汽車行李箱后蓋拉延成型的數(shù)值模擬分析研究

王春偉，方逸塵，李鳳仙

（1.廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院，廣西 南寧 540004；2.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093）

0 引言

在沖壓件的成型加工中，汽車行李箱后蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，變形抗力不均勻，沖壓質(zhì)量難以保證。檢測表明，沖壓件起皺、破裂經(jīng)常發(fā)生。過去在汽車行李箱后蓋的生產(chǎn)過程中，設(shè)計(jì)制造模具，確定毛坯結(jié)構(gòu)尺寸，確定沖壓工藝文件。首先設(shè)計(jì)加工出樣板。反復(fù)進(jìn)行調(diào)試加工，確保質(zhì)量保證才能成型。這個(gè)過程需要投入大量的人財(cái)物，耗時(shí)耗材很大。所以，如果能在進(jìn)行汽車行李箱后蓋的沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)汽車行李箱后蓋的特點(diǎn)，模擬其成型過程的規(guī)律，找出成型缺陷的成因，采取對應(yīng)得措施，就能達(dá)到提高模具設(shè)計(jì)能力，減少沖壓零件質(zhì)量問題，減少成本支出的目的[1]。有限元數(shù)值模擬技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的有效手段，所以本文采用數(shù)值模擬理論，研究汽車制行李箱后蓋的成型過程，對其原拉延工藝進(jìn)行模擬分析，對其工藝優(yōu)化進(jìn)行了研究，達(dá)到了預(yù)期目的。

1 汽車行李箱后蓋的有限元模型的建立

行李箱后蓋是一類成形難度很高的曲面薄板沖壓件，該零件形狀復(fù)雜，成形深度大，具有脹形和拉深復(fù)合變形的特點(diǎn)。行李箱后蓋成形時(shí)，凸模頂部以脹形變形為主，而凹模邊緣主要是拉深變形。為防止懸空區(qū)成形中起皺，需要在壓邊圈上合理的設(shè)置拉延筋和施加壓邊力，這樣就可有效地控制毛坯變形。同時(shí)，要求外表面不允許有滾線、沖擊線等，這些使工藝設(shè)計(jì)成為決定其沖壓成敗的關(guān)鍵[2]。

（1）幾何模型

行李箱后蓋拉延件的幾何模型如圖1所示，該拉延件由工藝師采用CAD造型軟件UG NX手工完成拉延模具型面的幾何設(shè)計(jì)，并以通用的IGS格式文件輸出。

圖1 行李箱后蓋的幾何模型

（2）確定材料模型及單元模型

根據(jù)毛坯的結(jié)構(gòu)形狀，零件的成型過程，行李箱后蓋拉延件的數(shù)值模擬選擇材料模型為第36號即3參數(shù)BARLAT[3].原因是此模型對成型過程的分析過程中，影響因素有：材料的厚向異性影響屈服面，各向異性影響拉深成形。所以采用該模型進(jìn)行汽車行李箱后蓋拉深成形過程的模擬，比較準(zhǔn)確。為了提高計(jì)算速度，提高計(jì)算準(zhǔn)確性，采用Belytschko-Tsay行李箱后蓋殼單元開始數(shù)值模擬。選擇好單元模型，有利于提高計(jì)算速度，提高計(jì)算準(zhǔn)確性。

（3）工藝模型

由于板料在曲面壓邊圈上受自身重力作用而發(fā)生初始變形。模擬分析采用單動拉延方式，即先由上壓邊圈以5 m/s速度下行至板料處，與下凹模一起壓住板料，完成壓邊圈閉合；然后隨凹模以3 m/s的速度下行開始拉延直到與凸模閉合為止。

（4）初始設(shè)計(jì)

對凸凹模、壓邊圈、板坯模型進(jìn)行離散化。圖2為原工藝方案預(yù)成形的有限元分析模型，其成形過程的拉延模具有限元網(wǎng)格模型，從上至下依次為凸模、上壓邊圈、板料、下壓邊圈和凹模，并在上壓邊圈設(shè)置等效拉延筋，其中單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)見表1.沖壓材料為0.8 mm厚的AL6111-T4P，材料性能參數(shù)見表2.模型中選擇冪指數(shù)硬化公式σ=Kεn；選擇Hill厚向異性屈服準(zhǔn)則作為有限元屈服準(zhǔn)則，因?yàn)镠ill厚向異性屈服準(zhǔn)則計(jì)算速度快。工具與板料之間使用拉延油潤滑，摩擦系數(shù)為0.125.模具各部件間與板料的摩擦系數(shù)選擇0.15.板料成型模擬沖壓速度選擇v=3000 mm/s.凸模與凹模的間隙選擇C=1.1 t（t為板料厚度）。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取原拉延工藝預(yù)成形壓邊力為200 kN，建立汽車行李箱后蓋拉延工藝方案[4]。

