熊保玉

(四川信息職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，四川 廣元 628017)

基于Dynaform的汽車覆蓋件沖壓成型數(shù)值模擬及優(yōu)化*

熊保玉

(四川信息職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，四川 廣元 628017)

應用數(shù)值模擬技術(shù)對汽車覆蓋件成型規(guī)律進行研究逐漸受到重視。以汽車左、右后輪罩內(nèi)板為研究對象，介紹了應用Dynaform軟件對輪罩沖壓成型進行數(shù)值模擬的步驟。通過模擬產(chǎn)品在設(shè)置不同壓邊力數(shù)值及有、無拉延筋情況下的成型性能，預測板料成型中可能出現(xiàn)的如起皺、拉裂、變薄和回彈等缺陷問題。通過模擬結(jié)果的比較分析確定，汽車左、右后輪罩內(nèi)板成型工藝過程和技術(shù)參數(shù)中壓邊力的大小和有、無拉延筋設(shè)置對產(chǎn)品影響較大，為實際產(chǎn)品沖壓成型提供了科學依據(jù)。

數(shù)值模擬；壓邊力；拉延筋

與一般的沖壓件相比，汽車覆蓋件具有結(jié)構(gòu)尺寸大、變形復雜、材料薄和表面質(zhì)量要求高等特點[1]，因此，在汽車覆蓋件板料沖壓成型中，汽車模具設(shè)計與制造周期長、難度大、成本高，試制時間長。在當前市場競爭中，降低模具成本，縮短模具開發(fā)、制造和調(diào)試周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強市場競爭力，成為企業(yè)的迫切需求。近年來，隨著板料成型CAE軟件的飛速發(fā)展及應用， 應用Dynaform軟件對汽車覆蓋件沖壓成型過程進行計算機仿真模擬，以替代實際的沖壓過程，為模具設(shè)計提供合理的工藝參數(shù)，從而大大縮短了模具設(shè)計時間和試模周期，降低了開發(fā)成本。

1 產(chǎn)品模型的建立及工藝分析

汽車覆蓋件三維模型的建立常用的軟件有CATIA、UG和Pro/E等，汽車左、右后輪罩內(nèi)板的三維模型采用UG軟件建立，產(chǎn)品模型如圖1所示。根據(jù)該產(chǎn)品的形狀特點，若2個產(chǎn)品單獨成型，每幅模具都要經(jīng)過拉深、沖孔、切邊和整形等工序，并且每道工序需要設(shè)計制造2幅模具，這樣會增加模具的實際成本并延長制造周期。通過對這2個產(chǎn)品的形狀和特征的分析，在不改變產(chǎn)品形狀和尺寸的情況下，對2個產(chǎn)品的模型進行優(yōu)化(見圖2)。把沖壓方案設(shè)計成“一模兩件”，由原來的每道工序2幅模具，設(shè)計成現(xiàn)在的1副模具完成2個產(chǎn)品的相同工序，最終產(chǎn)品的成型工藝如下：拉延→修邊/沖孔→修邊/沖孔→整形/切斷。該沖壓方案不僅降低了模具成本，縮短了制造周期，而且提高了工作效率。拉延工藝是本產(chǎn)品的第1道工序，也是難度最大的工序，對產(chǎn)品成型及后序工藝成型起著至關(guān)重要的作用[2]。

圖1 某汽車左、右后輪罩 圖2 改進后的三維模型內(nèi)板三維模型圖

2 有限元網(wǎng)格劃分

將建好的產(chǎn)品數(shù)模以IGES格式導入Dynaform軟件中，然后對模型進行有限元網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格單元的劃分是進行CAE模擬分析的一個重要環(huán)節(jié)，它不但決定著計算的精度和時間，還對產(chǎn)品的成型有一定的影響。應用Dynaform軟件中“Surface Mesh”(曲面網(wǎng)格劃分)對導入的幾何模型進行網(wǎng)格劃分[3]，并進行模型檢查，確保網(wǎng)格無重疊、漏孔，法向一致。

3 沖壓方向的確定

拉延工序中沖壓方向合理與否，直接決定了能否拉深出合格產(chǎn)品。在Dynaform軟件中利用“DFE”(模面工程)中“Tipping”(傾斜)進行產(chǎn)品沖壓方向的自動調(diào)整，調(diào)整后使產(chǎn)品所有網(wǎng)格單元法矢量一致，沖壓負角為零且拉延深度最小。

