盧其炎

（集美大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

汽車覆蓋件拉深成形的數(shù)值模擬研究

盧其炎

（集美大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

以一汽集團(tuán)某型號(hào)汽車前門板的沖壓成形為例，利用有限元軟件Dynaform，通過(guò)仿真研究汽車覆蓋件在拉深成形過(guò)程中工藝參數(shù)對(duì)零件成形質(zhì)量的影響，分析零件成形特征和厚度變化規(guī)律。結(jié)果表明，前門外板的厚度較薄的區(qū)域變形方式為脹形，改善材料的流動(dòng)性是提高零件成形性的主要途徑之一。

覆蓋件；拉深成形；數(shù)值模擬

汽車覆蓋件的沖壓成形已在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。其成形過(guò)程復(fù)雜，經(jīng)常需要拉深、沖孔、修邊、翻邊、整形等多道工序才能完成。其中，拉深工序在整個(gè)成形過(guò)程中占主導(dǎo)地位，其成形質(zhì)量直接影響后續(xù)工序。在拉深工序中，零件常產(chǎn)生起皺、破裂等缺陷。為了得到合格的成形覆蓋件，常常需要對(duì)模具、沖壓工序、工藝參數(shù)等進(jìn)行多次修改調(diào)試。這些都要求工作人員具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，并大大地增加成本，且消耗大量的時(shí)間，從而制約了汽車工業(yè)的發(fā)展。

已有的CAD/CAM技術(shù)，降低了模具設(shè)計(jì)周期，提高了模具及零件的精度［1］，而CAE技術(shù)能對(duì)零件的成形性進(jìn)行預(yù)報(bào)分析，對(duì)各種工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，適合于變形時(shí)間短而變形量大的瞬態(tài)問(wèn)題和汽車覆蓋件這類大型復(fù)雜成形問(wèn)題的求解［2-3］。

本文將通過(guò)Dynaform軟件研究汽車覆蓋件沖壓成形過(guò)程中壓邊力等工藝參數(shù)對(duì)零件成形性的影響，對(duì)汽車覆蓋件實(shí)際生產(chǎn)中工藝參數(shù)的制定具有指導(dǎo)作用。

1 建立模型

1.1 零件的幾何形狀

針對(duì)一汽集團(tuán)的某型號(hào)轎車的前門外板的沖壓成形進(jìn)行數(shù)值模擬，前門外板如圖1所示。該車門外板的特點(diǎn)為：尺寸大，整個(gè)為空間自由曲面，形狀復(fù)雜。

1.2 建模過(guò)程

Dynaform軟件的前處理器里雖然提供了幾何造型功能，但難以對(duì)復(fù)雜的空間自由曲面進(jìn)行幾何造型。一般做法是在CAD軟件（如UG、Pro/E、CATIA等）里設(shè)計(jì)零件并進(jìn)行壓料面和工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)，然后將生成的IGES格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Dynaform的前處理器里，再將凹模面離散化生成凹模，經(jīng)過(guò)偏置功能自動(dòng)生成凸模和壓邊圈。

由于該零件的形狀復(fù)雜，并且局部區(qū)域的拉深深度變化較大，因此坯料在拉深之前進(jìn)行預(yù)拉深成一定的形狀，本文將直接使用已預(yù)拉深的坯料進(jìn)行模擬。在UG里對(duì)坯料進(jìn)行幾何造型，然后導(dǎo)入到Dynaform的前處理器里進(jìn)行離散化。整個(gè)成形系統(tǒng)有限元模型如圖2所示。

圖1 前門外板

圖2 前門板拉深成形有限元模型

雖然離散化時(shí)單元越小，計(jì)算精度越高，但由于車門尺寸較大，如果單元?jiǎng)澐值倪^(guò)小將使單元的數(shù)量超過(guò)軟件所規(guī)定的最大單元數(shù)，并且過(guò)多的單元數(shù)將使計(jì)算量增加而消耗大量的時(shí)間。通常在保證計(jì)算精度前提下采用較大的單元來(lái)節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

因此，在模型離散過(guò)程中，采用的BT四邊形殼單元與C0連續(xù)的三角形殼單元的最大尺寸為5mm，最小尺寸為0.5mm。坯料的單元數(shù)為46655，其中四邊形單元數(shù)為46350，三角形單元數(shù)為305，模具與壓邊圈的單元數(shù)為43606。

2 材料性能及模型

前門板成形過(guò)程數(shù)值模擬所采用的材料模型為彈塑性材料模型。所用的材料為08Al車用鋼板，板厚為1.0mm，其材料性能如表1所示［4］。

表1 08Al鋼板基本力學(xué)性能

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 壓邊力對(duì)成形性的影響

由于該前門板在實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)多次拉深成形，因此這里只對(duì)最終拉深成形進(jìn)行數(shù)值模擬，研究其壁厚分布及成形過(guò)程中破裂危險(xiǎn)區(qū)域的壁厚變化情況。

在進(jìn)行前車門沖壓成形數(shù)值模擬時(shí)，為研究壓邊力對(duì)成形性的影響，設(shè)置了不同壓邊力來(lái)研究壓邊力對(duì)板料起皺與壁厚的影響。

