摩擦系數(shù)對尾燈外座板沖壓成形的影響

黃 強(qiáng)，程培元，張福芳，趙永俊，孟 允

(武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430070)

汽車尾燈外座板，是汽車關(guān)鍵零件之一。由于汽車零件一般都具有形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大、材料厚度相對較小、成形質(zhì)量高等特點(diǎn)，零件質(zhì)量受材料的成形性、毛坯的幾何形狀及定位、沖壓方向、拉伸筋的形式及布局、摩擦潤滑條件、壓邊力的大小等多種因素的影響，導(dǎo)致工藝和模具設(shè)計(jì)周期長，零件成形質(zhì)量難以保證，造成人力、物力和財(cái)力的大量消耗。開展汽車尾燈外座板成形過程的研究，采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上模擬汽車尾燈外座板沖壓成形過程，預(yù)測板料最終形狀及可能產(chǎn)生的缺陷(起皺、開裂等)，可部分代替試模過程，加快設(shè)計(jì)制造進(jìn)程，驗(yàn)證新材料，優(yōu)化成形工藝[1～3]。

1 模擬分析

1.1 有限元模型的建立

汽車尾燈外座板沖壓生產(chǎn)過程分為拉延、切邊、整形等多道工序。拉延成形是最關(guān)鍵的工序。本文即對拉延成形進(jìn)行數(shù)值模擬。

先在計(jì)算機(jī)上用PRO/E軟件完成產(chǎn)品幾何造型，再將產(chǎn)品模型旋轉(zhuǎn)至沖壓方向，添加工藝補(bǔ)充部分，形成凹模數(shù)值模型。凹模數(shù)值模型用IGES格式保存。導(dǎo)入Dynaform軟件中，由于工藝補(bǔ)充面補(bǔ)充完整再進(jìn)行有限元建模。劃分凹模的有限元網(wǎng)格形成后，用單元偏置的方法，建立凸模和上壓料面模型[4～5]。

使用Preprocess中的Element的Copy功能，將凹模中對應(yīng)壓料面部分的網(wǎng)格進(jìn)行復(fù)制，然后選擇offset偏置，輸入偏置距離后，新的網(wǎng)格就產(chǎn)生了。將新產(chǎn)生的網(wǎng)格定義為上壓料面，就完成了上壓料面網(wǎng)格模型的創(chuàng)建。用同樣方法建立凸模模型，并進(jìn)行網(wǎng)格檢查。選擇凹模的外輪廓線，進(jìn)行網(wǎng)格劃分并檢查，生成毛坯。為提高模擬結(jié)果的精確度，毛坯網(wǎng)格劃分應(yīng)盡量精確。有限元模型如圖1所示。

圖1 凹模凸模有限元模型

1.2 工具參數(shù)定義

模擬中板料為汽車覆蓋件用09SIV鋼板，厚度為1mm，其材料性能參數(shù)：密度ρ為7 757 kg/m3，彈性模量 E為212 GPa，泊松比μ為0.33，barlat指數(shù)M；硬變硬化指數(shù)K為807.88 MPa，硬變硬化指數(shù)n為0.217 9；厚向異性指數(shù)R00=1.97；R45=1.39；R90=2.35。

邊界條件：

(1)摩擦條件。根據(jù)尾燈外座板沖壓所用板材，潤滑條件及要求的模具表面粗糙度，確定摩擦系數(shù)為0.125。

(2)運(yùn)動和壓邊力邊界條件。凹模運(yùn)動和壓邊力設(shè)置通過壓機(jī)參數(shù)換算，BHF值取600 kN，凹模運(yùn)動速度為10 000 mm/s。

1.3 模擬結(jié)果

模擬可顯示各加載時(shí)刻板材的變形、應(yīng)力、應(yīng)變分布及板材厚度變化和成形極限圖等，其中厚度變化和成形極限，是工程界最為關(guān)心的兩個(gè)物理量。圖2為尾燈外座板成形后板厚分布，其中最薄處減薄量達(dá)23.5%，尚處于允許范圍內(nèi)，表明成形過程安全，但已有破裂趨勢。

