汽車側(cè)翼廂門外板成形模擬分析及工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化

王 暉 劉軍輝

（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東河源 517000）

汽車覆蓋件為利用沖壓方法生產(chǎn)的一類薄壁零件，其產(chǎn)品一般具有整體尺寸大、材料薄和空間曲面結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，它的沖壓成形技術(shù)是汽車行業(yè)的重要技術(shù)之一，直接關(guān)系到汽車產(chǎn)品的質(zhì)量、外觀和生產(chǎn)成本，并對(duì)縮短汽車產(chǎn)品的開發(fā)周期有重要作用［1］。汽車側(cè)翼廂門（汽車側(cè)門）就是一種典型的較大類型的鈑金覆蓋件產(chǎn)品。如圖1所示，研究對(duì)象為某車型的側(cè)門，該產(chǎn)品特點(diǎn)為:其表面拉深深度較小且整體曲面較為光順，是一個(gè)變曲率的薄板沖件;由于產(chǎn)品屬于汽車外觀件，沖件產(chǎn)品表面不允許存在擦傷、壓印和起皺等現(xiàn)象;同時(shí)考慮到汽車側(cè)門的強(qiáng)度，需要控制鈑金的最大變薄程度。

結(jié)合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)要求與表面特征，汽車側(cè)門面板在沖壓成形過程中，其板料各處均存在非常復(fù)雜的應(yīng)力、應(yīng)變分布?？梢哉f，產(chǎn)品的沖壓成形過程，是一個(gè)集幾何非線性、材料非線性、接觸非線性為一體的強(qiáng)非線性問題，由于在變形過程中物體的形狀不斷改變，因此需要考慮變化中物體的平衡方程及其線彈性和塑性變形等幾何非線性問題［2］。按照傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法，在進(jìn)行汽車覆蓋件成形時(shí)，基本是利用“經(jīng)驗(yàn)”+“反復(fù)試?！钡哪Ｊ絹碓O(shè)計(jì)沖壓模具，倘若設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)不夠，造成初始設(shè)計(jì)偏離太多，將直接導(dǎo)致整個(gè)沖壓工程失敗，迫使重新設(shè)計(jì)與加工模具。我們可以認(rèn)為，對(duì)一個(gè)鈑金覆蓋件的成形進(jìn)行定量分析，從而指導(dǎo)模具生產(chǎn)，由人工進(jìn)行理論方程式計(jì)算是非常困難的。隨著非線性有限元技術(shù)在金屬塑性成形領(lǐng)域的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)已成為復(fù)雜沖壓件成形分析的關(guān)鍵技術(shù)與手段。如業(yè)界廣泛運(yùn)用的有限元仿真軟件Dynaform，可在產(chǎn)品初始設(shè)計(jì)階段進(jìn)行坯料的形狀和尺寸計(jì)算、沖壓模面的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品的可成形性分析及工藝優(yōu)化，在模具制造之前對(duì)產(chǎn)品的成形質(zhì)量可以起到很好的預(yù)判作用。

本文利用Dynaform對(duì)汽車側(cè)門外板進(jìn)行成形仿真分析，通過對(duì)比原來的模具設(shè)計(jì)方案出現(xiàn)的成形缺陷，提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，成功地解決了汽車側(cè)門的起皺與拉裂問題。

1 材料與設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置

沖壓材料采取拉深鋼ST16，在Dynaform中選擇相應(yīng)的T36號(hào)材料模型，厚度t為1.2 mm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)毛坯與模具各部件間的靜摩擦與動(dòng)摩擦系數(shù)均取0.11［3］。凸凹模間隙為 1.5t（t為板料厚度），即 1.8 mm。材料屈服模型選擇Barlat殼單元模型。

鈑金材料的密度ρ=7.85 kg/m3，屈服極限σs=190 MPa，楊氏模量E=2.07×105N/mm2，泊松比 μ=0.28，各項(xiàng)異性指數(shù)r=1.9，硬化指數(shù)n=0.23，強(qiáng)度系數(shù)K=510 N·ms·m－2，其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。

