某轎車橫梁沖壓成形的回彈仿真

文/孫曉，陸滕君，韓永志，黃永生·安徽江淮汽車股份有限公司

某轎車橫梁沖壓成形的回彈仿真

文/孫曉，陸滕君，韓永志，黃永生·安徽江淮汽車股份有限公司

本文通過對(duì)車門外板的沖壓工藝性進(jìn)行分析，利用CAE軟件進(jìn)行有限元仿真模擬，并根據(jù)數(shù)值模擬情況進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)模修正，優(yōu)化數(shù)值模擬工藝參數(shù)及工藝造型，消除零件在工藝設(shè)計(jì)初期可能存在的缺陷，極大地降低了模具開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而通過模具現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，成功制造出合格的沖壓件。

近年來，汽車行業(yè)的激烈競(jìng)爭(zhēng)和大眾環(huán)保意識(shí)的提高，汽車輕量化成了熱點(diǎn)。因此，高強(qiáng)度鋼板和鋁合金板材在汽車零件中開始大量使用。然而，特殊材料的回彈問題更為突出，直接影響到?jīng)_壓件的尺寸精度。為提高沖壓件的產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，從20世紀(jì)70年代起，人們開始利用有限元法對(duì)板料成形過程進(jìn)行模擬，本文主要討論某轎車橫梁沖壓成形的回彈仿真。

覆蓋件沖壓成形的特點(diǎn)

頂蓋前橫梁是典型的覆蓋件，覆蓋件沖壓成形有以下特點(diǎn)：⑴表面質(zhì)量要求高、形狀復(fù)雜且生產(chǎn)批量大。由于成形模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般采用單動(dòng)(或雙動(dòng))沖床一次成形。⑵一般零件在拉延成形時(shí)，開裂是成形過程的主要問題，主要原因是由于變形區(qū)(凸緣區(qū))的變形抗力超出了傳力區(qū)(側(cè)壁與底部過渡區(qū))危險(xiǎn)斷面強(qiáng)度。但對(duì)于有些覆蓋件，成形時(shí)由于成形深度淺(如汽車外門板)，材料則得不到充分的拉深變形，不僅容易起皺，且剛性也不夠，這時(shí)就需采用拉延檻來加大壓邊圈下材料的牽引力，從而增大塑性變形程度，保證零件在修邊后彈性畸變小、剛性好，但價(jià)格較高。在普通帶氣墊的單動(dòng)沖床上，不僅壓邊力小，而且調(diào)節(jié)的可能性也小，故不適合復(fù)雜零件的成形，但價(jià)格相對(duì)便宜。

覆蓋件沖壓生產(chǎn)過程一般要經(jīng)過落料(或剪切下料)、成形修邊、沖孔、翻邊等多道工序完成，成形過程主要以拉深(拉延)為主，局部包含脹形、翻邊以及彎曲等工藝。覆蓋件材料薄，結(jié)構(gòu)尺寸大，型面變化多，在拉深過程中常常出現(xiàn)開裂、起皺等缺陷。有限元模擬技術(shù)的發(fā)展，為分析板料成形過程的成形缺陷提供了一種比較有效的工具。運(yùn)用CAE技術(shù)則可及時(shí)預(yù)測(cè)成形風(fēng)險(xiǎn)，通過及時(shí)優(yōu)化拉深模面來保證制件成形的質(zhì)量。