4 工藝補充及壓料面的創(chuàng)建

工藝補充面是指產(chǎn)品邊緣到壓料面的過渡面，是產(chǎn)品成型不可缺少的重要組成部分[4]；同時，要求工藝補充面盡量平滑，便于產(chǎn)品成型充分。汽車左、右后輪罩內(nèi)板成型工序首先是先沖壓成型，然后再進行其他工序成型；因此，為保證汽車左、右后輪罩內(nèi)板成型質(zhì)量，需要將該產(chǎn)品內(nèi)孔及相關(guān)部位進行工藝補充。壓料面的設(shè)計是為了保證產(chǎn)品成型時毛坯不起皺、扭曲。根據(jù)實際產(chǎn)品的形狀特點，以實用、簡單和節(jié)省材料為原則，最終確定壓料面如圖3所示。

圖3 工藝補充后的凹模模型

5 毛坯尺寸的估計及毛坯生成

設(shè)置壓料面和工藝補充面后，毛坯在X和Y方向的最大尺寸分別為1 632.93和1 420.24 mm。在實際中考慮到材料流動，取毛坯尺寸為1 230 mm×1 075 mm。根據(jù)毛坯尺寸的邊界，應用Dynaform軟件的“Tool”(工具)→“Blank Generator”(毛坯生成器)得到劃分好的毛坯網(wǎng)格。根據(jù)實際的模擬情況，對毛坯尺寸進行適當?shù)男薷募皟?yōu)化。

6 數(shù)值模擬及優(yōu)化

利用完成定義好的凸模、凹模、壓邊圈和毛坯進行模擬前的參數(shù)設(shè)置，具體如下：沖壓類型為雙動壓力機；毛坯材料為DC04高強度鋼板，厚度為0.8 mm，其力學性能見表1；凸模和凹模的間隙為0.88 mm；毛坯與模具間摩擦因數(shù)為0.125；工具和壓邊圈的速度為默認設(shè)置；壓邊力設(shè)置為500 kN。設(shè)置好模具各零件的運動和邊界條件，提交到LS-DYNA進行計算。

表1 毛坯材料的力學性能

6.1 結(jié)果分析

模擬計算完成后，應用Dynaform軟件的后處理命令“Post”→“Processor”對運算結(jié)果進行分析和判斷，得到成型極限圖(見圖4)。由圖4可知，產(chǎn)品區(qū)域沒有出現(xiàn)拉裂，但有起皺和大部分區(qū)域存在嚴重的拉延變形不足，這種成型質(zhì)量不符合設(shè)計要求。

圖4 壓邊力為500 kN時的成型極限圖

6.2 工藝參數(shù)的調(diào)整

產(chǎn)品發(fā)生嚴重的變形不足和起皺是因為板料壓邊力和拉延阻力不夠造成的，解決上述問題的方法一般是增大壓邊力和設(shè)置拉延筋。

6.2.1 增大壓邊力

在其他模擬參數(shù)不變的情況下，將壓邊力分別增加到700和1 000 kN，得到的模擬結(jié)果分別如圖5和圖6所示。從圖5和圖6可知，產(chǎn)品的變形不足和起皺得到部分改善，但隨著壓邊力的增大，斷裂區(qū)域越來越多?？梢?，通過繼續(xù)增加壓邊力已經(jīng)不能使產(chǎn)品成型達到要求，需考慮增設(shè)拉延筋來提高零件成型質(zhì)量。

