基于FEM的翼子板充液成形工藝與優(yōu)化

劉曉晶　唐先林　張曉華　王飛

摘要：針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件沖壓成形時(shí)出現(xiàn)的破裂與拉延不充足等問題，采用板料成形模擬軟件Dynaform對(duì)汽車前翼子板充液拉深工藝進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬研究。依據(jù)翼子板各處進(jìn)料規(guī)律，提出了三種拉延阻力系數(shù)不同的拉延方案。以零件的成形極限圖（FLD）為分析標(biāo)準(zhǔn)，研究了拉延阻力系數(shù)、液室壓力加載路徑和壓邊力對(duì)翼子板成形質(zhì)量的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：設(shè)置合理的拉延筋、加載路徑和壓邊力，可以改善翼子板的成形性能，并且能夠獲得壁厚分布均勻的零件。

關(guān)鍵詞：翼子板；充液拉深；數(shù)值模擬；拉延筋

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.011

中圖分類號(hào)： TG386.41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2018）01-0055-06

Abstract：Aiming at the problem of failure and insufficient drawing when stamping forming for complex structure parts，we conduct numerical simulation of hydromechanical deep drawing to automobile front fender. According to the feeding law of fender， we propose three different drawing resistance coefficient programs， study the influence rules of main forming parameters on fender forming quality， like drawing resistance coefficient， chamber pressure， loading path， blank holder force， with the standard of forming limit diagram. The results show that under the reasonable match of drawbeads， loading path and blank holder force， forming performance of fender could be ameliorate， and obtain the part with uniform wall thickness distribution.

Keywords：fender； HDD； numerical simulation； drawbeads

0引言

隨著生活水平與科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，人們對(duì)汽車的質(zhì)量與外觀上的要求與日俱增，進(jìn)而隨之而來的，涉及金屬板材的應(yīng)用領(lǐng)域也愈來愈廣泛，而且對(duì)于復(fù)雜件成形的生產(chǎn)要求亦越來越高。汽車覆蓋件[1-2]是汽車組成的重要部分，而且它與一般沖壓件相比，具有薄壁結(jié)構(gòu)，形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸大，表面質(zhì)量，以及尺寸精度要求高，以及生產(chǎn)成本高等特點(diǎn)。而其中翼子板[3-5]是汽車覆蓋件中成形困難的典型零件，由于它不僅具有外觀要求質(zhì)量高，尺寸精度要求高，模具設(shè)計(jì)與制造成本高等特點(diǎn)，而且需要經(jīng)過拉延，切邊，翻邊和整形等多道工序，因此在成形過程中很容易出現(xiàn)起皺，破裂與變形不足等缺陷。傳統(tǒng)的沖壓成形[6-9]由于自身工藝特點(diǎn)所限，零件缺陷較多，同時(shí)所需費(fèi)用較高，而充液拉深[10-13] （hydromechanical deep drawing， HDD）具有拉深比大、成形零件表面質(zhì)量高、尺寸精度高、以及能夠進(jìn)行復(fù)雜零件的成形等優(yōu)點(diǎn)[14-16]，所以充液成形是翼子板成形的有效途徑，能夠很好地符合翼子板的成形需求。

以汽車前翼子板為研究對(duì)象，在零件成形工藝性分析的基礎(chǔ)上，采用有限元分析軟件對(duì)翼子板進(jìn)行充液拉深模擬，以零件的成形極限圖（FLD）為分析標(biāo)準(zhǔn)，分析了拉延阻力系數(shù)、液室壓力以及壓邊力對(duì)翼子板成形質(zhì)量的影響，再選取翼子板一截面，以壁厚分布為分析依據(jù)，進(jìn)一步研究壓邊力對(duì)翼子板成形性能的影響規(guī)律。為覆蓋件充液成形工藝的進(jìn)一步研究提供了理論基礎(chǔ)和生產(chǎn)依據(jù)。

