拉延筋對曲面曲線翻邊的成形影響研究

李軍

摘 要：從理論和外形特征對曲面翻邊成形工藝重新進(jìn)行組合和分類，歸納和總結(jié)了六種翻邊類型，基本上涵蓋了汽車鈑金件中常見的曲面翻邊形式。對六種曲面翻邊類零件進(jìn)行三維建模并定義相關(guān)的外形幾何參數(shù)，對其中的四種曲面曲線翻邊類型進(jìn)行數(shù)值模擬，對每種零件數(shù)值模擬的成形過程和成形極限進(jìn)行分析研究。根據(jù)分析研究的結(jié)果，合理地布置和使用拉延筋使零件的成形質(zhì)量得到進(jìn)一步的提高和改善，總結(jié)拉延筋對翻邊成形后變形區(qū)最大主應(yīng)變和其分布位置的影響規(guī)律，并結(jié)合試驗(yàn)對數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。對于拉延筋在曲面翻邊類零件的實(shí)際生產(chǎn)中具有很好的參考作用。

關(guān)鍵詞：翻邊類型；翻邊成形；數(shù)值模擬；拉延筋

中圖分類號：TG386文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.06.08

Abstract：Based on the theory and the shape characteristics， the surface flanging process was regrouped and classified and 6 types of flanging were summarized， which cover the most common surface flanging of automotive sheet metal. For each type of surface flanging parts， 3D models were constructed and the related geometric parameters were defined. Numerical simulations were conducted for tour types of flanging and then the forming process and forming limit were analyzed. The results show that the optimal arrangement of drawbead can improve the forming quality of parts. The influences of drawbead on the deformation distribution and the maximum principle strain were summarized and the simulation results were verified by the experiments. The paper provides a good reference for production of surface flanging parts using drawbead.

Key words：flange type； flanging； numerical simulation； drawbead

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展和生活水平的不斷提高，人們對汽車的外形要求越來越高。為滿足裝配和焊接的要求，大部分車身零件都需要進(jìn)行翻邊成形。在汽車的外形設(shè)計中，簡單的鈑金結(jié)構(gòu)利用傳統(tǒng)的成形工藝就可以完成，但很難吸引消費(fèi)者的眼球。別出心裁的外形設(shè)計更能得到消費(fèi)者的關(guān)注（例如國外的一些高檔車、概念車等），復(fù)雜的汽車鈑金結(jié)構(gòu)中曲面曲線翻邊類結(jié)構(gòu)較為常見，也是汽車鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計中較為困難的部分，主要的困難是達(dá)不到很好的外觀成形條件（主要出現(xiàn)起皺和破裂）。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)主要集中在鈑金零件拉延過程的成形性，而對翻邊過程成形的研究相對較少[1-4]。對于內(nèi)曲翻邊和外曲翻邊的變形分析計算，胡平等人基于離散化思想推導(dǎo)了翻邊成形胚料尺寸計算模型，利用自主開發(fā)的KMS軟件分析了厚板壓彎翻邊成形及回彈過程[5-8]。Leu 采用有限元方法分析了翻孔成形過程[9]。Worswick等人利用LS-DYNA對伸長翻邊進(jìn)行了模擬，并對其成形性進(jìn)行了分析[10]。上述主要針對的是平面零件翻邊成形的研究，而對于曲面零件的翻邊，即翻邊前鈑金零件是曲面形狀的研究還很少。

本文重點(diǎn)對曲面翻邊類型從理論的角度進(jìn)行細(xì)致的組合和分類，建立有限元模型并合理地使用和布置拉延筋，通過對有無拉延筋翻邊變形區(qū)的成形極限情況和最大主應(yīng)變進(jìn)行對比分析，得到拉延筋對每種翻邊類型成形性能的影響規(guī)律。