圖5 壓邊力為700 kN時的成型極限圖

圖6 壓邊力為1 000 kN時的成型極限圖

6.2.2 設(shè)置拉延筋

圖7 1條拉延筋布置模型

拉延筋的作用是調(diào)節(jié)進料阻力的大小和分布，降低壓料面作用力和改善板料的起皺，有利于變形區(qū)板材的順利成型。Dynaform軟件中拉延筋的設(shè)置分為2種：等效拉延筋和真實拉延筋。數(shù)值模擬中真實拉延筋能更好地反應實際生產(chǎn)中拉延筋部位的材料流動阻力狀態(tài)[5]。本文采用真實拉延筋，其分布情況如圖7所示。在其他模擬參數(shù)不變的情況下，分別設(shè)置壓邊力為700和1 000 kN進行數(shù)值模擬，得到成型極限圖如圖8和圖9所示。從設(shè)置拉延筋和沒有設(shè)置拉延筋模擬的成型極限圖的對比結(jié)果來看，板料成型質(zhì)量得到很大的改善，產(chǎn)品區(qū)域無起皺。當壓邊力增至1 000 kN時，產(chǎn)品仍有部分變形不足，但已出現(xiàn)拉裂區(qū)域；因此，通過布置1條拉延筋和增大壓邊力還是得不到滿意的成型質(zhì)量。由于變形不足和拉裂區(qū)域的存在，可以在原有拉延筋的基礎(chǔ)上，在變形不足區(qū)域再增加拉延筋(見圖10)。分別設(shè)置壓邊力為700和1 000 kN進行模擬仿真，得到成型極限圖如圖11和圖12所示。從設(shè)置多條拉延筋的模擬結(jié)果可以看出，在大幅降低壓邊力的同時得到了較好的產(chǎn)品成型質(zhì)量。板料設(shè)置多條拉延筋后，在壓邊力為700 kN的情況下，材料得到有效變形，產(chǎn)品質(zhì)量為最好，產(chǎn)品區(qū)域無變形不足，起皺和破裂現(xiàn)象得到較大改善。變形區(qū)域有破裂趨勢和拉裂區(qū)域，在后續(xù)的修邊和切斷工序中去除，不影響產(chǎn)品成型質(zhì)量，說明產(chǎn)品設(shè)置的模擬參數(shù)和產(chǎn)品形狀的設(shè)計是合理的，因此，在實際中產(chǎn)品可以安全沖出。

7 結(jié)語

本文以Dynaform軟件為平臺，通過對汽車左、右后輪罩內(nèi)板沖壓成型過程進行數(shù)值模擬研究， 可以預知傳統(tǒng)制造中實際沖壓時可能出現(xiàn)的產(chǎn)品缺陷。通過對模擬參數(shù)的優(yōu)化和調(diào)整以及對模擬結(jié)果的對比，確定了合理的產(chǎn)品成型工藝參數(shù)和拉延筋設(shè)置分布情況。從而為實際汽車左、右后輪罩內(nèi)板的成型確定了合適的沖壓工藝參數(shù)，對類似汽車覆蓋件產(chǎn)品模具設(shè)計與制造具有重要的參考價值。

圖8 設(shè)置1條拉延筋后壓邊力為700 kN時的成型極限圖

圖9 設(shè)置1條拉延筋后壓邊力為1 000 kN時的成型極限圖

圖10 多條拉延筋布置模型

圖11 設(shè)置多條拉延筋后壓邊力為700 kN時的成型極限圖

圖12 設(shè)置多條拉延筋后壓邊力為1 000 kN時的成型極限圖

[1] 陳小芳，扶名福，袁志軍. DYNAFORM數(shù)值模擬技術(shù)在汽車覆蓋件成形中的應用[J].熱加工工藝，2009(6)：89-92.

[2] 劉細芬，黃華艷，張洪銳. 基于CAE技術(shù)的汽車覆蓋件拉延模具設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造，2010(4)：242-244.

[3] 盧軍平，芮延年.基于Dynaform對電視機后蓋成形的數(shù)值模擬研究[J]. 模具工業(yè)，2010(11):16-18.

[4] 孫曉.基于ETA/Dynaform某車型前圍內(nèi)板拉延模面優(yōu)化設(shè)計[J]. 新技術(shù)新工藝，2013(7):79-84.

[5] 劉細芬.基于Dynaform的汽車覆蓋件拉延成形有限元模擬分析[J]. 機械研究與應用，2013(2):33-35.

*廣元市科技支撐計劃項目(14KJZCZC006)

責任編輯鄭練

NumericalSimulationandOptimizationofAutomobilePanelbasedonDynaform

XIONG Baoyu

(Mechanical & Engineering Department, Sichuan Information Technology College, Guangyuan 628017, China)

It has gradually been paid more attention to study forming law for automobile panel by applying numerical simulation. Left and right inner plates on automobile rear wheels are investigated, the stamping process of auto rear wheel is simulated based on Dynaform software. Simulation of stamping forming by changing magnitude of blank holder force and setting drawbead, predicting wrinkle, fracture, thinning, rebound and other defects is done. Blank holding force and drawbead of process and technical parameters of left and right inner plates on automobile rear wheels are determined by comparing the simulation results, and it provides a scientific basis for the practical products shaping.

numerical simulation, blank holding force, drawbead

TP 391

:A

熊保玉(1980-)，男，講師，主要從事板料成形及模具CAD/CAE技術(shù)等方面的研究。

2015-03-26