劉曉晶++王雅為++王聰++馮章超

摘要：為了研究拼焊板在成形過(guò)程中存在的回彈問(wèn)題，提高零件的成形質(zhì)量，對(duì)某轎車(chē)激光拼焊板車(chē)門(mén)內(nèi)板進(jìn)行了沖壓成形及回彈的研究，預(yù)測(cè)了在成形過(guò)程中可能出現(xiàn)的缺陷，通過(guò)設(shè)置拉深筋和調(diào)整壓邊力進(jìn)行了工藝優(yōu)化。在成形效果滿意的情況下，對(duì)車(chē)門(mén)內(nèi)板進(jìn)行回彈分析，再根據(jù)回彈結(jié)果對(duì)模具進(jìn)行整體回彈補(bǔ)償，運(yùn)用補(bǔ)償后的模具重新進(jìn)行成形和回彈的數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明：通過(guò)補(bǔ)償，橫向厚板最大位移由原來(lái)的14439mm減小到0493mm；橫向薄板最大位移由原來(lái)的7237mm減小到3941mm；縱向有法蘭側(cè)最大位移由4360mm減小到2199mm；縱向沒(méi)有法蘭側(cè)最大位移由3490mm減小到1132mm，由此可知，經(jīng)過(guò)模具型面補(bǔ)償成形的零件回彈后與標(biāo)準(zhǔn)零件型面更加接近，運(yùn)用這種方法能有效地減少回彈對(duì)零件裝配精度的影響，得到高質(zhì)量的車(chē)門(mén)內(nèi)板覆蓋件。

關(guān)鍵詞：拼焊板；回彈補(bǔ)償；數(shù)值模擬；車(chē)門(mén)內(nèi)板

DOI：1015938/jjhust201705019

中圖分類(lèi)號(hào)： TG38641

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2017）05-0103-07

收稿日期： 2016-03-23

基金項(xiàng)目： 黑龍江省自然科學(xué)基金（E201102）

作者簡(jiǎn)介：

王雅為（1991—），女，碩士研究生；

王聰（1989—），男，碩士研究生

通信作者：

劉曉晶（1966—），女，博士，教授，Email：lxj812@126com

Springback Simulation of the Inner Door Panel of the Laser Tailorwelded Blanks

LIU Xiaojing，WANG Yawei，WANG Cong，F(xiàn)ENG Zhangchao

（School of Material Science and Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150040， China）

Abstract：In order to study the problem of tailor welded blanks （TWBs） springback in the forming process and improve its forming quality， a study on the laser TWBs of car door inner panel was made， which was about punch forming and springback Besides， its possible defects were predicted in the forming process， then the process optimization was conducted by setting the draw bead and adjusting the pressurepadforce In the case of satisfied forming results， the car door inner panel was made springback analysis Then based on this rebound results， the pattern die was carried out overall springback compensation， and the numerical simulation of forming and springback was proceeded again by using that compensated pattern die The results showed that， through the compensation， the maximum displacement of transverse thick plate is reduced form 14439mm to 0493mm， and that transverse sheet is reduced form 7237mm to 3941mm； the maximum displacement of its longitudinal direction with flange side is reduced form 4360mm to 2199mm， and that without flange side is reduced from 3490mm to 1132mm Therefore， after inevitable springback， the parts with surface compensation formed by the compensated pattern die are closer to standard parts than others Furthermore， using this method， it is effective to reduce the springback influence about parts assembling accuracy， with obtaining a high quality car door inner panel cover

Keywords：TailorWelded Blanks； springback compensation； numerical simulation； the inner door panelendprint

0引言

拼焊板是指將兩塊或兩塊以上具有不同厚度和機(jī)械性能的板料，焊接在一起進(jìn)行沖壓以滿足零件不同部位的性能要求[1]。在汽車(chē)生產(chǎn)中，拼焊板的應(yīng)用由于其減輕車(chē)身重量、減少污染、降低能耗、節(jié)約成本等多方面優(yōu)勢(shì)受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注[2-3]。但由于拼焊板焊縫的存在及焊縫兩側(cè)母材厚度和性能差異的存在，使得整體成型性能下降，給模具設(shè)計(jì)制造及實(shí)際生產(chǎn)帶來(lái)很多問(wèn)題[4-5]。因此，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)針對(duì)拼焊板成形過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行了諸多的研究[6-7]，如美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的SaundersF I和Wagoner R H利用一些實(shí)驗(yàn)手段對(duì)拼焊板的機(jī)械、沖壓性能做了一定的研究[8]。Youngmoo Heo和Youho Choi通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)設(shè)置拉延筋來(lái)控制焊縫的移動(dòng)[9]。