1 曲面翻邊類型的分類及有限元模型的建立

1.1 曲面翻邊類型的分類

按照毛坯在翻邊前的形狀，可將翻邊類零件分為平面翻邊和曲面翻邊；按照在翻邊方向上翻邊線的投影形狀，可將翻邊分為直線翻邊和曲線翻邊；按照彎曲板料曲率中心與翻邊部分的位置關(guān)系，曲面翻邊可分為凹曲面翻邊和凸曲面翻邊；按照翻邊線曲率中心與板料曲率中心的位置關(guān)系，可將曲面翻邊分為直線翻邊、外凸翻邊和內(nèi)凹翻邊[11]。對上述各種翻邊關(guān)系進(jìn)行組合，可得到六種曲面翻邊類型，如圖1所示。

1.2 零件幾何參數(shù)的定義及有限元模型的建立

曲面翻邊類零件的主要幾何參數(shù)有：彎曲半徑R、凹模圓角r、翻邊高度H和板料厚度t。以凹曲面外凸翻邊類零件為例，幾何參數(shù)的定義如圖2

所示。

通過對六種曲面翻邊類型的外形特點(diǎn)的分析可以知道，六種零件均可以使用先彎曲后翻邊的成形工藝進(jìn)行加工完成。板料在先彎曲后翻邊成形工藝下的成形過程為：板料先彎曲成U形再對U形部分根據(jù)需要進(jìn)行翻邊處理，從而完成最終的成形。

根據(jù)上述的成形工藝，本文數(shù)值模擬采用雙動成形。摩擦系數(shù)設(shè)為0.125，即沒有潤滑效果的摩擦系數(shù)；壓邊力為200 kN、沖壓速度為3 000 mm/s。由于展開后得到的平面板料的寬度明顯大于壓邊面的寬度，如果不對壓邊面型面進(jìn)行修改優(yōu)化會導(dǎo)致平面板料在彎曲成形過程中與壓邊面產(chǎn)生點(diǎn)接觸，使板料受到很大的壓強(qiáng)從而導(dǎo)致板料破裂成形失敗。為了解決上述問題，可以對壓邊面沿其切向方向進(jìn)行伸長，只要使壓邊面的寬度大于板料寬度即可，這樣就把板料與壓邊面的點(diǎn)接觸變成線接觸，大大減小了板料受到的壓強(qiáng)。同理對凹模型面也進(jìn)行修改優(yōu)化并用圓角過渡[12]。以凸曲面內(nèi)凹翻邊類零件為例，根據(jù)上述要求先建立凸模的三維模型并導(dǎo)入dynaform軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格的劃分和修補(bǔ)，網(wǎng)格的相關(guān)參數(shù)為：最大尺寸2 mm；最小尺寸0.5 mm；弦高誤差0.15 mm；間隙公差2.5 mm。利用軟件自帶的復(fù)制功能建立壓邊面和凹模有限元模型，由于本次采用雙動成形，各個模具的有限元模型定位如圖3所示。

2 六種曲面翻邊成形數(shù)值模擬

2.1 六種零件成形極限數(shù)值模擬

本文重點(diǎn)研究四種不同類型的曲面曲線翻邊，而對曲面直線翻邊不予討論。針對四種不同曲面曲線翻邊類型的零件，分別建立相應(yīng)的三維模型并根據(jù)1.2節(jié)中有限元分析模型的設(shè)計原則，建立四種相應(yīng)的有限元分析模型，通過數(shù)值模擬得到四種曲面曲線翻邊的成形極限圖，如圖4所示。

在曲面的翻邊成形過程中，彎曲部分和翻邊部分共同的作用，是使翻邊部分產(chǎn)生切向伸長變形或切向壓縮變形的最主要因素，直接影響零件的成形質(zhì)量和成形極限，所以提前對零件的成形極限進(jìn)行數(shù)值模擬并預(yù)測可能出現(xiàn)的成形缺陷很有必要。