2 產(chǎn)品有限元模型的建立

該車型側(cè)門的整體尺寸為1 055 mm×1 200 mm，拉深方向深度為150 mm，由造型軟件如NX對(duì)側(cè)門進(jìn)行曲面建模，再以圖形通用格式IGS導(dǎo)入到Dynaform軟件。對(duì)汽車側(cè)門中間的孔進(jìn)行工藝面補(bǔ)充，為了模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，選擇質(zhì)量較好的四邊形網(wǎng)格單元，考慮到產(chǎn)品整體尺寸較大，可以適當(dāng)把網(wǎng)格單元取大一些來減少計(jì)算量，為后續(xù)大量的不同工藝參數(shù)組計(jì)算節(jié)約時(shí)間，在此網(wǎng)格劃分的尺寸為25 mm。為了保證網(wǎng)格的質(zhì)量，需要進(jìn)行必要的檢查，設(shè)置單元的翹曲度不超過 3°，內(nèi)角大于 5°，同時(shí)檢查網(wǎng)格模型的邊界是否正確，去除重疊單元，根據(jù)實(shí)際模具工作狀態(tài)調(diào)整好模型的沖壓方向，最終得到產(chǎn)品有限元模型如圖3所示，共有52 345個(gè)單元，62 533個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3 原工藝方案及成形結(jié)果

由于汽車側(cè)門整體具有一定的弧度，因此設(shè)計(jì)與產(chǎn)品弧度一致的壓邊圈，壓邊邊緣尺寸為150mm。根據(jù)坯料計(jì)算模塊MSTEP計(jì)算得到側(cè)門坯料的尺寸為1 368 mm×1 513 mm，最終得到如圖4所示的模具有限元模型，總共有302 163個(gè)單元，其中凸模、凹模和壓邊圈選擇剛性材料，坯料采取彈塑性材料B170P1。

設(shè)置模擬環(huán)境為單動(dòng)拉深成形，合模階段凹模下壓的速度V合為2 m/s，拉延成形階段凹模具下壓速度V拉提高至5 m/s，壓邊力F為250 kN，凸凹模間隙Z為1.8 mm。經(jīng)過LS－DYNA計(jì)算得到如圖5所示的板料厚度變化圖和圖6所示的材料成形極限FLD圖。

由于該汽車側(cè)門彎曲弧度較小，從圖6可以看出，產(chǎn)品兩端有較多成形不足的灰色區(qū)如1、2區(qū)，產(chǎn)品壓邊區(qū)域存在起皺，但產(chǎn)品本身不存在起皺，因此不用考慮。從厚度變薄圖5可知變薄率最大的地方達(dá)到了28.14%，超過了材料ST16的變形極限26%，造成3、4區(qū)域的拉裂。為了解決成形不足和起皺問題，需要加大壓邊力，但由于3區(qū)的存在，單純地加大壓邊力必然導(dǎo)致破裂面積的進(jìn)一步擴(kuò)大。通過改變壓邊力等工藝參數(shù)進(jìn)行重新模擬，最終不能得到合格的產(chǎn)品。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品4區(qū)存在破裂點(diǎn)的原因很可能是此處模面過渡不平滑，導(dǎo)致板材在發(fā)生金屬流動(dòng)時(shí)出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)，因此可以對(duì)模具面設(shè)計(jì)更大的圓角，但不是越大越好，因?yàn)槿肽A角越大，材料在拉深時(shí)可能會(huì)造成成形不足區(qū)域的擴(kuò)大，因此需要進(jìn)行一定的模擬實(shí)驗(yàn)來確定合理值?？紤]到成形不足和拉裂共存的狀態(tài)，需要在合適的位置布置拉深筋，進(jìn)料阻力通過拉深筋的高度變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 優(yōu)化方案及成形結(jié)果