基于DYNAFORM的有限元建模及CAE模擬

圖1為某轎車頂蓋前橫梁三維數(shù)模，制件材質(zhì)為B210P1（屈服強(qiáng)度ReL為300 MPa、抗拉強(qiáng)度Rm為440MPa、楊氏模量E為207GPa、硬化指數(shù)n為0.18)，料厚為0.8mm，壓邊力為40t，摩擦系數(shù)為0.15。在模擬之前首先要進(jìn)行模面設(shè)計(jì)，可利用DYNAFORM中DFE模面進(jìn)行直接設(shè)計(jì)，并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)UG版模面，UG數(shù)據(jù)可直接用來進(jìn)行加工，UG版模面如圖2所示。建立有限元模型基本格式：⑴將圖2所示三維模型轉(zhuǎn)化成.igs格式，導(dǎo)入DYNAFORM，特別提示在CAE成形仿真過程中，拉延筋是用虛擬筋來表示的，所以UG版模面中的實(shí)體筋要?jiǎng)h除，并用平面來補(bǔ)充，后期模擬中在相應(yīng)位置添加虛擬筋模擬即可；⑵進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并檢查修補(bǔ)網(wǎng)格；⑶ 定義凸模、凹模、壓邊圈、毛坯、拉延筋。所建立模型如圖3所示 。

具體操作過程如下：

⑴創(chuàng)建DYNAFORM數(shù)據(jù)庫(kù),設(shè)定為單動(dòng)成形SINGLEACTION，單位為M.TOM.SEC.N.導(dǎo)入凸模、毛坯模型,對(duì)凹模DIE、毛坯BLANK曲面進(jìn)行網(wǎng)格劃分；由凹模DIE偏距出凸模PUNCH零件網(wǎng)格,在PUNCH網(wǎng)格的基礎(chǔ)上分離BINDER壓邊圈單元。

⑵定義工具。將上步的單元分別定義為對(duì)應(yīng)的工具,分別為DIE、PUNCH和DER；定義毛坯BLANK,并設(shè)置材料屬性,設(shè)置加載速度和壓邊力。利用系統(tǒng)的自動(dòng)定位工具安排工具與毛坯之間的合理位置。

⑶提交分析。設(shè)置分析參數(shù)，提交處理器進(jìn)行分析。

圖1 某頂蓋前橫梁數(shù)模

圖2 UG版模面

圖4 FLD圖

⑷系統(tǒng)計(jì)算。

成形仿真結(jié)果分析

有限元網(wǎng)格模型設(shè)置完成后，設(shè)置適當(dāng)參數(shù)，可將數(shù)據(jù)提交給軟件求解器LS-DYNA進(jìn)行求解。得到仿真結(jié)果成形極限圖FLD圖（圖4）和減薄率分布圖（圖5）。圖中可看出：板料在工藝補(bǔ)充壓料面上的部位有少量起皺，其他部分均在安全區(qū)域，起皺的部位在后序的修邊工序中都將被切除；板料的拉深變形均勻充分，大部分區(qū)域減薄率在4%～12%之間，最大減薄率為22% [減薄率為21%的鋼牌號(hào)有：B140H1、B180H1、B180H2（BH340）、B240、390DP；減薄率為23%的鋼牌號(hào)有：B170P1、B180P2（BP340）、B210P1、B220P2（BH380）、B250P1、DC01、DC03、DC04/、DC51D+ZF、DC52D+ZF、DC53D+ZF、DC54D+ZF；減薄率為25%的鋼牌號(hào)有DC05；減薄率為28%的鋼牌號(hào)有DC06]，不會(huì)發(fā)生破裂；與初始厚度相差很少，變形量少，主次應(yīng)變值雖都在安全曲線以下，但數(shù)值較大，必然會(huì)導(dǎo)致回彈量大。因此，必須對(duì)頂蓋前橫梁進(jìn)行回彈仿真模擬，預(yù)測(cè)回彈量，以采取適當(dāng)?shù)幕貜椏刂拼胧ＷC零件的成形質(zhì)量和成形精度。

回彈仿真設(shè)置與結(jié)果分析

回彈仿真設(shè)置

⑴定義變形后板料。缺省情況下，變形后的板料（以Dynain文件格式）讀入到eta/DYNAFORM數(shù)據(jù)庫(kù)；需要修剪的情況下，將修邊線的igs文件導(dǎo)入到DYNAFORM中，選擇裁剪線后可以單擊裁剪板料按鈕進(jìn)行裁剪操作。一般修邊模擬過程可以簡(jiǎn)化為材料分離過程，保留了板料成形后的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系。裁剪后的板料將被自動(dòng)指定為本次分析模型的板料。