通過對四種曲面曲線翻邊成形極限圖的分析可以看出，四種零件的整體外部成形輪廓基本上都與圖1所對應(yīng)的零件三維模型相一致，從理論上驗(yàn)證了四種曲面曲線翻邊零件成形的可行性。四種零件可能出現(xiàn)成形缺陷的區(qū)域基本上都集中在翻邊部分，凹曲面兩種曲線翻邊類型的主要成形缺陷是集中在圓角處的板料起皺現(xiàn)象；凸曲面兩種曲線翻邊類型的主要成形缺陷是集中在翻邊部分的起皺現(xiàn)象，且在翻邊部分兩端的起皺缺陷較為明顯和嚴(yán)重。

2.2 拉延筋在六種曲面翻邊成形中的使用

通過對四種曲面曲線翻邊成形極限和缺陷的分析和預(yù)測，由于四種零件的主要成形缺陷是材料堆積產(chǎn)生起皺現(xiàn)象，所以可以將拉延筋固定在凹模上來提供拉延阻力，增加材料的流動性以改善或消除起皺現(xiàn)象。但是由于在翻邊成形過程中凹模會帶動拉延筋一起運(yùn)動，使得在壓料面作用下已經(jīng)定位的板料又將受到拉延阻力的作用而產(chǎn)生移動，從而使板料發(fā)生偏移并影響最終的成形結(jié)果[13]。

通過上述分析，本次使用的拉延筋主要有兩種作用：一是固定在凹模上并隨凹模一起運(yùn)動的拉延筋，改善或消除成形缺陷的作用；二是固定在凸模上并隨凸模保持靜止的拉延筋，固定板料的作用。以凸曲面內(nèi)凹翻邊類零件的有限元分析模型為例，拉延筋分布的位置如圖5所示。

凹模上的拉延筋分段原理和拉延阻力的選取，都與傳統(tǒng)板料沖壓成形中拉延筋的使用相似。凸模上的拉延筋由于主要起的是固定板料的作用，所以拉延筋不必分段，拉延阻力只要不小于凹模上拉延阻力的最大值即可。

2.3 拉延筋對曲面翻邊成形的影響

根據(jù)上述兩種不同作用拉延筋的布置原則，分別對四種相應(yīng)的有限元分析模型設(shè)置拉延筋并分段和確定拉延筋阻力，通過數(shù)值模擬得到拉延筋作用下的四種曲面曲線翻邊成形極限圖和主應(yīng)變分布圖，如圖6所示。

與圖4沒使用拉延筋的四種曲面曲線翻邊成形極限圖相比，從圖6中可以很明顯地看出在使用了拉延筋之后，四種曲面曲線翻邊在翻邊部分的成形質(zhì)量都有了很大的提高和改善，起皺區(qū)域的面積也大大減少。從理論的角度證明了拉延筋對改善曲面曲線翻邊成形質(zhì)量的可行性。

曲面曲線翻邊類零件的成形過程中，板料各部分的應(yīng)力和應(yīng)變的變化以及相互作用都是十分復(fù)雜的，其中主應(yīng)變值直接影響零件的成形質(zhì)量和局部外觀尺寸。因此本文以主應(yīng)變?yōu)檠芯繉ο?，重點(diǎn)分析研究四種曲面曲線翻邊類零件的最大主應(yīng)變值和分布位置[14]。通過數(shù)值模擬得到四種曲面曲線翻邊類零件有∕無拉延筋的最大主應(yīng)變情況，見表1。

選取四種曲面曲線翻邊成形的最大主應(yīng)變和其分布的主要位置為試驗(yàn)對象，經(jīng)過數(shù)值模擬讀取所需要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表1。選取使用拉延筋后的四種曲面曲線翻邊類型成形主應(yīng)變分布圖，如圖7所示。

通過對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，拉延筋對各個曲面曲線翻邊類型的最大主應(yīng)變和位置都有不同程度的影響，其中對凸曲面內(nèi)凹翻邊的影響最大，不論是最大主應(yīng)變的差值，還是最大主應(yīng)變的分布位置都發(fā)生了很大變化；對凹曲面內(nèi)凹翻邊的影響最小，其中最大主應(yīng)變的差值最小并且最大主應(yīng)變的位置沒有發(fā)生多大變化。