目前的研究主要以拼焊板成形過(guò)程中的的起皺、破裂、焊縫移動(dòng)[10-13]等方面為主，而對(duì)于拼焊板的回彈問(wèn)題[14]則研究的較少，隨著近些年數(shù)值模擬軟件的日趨成熟，重慶大學(xué)的周杰、高超等人對(duì)拼焊板U形件在沖壓成形中的回彈規(guī)律進(jìn)行了研究，主要研究了厚度比、壓邊力以及拉深筋對(duì)回彈的影響[15]。辛賀義、鄭光文等對(duì)沖壓件進(jìn)行了回彈分析，并運(yùn)用軟件對(duì)回彈進(jìn)行了補(bǔ)償，取得了初步的成果[16-17]。但基于拼焊板的回彈問(wèn)題的影響因素諸多，對(duì)回彈大小控制的準(zhǔn)確性與否將嚴(yán)重影響沖壓件的成形質(zhì)量和后續(xù)裝配質(zhì)量[18-20]，目前對(duì)復(fù)雜拼焊板零件的成形及回彈研究相對(duì)較少，因而亟待需要做進(jìn)一步深入的研究。

本文針對(duì)某轎車(chē)激光拼焊板車(chē)門(mén)內(nèi)板零件，通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究其成形性能，通過(guò)設(shè)置合理拉深筋能使其成形結(jié)果得到改善，通過(guò)回彈仿真模擬，能夠預(yù)測(cè)回彈量，并運(yùn)用Dynaform軟件中的回彈補(bǔ)償模塊（SCP）對(duì)模具型面進(jìn)行補(bǔ)償，最終得到成形質(zhì)量好、回彈后接近標(biāo)準(zhǔn)型面的車(chē)門(mén)內(nèi)板零件。

1激光拼焊板轎車(chē)車(chē)門(mén)內(nèi)板的成形性分析

圖1為某轎車(chē)前門(mén)內(nèi)板零件模型，整個(gè)零件的板坯是由兩塊鋼板焊接而成，板料材質(zhì)不一樣，且存在厚度差。

零件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜而且尺寸比較大，拉深深度很大而且拉深量不均勻，壓料面與側(cè)壁，側(cè)壁與底部之間的圓角半徑很小。零件的側(cè)壁均為多臺(tái)階結(jié)構(gòu)，且底部和側(cè)壁分布著大量的凹槽、孔和凸臺(tái)，零件底部大孔邊緣存在若干凸臺(tái)，且這些凸臺(tái)結(jié)構(gòu)不完整。因此，該零件的成形難度較大，容易出現(xiàn)各種成形缺陷問(wèn)題。另外，由于零件是三側(cè)封閉的，所以在卸載壓力和切邊過(guò)后容易產(chǎn)生回彈，而回彈能對(duì)零件的性能及裝配精度產(chǎn)生重大影響。從裝配角度分析，該零件為車(chē)門(mén)主要承重及抗撞擊部件，裝配關(guān)系比較復(fù)雜，且要求裝配精度很高。綜上所述，該零件的成形質(zhì)量以及回彈量對(duì)零件本身的性能和后續(xù)裝配質(zhì)量有著重要的影響，因此對(duì)其沖壓成形和回彈進(jìn)行深入研究是有必要的。

2激光拼焊板車(chē)門(mén)內(nèi)板模面設(shè)計(jì)

21內(nèi)孔修補(bǔ)及幾何形狀改善

應(yīng)用UG軟件將內(nèi)孔封閉是比較容易的，可以在UG中直接由孔的邊界線生成曲面達(dá)到封閉孔的目的，但是對(duì)于一些比較復(fù)雜的孔，比如該零件中間底部的大孔，需要?jiǎng)?chuàng)建很多光滑且相連的平面。并且該孔的邊界還帶有很多不完整凸臺(tái)，需將凸臺(tái)補(bǔ)充完整后再進(jìn)行孔的封閉。如圖2所示，為補(bǔ)充后的凸臺(tái)。圖3為填充好的車(chē)門(mén)內(nèi)板零件圖。