圖2 原工藝方案預(yù)成形的有限元分析模型

表1 成形拉深時(shí)單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)

表2 材料性能參數(shù)表

2 行李箱后蓋的數(shù)值模擬結(jié)果分析與改進(jìn)

2.1 行李箱后蓋的模擬結(jié)果分析

行李箱后蓋的數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。由模擬結(jié)果可以看出，汽車行李箱后蓋原拉延工藝的紅色區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)明顯的開裂，法蘭部分也出現(xiàn)了嚴(yán)重的起皺現(xiàn)象。

圖3 行李箱后蓋的數(shù)值模擬結(jié)果分析

由于汽車行李箱后蓋的成形需經(jīng)拉延、翻邊、沖孔等多道工序，而翻邊工序可以對法蘭部分的起皺現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)整和改善，因此，為了提高成型質(zhì)量，必須避免拉裂的形成。汽車行李箱后蓋的成形拉裂的原因如下：

（1）行李箱后蓋的成型過程包括壓延、反向拉延和脹形。這幾種變形量大，變形力達(dá)到或者超過材料的屈服強(qiáng)度，形成拉裂。

（2）行李箱后蓋的成型過程中，存在變形不均勻的現(xiàn)象。有的部分變形量大，另一部分變形量小。這種不均勻現(xiàn)象導(dǎo)致板料缺陷的形成，拉裂[5]。

2.2 行李箱后蓋的模擬結(jié)果改進(jìn)

通過上面的研究，采用以下方法改善預(yù)成形工藝[4]：

（1）為了降低拉延成形時(shí)的變形量，毛坯的預(yù)成形模型選擇彎曲形狀而不是平板。

（2）毛坯在成型前，要減小壓邊圈與凸模、凹模、坯料之間的摩擦力，來改變變形的趨向，使周圍的材料向變形區(qū)流動。由于摩擦力太大，外部的材料在成形時(shí)向變形區(qū)流得過少，就會得不到及時(shí)有效的材料補(bǔ)充，從而使零件報(bào)廢。

（3）采用半圓形形狀的拉延筋。因?yàn)榘雸A形拉延筋提高凸模圓角側(cè)壁的變形均勻性。如果采用四方形結(jié)構(gòu)的拉延筋會降低凸模圓角側(cè)壁的變形均勻性。降低成型質(zhì)量。

在Dynaform的后處理程序中可以得出沖壓模擬后板料的成形結(jié)果圖、極限圖、厚度分布圖、應(yīng)力分布圖。如圖 4（a）、（b）、（c）、（d）所示[5]：

圖4 改進(jìn)工藝后行李箱后蓋的數(shù)值模擬結(jié)果分析

上面圖4中（b）模擬了板料總體的變形過程。安全區(qū)處于居中位置，皺趨區(qū)處于邊緣位置。由圖4中（c）得到：板料厚度最小為0.829 032 mm，減少了0.170 968 mm（1-0.829 032=0.170 968 mm），變薄了17.097%（0.170 968÷1.0×100%=17.097%）。板料厚度最大為1.173 571 mm，提高了0.173 571 mm（1.173 571-1.0=0.173 571 mm）；變厚了 17.357%（0.173 571÷1.0×100%=17.357 1%），超過1%，超出了尺寸的范圍。不過，因?yàn)榘辶虾穸茸畲笪恢梅植荚谶吘壡谐齾^(qū)，切除后得到合格的沖壓件。

3 結(jié)束語

本文研究了常規(guī)形狀零件的拉延和脹形的變形特點(diǎn)；選擇汽車行李箱后蓋為研究對象，研究了汽車行李箱后蓋沖壓過程中的變形規(guī)律，分析了各個(gè)單元的變形過程；分析了變形過程中可能產(chǎn)生的缺陷，并對預(yù)成形工藝提出改進(jìn)措施，對提高拉延質(zhì)量有重要意義。