⑵定義板料屬性。修改分析類型為回彈(Springback)，用戶可選擇單步(缺省設(shè)置)或多步隱式算法，前者不能得到收斂的回彈結(jié)果，后者可進(jìn)行回彈分析。在回彈分析之前，將激活粗化（Coarsening）選項(xiàng)來合并上一工序中重劃分的單元，該功能使eta/DYNAFORM求解器能夠合并角度小于指定角度（缺省為8°）的鄰近單元。粗化網(wǎng)格可以減小計(jì)算的不穩(wěn)定性，有助于回彈模型收斂，本文選擇單步隱式算法。

⑶添加約束點(diǎn)（Constraint）。選擇合適的約束點(diǎn)來防止零件在回彈分析中的剛體運(yùn)動(dòng)，約束點(diǎn)施加部位對(duì)模擬結(jié)果影響較大。3個(gè)約束點(diǎn)不能在一條直線上，節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)互相隔開并且遠(yuǎn)離零件的邊緣和較軟的區(qū)域。第一個(gè)約束點(diǎn)將約束該點(diǎn)三個(gè)方向平動(dòng)自由度并定義為回彈模型的參考點(diǎn)，在該節(jié)點(diǎn)處，回彈的位移為零；第二個(gè)約束點(diǎn)將約束Y和Z方向的移動(dòng)；第三個(gè)約束點(diǎn)將消除Z方向的移動(dòng)。通常對(duì)于成形仿真過程中已施加對(duì)稱面約束的零件而言，只需要在原來對(duì)稱面約束的基礎(chǔ)上再施加兩個(gè)點(diǎn)的約束即可。但為了保證零件回彈計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際回彈接近，提高回彈計(jì)算精度，約束點(diǎn)施加的部位應(yīng)當(dāng)與零件在檢具上被夾持的部位一致（圖6）。

圖5 減薄率圖

圖6 施加的約束點(diǎn)

圖7 回彈趨勢(shì)

圖8 三種不同材質(zhì)的CAE回彈結(jié)果

圖9 三種不同料厚的CAE回彈結(jié)果

回彈結(jié)果分析

將建立好的回彈仿真模型提交給LS-DYNA求解器進(jìn)行求解，得到零件的回彈趨勢(shì)（圖7）。從圖7可看出：零件兩端沿縱向垂直方向發(fā)生了比較明顯的回彈現(xiàn)象，數(shù)值為3.9,大大超過零件所允許的精度，需采取措施控制；靠近中心對(duì)稱面的零件有稍微翹曲，回彈量不大，在允許的誤差范圍內(nèi)，可不必采取措施。

材料對(duì)回彈的影響

⑴力學(xué)性能。三種材料SPCC、SPCD、SPCE(日本材料標(biāo)準(zhǔn))的屈服強(qiáng)度依次降低，回彈量總體呈減少的趨勢(shì)（圖8）。這是由于在相同外載作用下,屈服強(qiáng)度越低的材料越容易產(chǎn)生塑性變形。

⑵厚度。板料厚度越大,回彈角越?。▓D9）。這是由于相同彎曲角,厚度大的板料表面應(yīng)變和應(yīng)力值較大,發(fā)生塑性變形的材料較多,因而回彈量會(huì)減少。

結(jié)束語(yǔ)

以往對(duì)拉延成形件的回彈控制問題研究得不多，實(shí)際工程中，通常基于經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試驗(yàn)來降低或消除回彈的影響。20世紀(jì)90年代以來，隨著起皺和開裂問題的逐步解決，回彈控制問題則成為研究重點(diǎn)，CAE仿真技術(shù)也為回彈控制研究提供了支持。回彈量不僅隨材料的強(qiáng)度和料厚的變化呈規(guī)律性變化，還隨模具間隙及彎曲半徑的增加而增加，另外，材料的各向異性也將導(dǎo)致各處的回彈量有所不同。要保證產(chǎn)品的尺寸合格,還必須在模具設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償回彈。