22設(shè)計(jì)壓料面

壓料面是凹模中對(duì)應(yīng)壓邊圈的一部分曲面，壓料面的設(shè)計(jì)是否合理，關(guān)系到板坯流入凹模的方向和速度、變形的程度以及破裂與起皺等缺陷的情況。好的壓料面，能夠使零件各部分的拉深深度更加均勻，使板坯流動(dòng)更加平衡、阻力分布有利于沖壓成形。本文所設(shè)計(jì)的壓料面如圖4所示，該壓料面為二階壓料面。

3激光拼焊板車(chē)門(mén)內(nèi)板沖壓成形有限元數(shù)值模擬模型

31凹模網(wǎng)格劃分及模面修補(bǔ)與檢查

將在UG中繪制好的凹模以igs格式導(dǎo)入到Dynaform中，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的形式為工具網(wǎng)格，最大尺寸為10mm，最小尺寸為1mm，弦高誤差為015，角度為30°，點(diǎn)擊確定，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分完成后進(jìn)行模面修補(bǔ)與檢查，對(duì)邊界線、單元內(nèi)角、單元翹曲角、法相單元、長(zhǎng)寬比、重疊單元等按要求逐項(xiàng)進(jìn)行檢查，對(duì)不符合要求的單元逐一手動(dòng)進(jìn)行修改，直至滿足要求為止。檢查后的網(wǎng)格，如圖5所示。

32確定沖壓方向

本文采用有限元數(shù)值模擬軟件Dynaform進(jìn)行沖壓方向的確定，并對(duì)拔模深度、負(fù)角以及拔模角度等進(jìn)行檢查，以確保能一次性地將沖壓件的所有幾何形狀成形出來(lái)，且不得存在凸模接觸不到的區(qū)域，即“死區(qū)”，凸模要能夠完全的、順利的進(jìn)入到凹模內(nèi)。對(duì)于該車(chē)門(mén)內(nèi)板零件，本文選定的沖壓方向如圖6所示。

33凸模及壓邊圈有限元模型建立

凸模和壓邊圈的創(chuàng)建是利用Dynaform軟件中的單元偏置命令從凹模中偏置得到的，偏置量為11倍的板厚，由于該板料為拼焊板，所以偏置量應(yīng)為厚板的11倍，即為132mm。由于偏置過(guò)程中在圓角處會(huì)產(chǎn)生一些單元的縮放，所以要對(duì)凸模及壓邊圈重新進(jìn)行單元的檢查與修補(bǔ)，對(duì)不合理的單元進(jìn)行手動(dòng)修改。圖7和圖8為凸模和壓邊圈的有限元模型。

34焊縫及板坯模型

本文所研究的某轎車(chē)車(chē)門(mén)內(nèi)板拼焊板的板坯，是由兩塊鋼板焊接而成的，由于激光焊接的焊縫比較窄，另外在進(jìn)行模擬時(shí)，板坯采用的是BT殼單元，薄側(cè)和厚側(cè)材料在焊接處的單元相同，因此焊縫可以采用剛性連接Z處理，這樣在焊縫兩側(cè)母材相連接處的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，就擁有了相同的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，焊縫寬度為1mm，且焊縫永久不失效。板坯面積大小是通過(guò)Dynaform根據(jù)零件尺寸進(jìn)行板坯估算，再光順邊界得到的。根據(jù)車(chē)門(mén)內(nèi)板的實(shí)際用途，本次模擬所采用的板坯都是厚度為厚側(cè)12mm、薄側(cè)08mm；材料厚側(cè)為高強(qiáng)鋼板DP500、薄側(cè)為低碳鋼DQSK，選用36號(hào)各向異性材料，屈服函數(shù)符合Hill屈服準(zhǔn)則。對(duì)板坯網(wǎng)格劃分時(shí)，網(wǎng)格大小為10mm，采用16號(hào)全階積分BT殼單元，法向積分點(diǎn)數(shù)目為7。由于本次模擬是一次沖壓成形兩個(gè)兩件，所以對(duì)板坯進(jìn)行對(duì)稱(chēng)設(shè)置。板坯形狀、焊縫位置以及對(duì)稱(chēng)面位置模型示意圖，如圖9所示。endprint

