求解計(jì)算。板料部分參數(shù)見表1。

表1 板料參數(shù)

為觀察分析沖壓成形過程中模具間隙、圓角半徑等對(duì)沖壓成形性能的影響，通過改變模型中的上、下模間隙及圓角半徑進(jìn)行多次求解計(jì)算。試驗(yàn)中所采用的模具工藝參數(shù)見表2。通過對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以選擇合理的參數(shù)。將求解所得的“d3plot”結(jié)果文件用“l(fā)s－prepost”打開，觀察沖壓成形的動(dòng)畫演示過程，并利用繪圖控制功能按鈕將計(jì)算所得的結(jié)果數(shù)據(jù)繪制成厚度變化圖和成形極限圖，分別見圖7和圖8。

表2 模具工藝參數(shù)

圖7 厚度變化圖

圖8 成形極限圖

觀看分析圖7可知，板料邊緣部分發(fā)生部分失穩(wěn)起皺；板料圓角處變薄量最大。在成形極限圖8中可看出，板料全部變形區(qū)處于安全區(qū)內(nèi)。方案3與方案1、方案2相比，通過調(diào)整上、下模具圓角半徑使得板料最薄處變薄量明顯減小；而通過調(diào)整模具間隙使得沖壓件凸緣部分褶皺明顯改善，只有局部起皺，但對(duì)沖壓件質(zhì)量并不造成影響，并且材料流動(dòng)合理，厚度變化均勻。

沖壓成形過程中，模具間隙和模具圓角半徑對(duì)沖壓件質(zhì)量有著極其重要的影響，通過多次變更參數(shù)反復(fù)求解，并對(duì)計(jì)算結(jié)果分析可知，模具間隙不能太大，也不能太小。若模具間隙過小則會(huì)增加摩擦力，易使拉深件破裂，且易擦傷工件表面和降低模具壽命；若過大，則易使拉深件起皺，且影響其精度。模具圓角半徑亦要合理選擇，圓角半徑選取太大易引起板料在拉深過程中失穩(wěn)而起皺；圓角半徑選取太小則會(huì)使沖壓件直壁的變薄程度增加，使板料加工硬化程度加大，產(chǎn)生裂紋。在模具設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)合理地選取模具圓角半徑和間隙，以避免產(chǎn)生產(chǎn)品質(zhì)量缺陷。

4 結(jié)語

在競爭日趨激烈的今天，產(chǎn)品更新很快，通過對(duì)沖壓成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，采用CAE 分析技術(shù)，能夠極大地縮短沖壓件的開發(fā)周期，提高企業(yè)競爭力，并為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 龔紅英.板料沖壓成形CAE 實(shí)用教程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［2］ Du Ting，Liu Yuqi，Zhang Zhibing，et al.Fast FE analysis system for sheet metal stamping—FASTAMP［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，187－188：402－406.

［3］ Dae－Cheol Ko，Seung－Hoon Cha，Sang－Kon Lee，et al.Application of a feasible formability diagram for the effective design in stamping processes of automotive panels［J］.Materials and Design，2011，31：1262－1275.

［4］ Wang Ye，Shen Qiyu，Wang Yuguo，et al.Research on applying one－step simulation to blank design in sheetmetal forming［J］.Journal of Materials Processing Technology，2002，120：111－114.

［5］ 夏巨諶.金屬塑性成形工藝及模具設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［6］ 崔令江.汽車覆蓋件沖壓成形技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［7］ 齊衛(wèi)東.簡明沖壓件模具設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

［8］ Huang Y，Lo Z Y，Du R.Minimization of the thickness variation in multi－step sheet metal stamping［J］.Journal of Materials Processing Technology，2006，177：84－86.