3 模擬結(jié)果的試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方案的指定

試驗(yàn)材料選用與數(shù)值模擬所用的ST13相近的DC03鋼，厚度為t=0.7 mm。虛擬的沖壓速度一般是實(shí)際的十幾或幾十倍，所以本文的實(shí)際沖壓速度為200 mm/s。研究拉延筋對凹曲面內(nèi)凹翻邊、凹曲面外凸翻邊、凸曲面內(nèi)凹翻邊和凸曲面外凸翻邊四種曲面曲線翻邊零件的成形極限和最大主應(yīng)變的影響[15]。

針對每種零件，測量翻邊成形后變形區(qū)域的最大主應(yīng)變及其分布位置，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

根據(jù)上述的試驗(yàn)方案，對平面板料先后進(jìn)行彎曲和翻邊兩種工序完成最終的成形，分別得到一組沒有使用拉延筋的四種曲面曲線翻邊成形零件和一組使用了拉延筋的四種曲面曲線翻邊成形零件，如圖8和圖9所示。

根據(jù)兩組試驗(yàn)得到的零件并對照數(shù)值模擬結(jié)果的成形極限圖，試驗(yàn)所得的零件成形質(zhì)量基本與數(shù)值模擬的結(jié)果相一致。測量每個零件的最大主應(yīng)變和相應(yīng)的最大主應(yīng)變的分布位置，見表2。

3.3 模擬與試驗(yàn)的對比

對照比較數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果最大主應(yīng)變的分布情況，可以發(fā)現(xiàn)只有凹曲面外凸翻邊和凸曲面內(nèi)凹翻邊在無拉延筋的情況下，模擬與試驗(yàn)的結(jié)果存在差異，其它情況基本保持不變。但是模擬與試驗(yàn)的最大主應(yīng)變在各個情況下都存在不同程度的差異，通過對有∕無拉延筋模擬與試驗(yàn)的最大主應(yīng)變進(jìn)行對比，得到如圖10和圖11所示的柱形圖。

由圖10和圖11可知，在有∕無拉延筋兩種情況下數(shù)值模擬的最大主應(yīng)變和試驗(yàn)結(jié)果的最大主應(yīng)變存在差異，差值的范圍為-0.05～+0.05，在誤差的允許范圍內(nèi)。由圖8和圖9的試驗(yàn)成形結(jié)果與數(shù)值模擬成形極限的對比，得到試驗(yàn)與模擬的結(jié)果相吻合。通過上述兩種情況的對比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)論

（1）通過對工程中常見的曲面曲線翻邊類型進(jìn)行總結(jié)并重新分類，得到四種曲面曲線翻邊類型，基本涵蓋了實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的相關(guān)結(jié)構(gòu)。

（2）對四種曲面曲線翻邊類型進(jìn)行三維建模并對其成形進(jìn)行數(shù)值模擬，通過使用拉延筋使數(shù)值模擬零件的成形質(zhì)量有了進(jìn)一步的提高和改善。從理論的角度證明了四種曲面曲線翻邊成形和使用拉延筋改善成形質(zhì)量的可行性。

（3）以最大主應(yīng)變和其分布位置為研究對象，通過對比數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。

參考文獻(xiàn)（References）：

郭超群. 超高強(qiáng)度鋼薄板沖壓成形后扭曲回彈特性的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究 [D]. 上海：上海交通大學(xué)，2010.

Guo Chaoqun.The Numerical Simulation & Experimental Validation of Distortional Springback of Advanced High-Strength Dual Phase Steel Sheet Metal Forming [D]. Shang-hai：Shanghai Jiaotong University，2010.（in Chinese）

吳建軍，周維賢.板料成形性基本理論 [M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

Wu Jianjun，Zhou Weixian.Basic theory of sheet metal formability [M]. Xi'an：Northwestern Polytechnical Univer-sity Press，2010.（in Chinese）

JEANEEAU M，PICHANT P. The Trends of Steel Pro-ducts in the European Automotive Industry [J]. Revue De Metallurgies，2010，97（11）：1399-1408.