35有限元數(shù)值模擬分析

將創(chuàng)建好的凹模、凸模、壓邊圈和板料都顯示在Dynaform窗口中，對(duì)工具進(jìn)行手動(dòng)定位，定位后的有限元數(shù)值模擬模型，如圖10所示。然后利用Dynaform中的自動(dòng)設(shè)置模塊進(jìn)行沖壓成形設(shè)置，根據(jù)拼焊板車(chē)門(mén)內(nèi)板的的成形經(jīng)驗(yàn)，盡量接近實(shí)際情況，又能滿足分析要求。在本次模擬中設(shè)定壓邊力為360kN，初步虛擬沖壓速度為2000mm/s，沖壓行程曲線選擇梯形，工具與毛坯之間接觸方式選擇自動(dòng)面到面接觸，摩擦系數(shù)設(shè)定為01，模具間隙設(shè)定為132mm，設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)為-12×10-6，選擇網(wǎng)格細(xì)劃分，單元夾角為5，最大自適應(yīng)等級(jí)選擇3。在工藝參數(shù)設(shè)置完成后進(jìn)行動(dòng)畫(huà)預(yù)覽，觀察各個(gè)工具是否按設(shè)定運(yùn)動(dòng)，確認(rèn)無(wú)誤后提交任務(wù)管理器，由于零件尺寸比較大，整個(gè)模擬過(guò)程大概要持續(xù)10h左右。

4激光拼焊板車(chē)門(mén)內(nèi)板有限元數(shù)值模擬結(jié)果分析及工藝改進(jìn)

41數(shù)值模擬分析結(jié)果

計(jì)算完成后，對(duì)該拼焊板車(chē)門(mén)內(nèi)板的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行后處理分析，圖11為零件的成形極限圖。

由圖11可以看出，零件的底部拉延不充分；厚板下端出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象；法蘭處起皺嚴(yán)重，薄板上側(cè)壁起皺嚴(yán)重，底部有兩處出現(xiàn)起皺。如果這些缺陷的存在，將影響到零件的表面質(zhì)、力學(xué)性能和裝配精度，所以必須通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)，對(duì)缺陷加以控制。

42工藝改進(jìn)

為了減少成形缺陷，在凹模上設(shè)置兩條等效拉深筋，如圖12所示。拉深筋1的阻力是50N，拉深筋2的阻力是100N，鎖死率均為50%，并調(diào)整壓邊力到335kN，其他工藝參數(shù)均未發(fā)生改變。經(jīng)過(guò)運(yùn)算后得到的成形極限圖，如圖13所示。

由圖可見(jiàn)，整個(gè)零件成形效果得到了較好的改善，沒(méi)有拉裂區(qū)域，底部拉延區(qū)域有所擴(kuò)大，而拉延不充分區(qū)域的大部分將在后續(xù)工序中被切除，薄板上側(cè)壁及底部的兩處嚴(yán)重起皺消失。只有法蘭部分還存在嚴(yán)重起皺，但是法蘭并非零件的一部分，會(huì)通過(guò)下一步切邊工序?qū)⒈磺谐?。所以通過(guò)對(duì)成形工藝參數(shù)的調(diào)整，能有效優(yōu)化成形質(zhì)量，減少成形缺陷。

5激光拼焊板車(chē)門(mén)內(nèi)板回彈分析

將優(yōu)化后的車(chē)門(mén)內(nèi)板成形后的dynain文件導(dǎo)入新建數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行回彈模擬。選擇16號(hào)全積分公式，積分點(diǎn)數(shù)目選擇為7；選擇隱式分析為多步，隱式計(jì)算的步驟為4，網(wǎng)格粗化為缺省。設(shè)置完成后提交任務(wù)管理器進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算時(shí)間大約為1h。

運(yùn)算完成后對(duì)模擬回彈結(jié)果進(jìn)行分析，將成形后與回彈后的dynain文件同時(shí)導(dǎo)入到Dynaform中，采用截面線法，將模型分別沿X-Z平面和Y-Z平面剖分截面線，在剖分截面線時(shí)設(shè)定增步量分別為82和139，如圖14和圖15所示。

車(chē)門(mén)內(nèi)板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部分回彈量具有不均勻性，而通?；貜椝鶎?dǎo)致的位移會(huì)累積到零件的邊緣，因此這里只對(duì)每條截面線的端點(diǎn)的位移量進(jìn)行測(cè)量，如圖16為回彈前后橫截面線對(duì)比圖，圖17為回彈前后縱截面線對(duì)比圖。