圖3給出了在不同壓邊力下成形零件的厚度分布云圖，此時(shí)摩擦系數(shù)為0.1。從圖3可以看出，起皺主要產(chǎn)生在4個(gè)拐角處的法蘭面上。由于零件四周的材料流動(dòng)性能好于拐角處的材料流動(dòng)性能，因此起皺主要發(fā)生在4個(gè)拐角處。而且20t壓邊力時(shí)零件法蘭面上的起皺較明顯，而60t壓邊力時(shí)法蘭面上的起皺減弱。

根據(jù)圖3可以知道，在零件的凹槽和門把手處，壁厚較小。這兩處四周的材料不易向凹坑里流動(dòng)，在零件成形過(guò)程中，材料以脹形成形為主，零件容易減薄。而零件其他區(qū)域?yàn)槔畛尚危闹軅?cè)壁作為拉深成形的傳力區(qū)也容易減薄，這與實(shí)際情況相符。從圖3還可以看出，隨著壓邊力的增加，零件的最小壁厚降低。20t壓邊力時(shí)的最小壁厚為0.710mm，而60t時(shí)的最小壁厚為0.5816mm。

a 20t壓邊力

圖3 厚度分布

3.2 破裂危險(xiǎn)區(qū)的壁厚變化規(guī)律

破裂危險(xiǎn)區(qū)域的凹槽上部A、門把手B及側(cè)壁區(qū)域C，如圖4所示。

為了研究破裂危險(xiǎn)區(qū)域壁厚變化規(guī)律，選取20t壓邊力時(shí)特征單元作單元壁厚隨時(shí)間變化規(guī)律曲線如圖5所示。

圖4 零件最終成形形狀

圖5 特征單元的壁厚變化

由圖5可知，在成形的初始階段，坯料變形較小，危險(xiǎn)區(qū)域的壁厚變化也較小。當(dāng)坯料接近凹模的凸臺(tái)時(shí)，A、B區(qū)為反向拉深成形，壁厚減薄增加，但由于此時(shí)周圍的坯料能給予補(bǔ)充，因此厚度下降不大。C區(qū)則繼續(xù)進(jìn)行平緩的拉深成形，壁厚變化較小。隨著沖頭的繼續(xù)前進(jìn)，凸、凹模之間的間隙減小，坯料對(duì)A、B區(qū)的補(bǔ)充受阻，因此，A、B區(qū)的坯料成形為脹形過(guò)程，壁厚開始急劇減小。C區(qū)此時(shí)也開始急劇減薄。從A、B區(qū)的壁厚變化規(guī)律可以看出，為避免這些區(qū)域的壁厚過(guò)度減薄，應(yīng)主要從提高材料的流動(dòng)性著手。

從模擬結(jié)果可以知道，增加壓邊力可以抑制坯料起皺，但壓邊力過(guò)大會(huì)使坯料的厚度減薄過(guò)大容易產(chǎn)生破裂。因此，在實(shí)際成形過(guò)程中，應(yīng)該采用適當(dāng)?shù)膲哼吜Σ⒉扇≡黾硬牧狭鲃?dòng)性的措施來(lái)提高零件的成形性。

4 結(jié)論

（1）Dynaform軟件對(duì)汽車前門板沖壓成形過(guò)程的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際相一致，預(yù)測(cè)了壓邊力對(duì)成形的影響。

（2）破裂危險(xiǎn)區(qū)主要集中在車門凹槽、門把手以及零件的側(cè)壁區(qū)域，其中凹槽和門把手區(qū)域的壁厚減薄主要是由于發(fā)生了脹形變形方式。

（3）用該軟件對(duì)汽車覆蓋件三維成形進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)模具設(shè)計(jì)、制造和維修以及實(shí)際零件沖壓成形的工藝設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)作用，極大地縮短模具設(shè)計(jì)制造周期。

［1］張桂英,張建中.汽車覆蓋件模具CAD/CAM的研究與應(yīng)用［J］.工藝與裝備,1997（6）:15-17.

［2］孫立君,黃敏飛,阮鋒.汽車覆蓋件沖壓有限元分析方法及其軟件的應(yīng)用［J］.機(jī)電工程技術(shù),2005（2）:18-20.

［3］韋東來(lái),寇淑清,楊慎華.轎車覆蓋件拉延動(dòng)態(tài)仿真及成形性分析［J］.汽車工程,2004（4）:500-503.

［4］胡道鐘,李建華,周潔,等.汽車覆蓋件板成形的數(shù)值模擬技術(shù)及其在車身模具開發(fā)中的應(yīng)用［J］.模具制造,2003（8）: 11-14.

【責(zé)任編輯：任小平renxp90@163.com】

Numerical simulation study on drawing forming of auto-body panel

LU Qi-yan
（College of Mechanical and Energy Engineering,Jimei University,Xiamen 361021,China）

Taking the front-door panel of a XXX car as an example,a simulation study on the effect of parameters on the forming quality of auto-body panel is carried out by using FEA code Dynaform.The forming characteristics and thickness of auto-body panel are then analyzed.It is shown that the deformation in the thinner area of front-door panel is a bulging state,and improving flowability of materials is one of the main methods that improve formability of front-door panel.

auto-body panel;drawing forming;numerical simulation

TG386.1

A

1008-0171（2016）06-0014-04

2016-03-16

盧其炎（1971-），男，福建仙游人，集美大學(xué)高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。