圖2 壁厚分布云圖

圖3 成型極限圖

一般情況下，板料的增厚率越大，工件越容易起皺；而板料的減薄率越大，則工件的破裂性越大。

從壁厚分布云圖可以看出，最大厚度為1.007 100 mm，增厚了0.007 100 mm，增厚率為0.71%；而工件的最小厚度為0.775 032 mm，減薄了0.234 968 mm，減薄率為23.50%。從圖中可以明顯看出，工件存在的最大問題，就是破裂的問題。確定汽車尾燈外座板成形中主要遇到的缺陷，是側(cè)壁向外凸的圓角區(qū)域的破裂缺陷，而非起皺現(xiàn)象，與實(shí)際相吻合。

從成形極限圖上可以看出，工件有破裂的趨勢，但是還沒有破裂。這是因?yàn)橥ǔυ龊衤实南拗浦凳?0%，對減薄率的限制值是30%。比較增厚率與其最大限制值，兩者相差巨大。顯而易見，汽車尾燈外座板沖壓成形，遇到的主要缺陷破裂現(xiàn)象而不是起皺現(xiàn)象

2 摩擦條件改變下的模擬結(jié)果

由上面結(jié)論我們可知，尾燈外座板在沖壓成形中，主要存在的缺陷是破裂現(xiàn)象。板料的破裂，是由于拉伸時(shí)最大拉應(yīng)力大于板料的抗拉強(qiáng)度而引起的。而影響板料成形過程中最大拉應(yīng)力大小的因素，主要有徑向拉應(yīng)力、彎曲力和摩擦力等。

我們主要通過摩擦系數(shù)U的改變，分析在尾燈外座板沖壓成形中摩擦系數(shù)對尾燈外座板沖壓成形的影響，在U取0.1，0.105，0.110，0.115，0.120，0.125，0.13O，0.135，0.140，0.14 5和0.150等11個(gè)不同的值時(shí)，分別模擬尾燈外座板的成形情況。

根據(jù)成形后的壁厚分布云圖，可得到這11個(gè)值時(shí)的最大增厚率和最大減薄率(見表1和表2)。圖4和圖5則以折線圖的形式反映了摩擦系數(shù)對最大增厚率與最小減薄率的關(guān)系。

表1 U取不同值時(shí)的最大增厚率與最大減薄率

表2 U取不同值時(shí)的最大增厚率與最大減薄率

(1)從圖4可知，隨著摩擦系數(shù)的不斷增大，板料成形后的最大增厚率逐漸減小，這種減小趨勢是一種遞減趨勢。

(2)從圖5的板料最大減薄率與摩擦系數(shù)U的關(guān)系圖中看出，隨著摩擦系數(shù)U的增大，最大減薄率也逐漸增大，這說明摩擦系數(shù)的增大，使板料沖壓時(shí)破裂趨勢增大。合理的實(shí)踐證明，通過加強(qiáng)潤滑，降低最大拉應(yīng)力的方法，最方便和有效。合理的潤滑，不但可以減少破裂缺陷的發(fā)生，極大地提高成形極限，還可以減少模具的摩擦磨損，大大提高模具的使用壽命。

圖4 最大增厚率與U的關(guān)系

圖5 最大減薄率與U的關(guān)系

3 結(jié)束語

模擬分析表明，尾燈外座板沖壓成形時(shí)，產(chǎn)品各處金屬流動不均勻，遇到的主要缺陷是側(cè)壁處在側(cè)壁向外凸的圓角區(qū)域的破裂缺陷，而非起皺現(xiàn)象。因此，在實(shí)際沖壓過程中，通過加強(qiáng)潤滑、降低壓邊面表面粗糙度等措施，實(shí)沖時(shí)該取得滿意結(jié)果。

本文對汽車尾燈外座板沖壓成形過程進(jìn)行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)了尾燈外座板在沖壓成形中，存在的主要缺陷是破裂現(xiàn)象與實(shí)際相符。并通過改變摩擦系數(shù)分析模擬結(jié)果，得出結(jié)論：摩擦系數(shù)的增大，使得板料沖壓時(shí)破裂趨勢增大。

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