從圖16中可以看出，厚板側(cè)位移最大的點(diǎn)出現(xiàn)在上端，為14439mm，薄板側(cè)位移最大的點(diǎn)也出現(xiàn)在最上端為7237mm。從圖17中可以看出，上端位移點(diǎn)最大為4360mm，下端位移最大點(diǎn)為3490mm，顯然由回彈引起的這種位移量會(huì)影響到零件的性能及裝配精度。

6激光拼焊板車(chē)門(mén)內(nèi)板回彈補(bǔ)償

為了減小回彈對(duì)零件的影響，使得回彈后的零件型面更加接近標(biāo)準(zhǔn)零件，對(duì)模具型面和尺寸進(jìn)行改進(jìn)和完善。利用Dynaform回彈補(bǔ)償模塊進(jìn)行回彈補(bǔ)償，能有效地達(dá)到這一目的。

將成形后和回彈后的Dynain文件導(dǎo)入到成形模擬數(shù)據(jù)庫(kù)，按照回彈補(bǔ)償模塊的要求進(jìn)行板坯輸入和工具輸入，區(qū)域選擇為全部，光順等級(jí)選擇8，選擇單元細(xì)化。參數(shù)設(shè)置完成后提交運(yùn)算，系統(tǒng)將自動(dòng)按照輸入的參數(shù)對(duì)模面的形狀和尺寸進(jìn)行修改，運(yùn)算完成后生成一套新的工具。

7激光拼焊板車(chē)門(mén)內(nèi)板補(bǔ)償后成形及回彈

以新生成的工具為工具，重新進(jìn)行工具定位，其余所有參數(shù)均與第一次成形的參數(shù)相同，提交任務(wù)管理器進(jìn)行成形模擬。經(jīng)過(guò)運(yùn)算后得到成形極限圖，如圖18所示。從圖中可以看出，補(bǔ)償后的成形結(jié)果與第一次成形結(jié)果基本相同，可以進(jìn)行回彈分析。

回彈模擬設(shè)置與第一次相同，這里不再介紹。回彈模擬結(jié)束后，將第一次成形后和補(bǔ)償后成形再回彈的Dynain文件導(dǎo)入到同一數(shù)據(jù)庫(kù)中，同樣剖取橫縱兩種截面線進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖19和圖20所示。

從圖中可以看出，橫向厚板最大位移由原來(lái)的14439mm減小到0493mm；厚板最大位移點(diǎn)出現(xiàn)在低端第3條截面線端點(diǎn)為4818mm，橫向厚板所有點(diǎn)位移都有明顯減少。橫向薄板最大位移由原來(lái)的7237mm減小到3941mm，該點(diǎn)仍為最大位移點(diǎn)，其余各點(diǎn)位移量有增有減，但幅度不是很大，都在2mm以內(nèi)。

縱向有法蘭側(cè)最大位移由4360mm減小到2199mm，最大位移點(diǎn)不變，其余各點(diǎn)均有明顯減?？v向沒(méi)有法蘭側(cè)最大位移由3490mm減小到1132mm，最大位移出現(xiàn)在第五條截面線端點(diǎn)為1831mm，其余各點(diǎn)位移量均有所減少。

8結(jié)論

1）在凹模上設(shè)置兩條等效拉深筋可以使整個(gè)零件成形效果得到較好的改善，沒(méi)有拉裂區(qū)域，底部拉延區(qū)域有所擴(kuò)大，薄板上側(cè)壁及底部的兩處嚴(yán)重起皺消失。

2）對(duì)激光拼焊板車(chē)門(mén)內(nèi)板進(jìn)行回彈補(bǔ)償后，采用截面法可以看出，橫向厚板最大位移由原來(lái)的14439mm減小到0493mm；橫向薄板最大位移由原來(lái)的7237mm減小到3941mm；縱向有法蘭側(cè)最大位移由4360mm減小到2199mm；縱向沒(méi)有法蘭側(cè)最大位移由3490mm減小到1132mm。

3）模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)模具型面補(bǔ)償成形的零件回彈后與標(biāo)準(zhǔn)零件型面更加接近，運(yùn)用這種方法能有效地減少回彈對(duì)零件裝配精度的影響。

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（編輯：溫澤宇）endprint