4．1 模具端部圓角的優(yōu)化方案

在設(shè)計(jì)模具有限元模型時(shí)，需要進(jìn)行模具內(nèi)側(cè)面設(shè)計(jì)，需要考慮它的拔模角和模具端部圓角的大小，如圖7所示。從圖5、6中可以看出，在4區(qū)域存在拉裂現(xiàn)象，把該區(qū)域的側(cè)面與底部的圓角變大，使得金屬在經(jīng)過該處時(shí)變得流暢，不至于過分拉深導(dǎo)致破裂。

但是該圓角并非越大越好，它的取值過大會(huì)導(dǎo)致金屬流動(dòng)受阻太小，使金屬?zèng)]有充分拉深，進(jìn)而影響產(chǎn)品的質(zhì)量，因?yàn)橐粋€(gè)產(chǎn)品存在過多的拉深未充分區(qū)域會(huì)使產(chǎn)品強(qiáng)度變差和回彈變大［4－5］。因此需要進(jìn)行一個(gè)單因子試驗(yàn)來確定最佳的圓角大小，其它參數(shù)如前文所述，側(cè)面拔模角為20°，底部圓角半徑為20～60 mm，通過Dynaform有限元模擬軟件以5 mm的遞增進(jìn)行模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 模具圓角優(yōu)化試驗(yàn)

分析表1試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)模具底部圓角半徑小于45 mm時(shí)，4區(qū)都存在拉裂現(xiàn)象，且圓角越小，拉裂程度越嚴(yán)重，這充分說明了圓角過小會(huì)導(dǎo)致該處的金屬流動(dòng)困難，造成金屬過分拉深而破裂;當(dāng)圓角半徑大于45 mm時(shí)，產(chǎn)品其他區(qū)域開始增加拉深未充分區(qū)域，且圓角半徑越大，增加的程度越大。因此該模具最佳的模具底部圓角半徑是45 mm，即方案6，它除了保證4區(qū)域的成形質(zhì)量外，還不會(huì)影響到其他區(qū)域的成形。方案6的FLD圖如圖8所示。

4．2 拉深筋的設(shè)計(jì)及方案優(yōu)化

從圖8可知，產(chǎn)品中還存在拉裂和成形未充分區(qū)域，這兩個(gè)成形缺陷在沖壓工藝上是對(duì)立的。金屬拉裂是因?yàn)槔顣r(shí)金屬進(jìn)料受阻嚴(yán)重，料不夠而導(dǎo)致破裂的，在調(diào)試沖壓工藝參數(shù)時(shí)一般需要減小壓邊力;而成形未充分是因?yàn)榻饘贈(zèng)]有進(jìn)行足夠的流動(dòng)拉深，沒有使金屬進(jìn)行類似加工硬化的二次變性，導(dǎo)致產(chǎn)品該處沒有足夠的強(qiáng)度，且容易回彈，在調(diào)試沖壓工藝參數(shù)時(shí)一般需要增大壓邊力。因此單純地增減壓邊力不能解決產(chǎn)品成形問題。為了解決拉裂和成形未充分的矛盾，優(yōu)化方案可以采取先減小壓邊力，使產(chǎn)品拉裂現(xiàn)象消除。經(jīng)模擬實(shí)驗(yàn)得到當(dāng)壓邊力為180 kN時(shí)，產(chǎn)品拉裂現(xiàn)象消失，如圖 9所示的FLD圖。由于壓邊力的減小，導(dǎo)致成形未充分區(qū)域面積的擴(kuò)大。設(shè)計(jì)時(shí)可以在凹模入口80 mm處設(shè)置拉深筋，在需要增大進(jìn)料阻力的地方設(shè)計(jì)拉深筋，而成形良好的區(qū)域則設(shè)置高度較小的拉深筋或不設(shè)置。顯然在產(chǎn)品的上下兩端需要設(shè)置較大的拉深筋以增大兩端的進(jìn)料阻力，這是設(shè)計(jì)拉深筋的重點(diǎn)區(qū)域，其余部分拉深筋設(shè)置如圖10所示。此處拉深筋截面形狀采取半圓形結(jié)構(gòu)，如圖11所示，為了控制金屬進(jìn)料阻力，可以控制圓半徑R的大小來調(diào)節(jié)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式拉深筋的全鎖系數(shù)［6］為1.15Knnt，帶入上述的K、n值計(jì)算大約為502，其他參數(shù)不變，設(shè)計(jì)了8組拉深筋高度值進(jìn)行模擬，如表2所示。