SHAW J，ROTH R. Achieving an Affordable Low Emission Steel Vehicle；an Economic Assessment of the ULSAB-AVC Program Design[C]// SAE Paper 2002-01-0361.

胡平，李運(yùn)興，李大永.板材沖壓翻邊的解析理論模型[J].力學(xué)學(xué)報，2001，33（6）：803-811.

Hu Ping，Li Yunxing，Li Dayong. Analytical Models of Flanging Problem of Sheet Metals[J]. Acta Mechanica Sinica，2001，33（6）：803-811.（in Chinese）

曹穎，李峰，李大永，等.拉伸/收縮翻邊過程的修邊線預(yù)示 [J].工程力學(xué)，2001，18（2）：35-40.

Cao Ying，Li Feng，Li Dayong，et al. Determination of Trimming Line for Stretch/Shrink Flanging[J]. Engineering Mechanics，2001，18（2）：35-40.（in Chinese）

曹穎，李大永，李鋒，等.翻邊過程成形性預(yù)示及修邊線位置確定[J].武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，22（4）：43-45，64.

Cao Ying，Li Dayong，Li Feng，et al. Prediction of Flanging and Determination of Trimming Line[J].Journal of Wuhan University of Technology，2000，22（4）：43-45，64.（ in Chinese）

胡平，劉海鵬，柳玉起.厚鈑金件壓彎翻邊與回彈的數(shù)值研究 [J].固體力學(xué)學(xué)報，2002，23（1）：72-79.

Hu Ping，Liu Haipeng，Liu Yuqi.Numerical Study of Flanging and Spring-Back of Stamped Thick Metal Plate [J]. Acta Mechanica Solida Sinica，2002，23（1）：72-79.

（in Chinese）

LEU D K. Finite Element Simulation of Hole Flanging Process of Circular Sheets of Anisotropic Material [J].International Journal of Mechanical Sciences，1996，38 （8-9）：917-933.

WORKSWICK M J，F(xiàn)INN M J. The Numerical Simulation of Stretch Flange Forming[J]. International Journal of

Mechanical Sciences，2000，16（6）：701-720.

羅志敏. 轎車前縱梁沖壓成形工藝多目標(biāo)優(yōu)化及模具技術(shù)研究[D]. 長沙：湖南大學(xué)，2012：9-18.

Luo Zhimin. The Multi-objective Optimization of Car Longitudinal Beam Stamping Forming Process and Mould Technology Research [D]. Changsha：Hunan University，2012：9-18. （in Chinese）

田傳臣. 高強(qiáng)鋼轎車中通道成形及回彈補(bǔ)償研究 [D]. 秦皇島：燕山大學(xué)，2012：7-16.

Tian Chuanchen. High-strength Steel in Car Channel Forming and Springback Compensation Study [D]. Qinhuangdao：Yanshan University，2012：7-16. （in Chinese）

劉超，王磊，劉楊. 汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼的發(fā)展及其在車身設(shè)計中的應(yīng)用 [J]. 特鋼技術(shù)，2012，18（2）：1-4.

Liu Chao，Wang Lei，Liu yang. Development of Advanced High-strength Steel Used for Automobile and Its Appli-cation in Body Design [J]. Special Steel Technology，2012，18（2）：1-4. （in Chinese）

瞿燁波. 基于Dynaform縱梁后加強(qiáng)板成形工藝及回彈控制模擬分析 [D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2011：24-48.

Qu Yebo. Simulation Analysis of Forming Process and Springback Control for Longeron After-Reinforcing Plate Based on Dynaform [D]. Wuhan：Wuhan University of Technology，2011：24-48. （in Chinese）

段磊，蔡玉俊，莫國強(qiáng)，等. 汽車覆蓋件成形回彈仿真及模面優(yōu)化研究[J]. 鍛壓技術(shù)，2010，35（2）：34-38.

Duan Lei，Cai Yujun，Mo Guoqiang，et al. Research on Spring-Back Simulation and Die Surface Optimization of

Automotive Panel forming process [J]. Forging & Stam-ping Technology，2010，35（2）：34-38. （in Chinese）