表2 拉深筋半徑優(yōu)化試驗(yàn)

分析表2，1、3處拉深筋設(shè)計(jì)成相等的半徑R，原因是這2個(gè)區(qū)域的產(chǎn)品都存在大量的拉深未充分區(qū)域，設(shè)置R相等有利于保證金屬進(jìn)料的平衡，它們從20 mm逐漸增加到45 mm;2、4、5處的拉深筋半徑R應(yīng)小一些，這些區(qū)域相對(duì)1、3處區(qū)域附近成形要好，且要注意4、5處在設(shè)置拉深筋后可能會(huì)導(dǎo)致原來的破裂區(qū)域再次拉裂。2處拉深筋從15 mm逐漸增加到35 mm，4、5處拉深筋從10 mm逐漸增加到30 mm。從表2中可以看出，只有方案6，即拉深筋半徑R依次為40、30、40、25、25mm，才可以保證產(chǎn)品沒有出現(xiàn)拉裂缺陷，且不存在拉深未充分區(qū)域，相應(yīng)的FLD圖如圖12所示，厚度變化率如圖13所示。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述模具參數(shù)與沖壓工藝參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果，加工出相應(yīng)的沖壓模具，在t=1.2 mm、V合=2 m/s、V拉=5 m/s、F=250 kN、Z=1.8 mm、模具底部圓角為45 mm的情況下，且采取第6方案的拉深筋數(shù)據(jù)，利用單動(dòng)拉深機(jī)進(jìn)行試沖，產(chǎn)品如圖14所示。從圖中可以看出起皺區(qū)域只出現(xiàn)在平面壓邊區(qū)域，產(chǎn)品區(qū)域成形良好，與優(yōu)化后的FLD圖基本吻合;且產(chǎn)品最薄處在圖13的小部分區(qū)域處，實(shí)際厚度為0.924 mm，變薄率為23%。由圖14所示的最大變薄率24.33%相差在5%以內(nèi)，由此說明實(shí)際沖壓結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致，同時(shí)顯示了上述模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化與相應(yīng)工藝參數(shù)的合理性，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有很好的指導(dǎo)意義。

6 結(jié)語

針對(duì)拉深鋼ST16材質(zhì)的汽車側(cè)門外板成形，在合模階段凹模下壓的速度為2 m/s，拉延成形階段凹模具下壓速度為5 m/s，壓邊力F為250 kN，凸凹模間隙Z為1.8 mm的情況下，通過鈑金成形模擬軟件Dynaform進(jìn)行結(jié)構(gòu)與相應(yīng)參數(shù)的優(yōu)化，得出以下結(jié)論:

（1）當(dāng)產(chǎn)品底部圓角成形出現(xiàn)拉裂傾向或拉裂現(xiàn)象時(shí)，可以通過設(shè)計(jì)較大的模具底部圓角半徑，使在相同的工藝參數(shù)下解決材料過度變薄或破裂的缺陷。本文涉及到的模具底部圓角半徑為45 mm;

（2）當(dāng)產(chǎn)品成形同時(shí)在不同區(qū)域出現(xiàn)拉深不足和破裂缺陷時(shí)，可以通過在相應(yīng)區(qū)域附近排布不同半徑R的拉深筋進(jìn)行材料進(jìn)料阻力的控制，在拉深不足區(qū)域附近的拉深筋半徑設(shè)置的較大一些，在破裂危險(xiǎn)區(qū)域附近的拉深筋半徑設(shè)置的較小一些，通過控制進(jìn)料阻力來實(shí)現(xiàn)成形優(yōu)化。本文中涉及到的拉深筋半徑R數(shù)據(jù)為:40、30、40、25、25 mm。

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