1零件成形工藝性分析

圖1是某汽車前翼子板的三維模型，從圖中可以看出翼子板與引擎蓋配合處的形狀較為復(fù)雜且存在臺(tái)階結(jié)構(gòu)；與門板配合處拉延深度較淺，形狀平坦，拉延時(shí)容易產(chǎn)生拉延不充分現(xiàn)象，同時(shí)在輪罩處存在凸起和翻邊。按照傳統(tǒng)加工方法很難實(shí)現(xiàn)一次拉深成形，需要經(jīng)過拉延、切邊、翻邊和整形等多道工序，會(huì)耗費(fèi)時(shí)間和材料，同時(shí)存在成形精度不足等問題，而采用充液拉深則只需一道工序，可以大大減少工作量，提高成形精度和成形極限。

2.1工藝面補(bǔ)充

為了使汽車翼子板充分成形，同時(shí)減起皺與破裂缺陷等的產(chǎn)生，在汽車翼子板充液成形過程中，需要將翼子板空洞補(bǔ)充完整，使翼子板更好地成形，提高板料的整體利用率。經(jīng)過分析研究，對(duì)其主截面線采取多端段設(shè)計(jì)，同時(shí)附加一段斜壁，為了使各段補(bǔ)充面光滑地連接起來，還需要手動(dòng)進(jìn)行局部補(bǔ)充面設(shè)計(jì)，最后確定完整的工藝補(bǔ)充面如圖2所示。

確定翼子板模型后，由于BSE板料估算坯料尺寸快速且準(zhǔn)確，故而利用Dynaform里面的BSE模塊進(jìn)行坯料尺寸估算，零件以數(shù)據(jù)類型IGS格式導(dǎo)入有限元模擬軟件中，1號(hào)線為有限元軟件估算出的坯料尺寸，但是由于翼子板的復(fù)雜性以及需留出拉深余量，實(shí)際生產(chǎn)需將1號(hào)線擴(kuò)大化與規(guī)則化為2號(hào)線，如圖3（a）所示。模型導(dǎo)入仿真軟件后，通過偏置和復(fù)制等工序，生成模擬所用的壓邊圈和充液凹模，得到其有限元模型如圖3（b）所示。

3拉延筋參數(shù)的設(shè)定及優(yōu)化

汽車翼子板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拉深成形時(shí)各處板料進(jìn)料不一致，成形件局部出現(xiàn)起皺和拉裂等缺陷，拉延筋的設(shè)置可以有效地改善板料的拉延情況，提高板料的變形均勻性。根據(jù)翼子板各處進(jìn)料規(guī)律，將翼子板設(shè)置為8段拉延筋，拉延筋采用半圓形，深度為5mm，如圖4所示，由于直壁區(qū)進(jìn)料過快，采用3段拉延筋，而彎曲處進(jìn)料情況復(fù)雜，將拉延筋進(jìn)行分段設(shè)計(jì)。

拉延筋所提供的阻力嚴(yán)重影響翼子板成形性能，根據(jù)大量的數(shù)值模擬，提出三種拉延筋研究方案，如表2所示。

按照表2的三組拉延阻力設(shè)定方案，采用Dynaform對(duì)翼子板成形性能進(jìn)行模擬，分別按照3種研究方案進(jìn)行加載，三組拉延方案翼子板成形極限圖如圖5所示。當(dāng)采用方案1時(shí)，從圖5（a）中可以看出翼子板局部發(fā)生嚴(yán)重開裂，翼子板整體拉延不充分，這是由于阻力系數(shù)比較小，拉延筋沒有很好的發(fā)揮其作用，在翼子板成形時(shí)，各處板料發(fā)生嚴(yán)重進(jìn)料流動(dòng)不均勻；當(dāng)采用方案3時(shí)，從圖5（c）中可以看出，翼子板還沒有完全成形就已經(jīng)發(fā)生了局部破裂的現(xiàn)象，這是由于阻力系數(shù)設(shè)置過大，阻礙翼子板成形時(shí)板料進(jìn)料，導(dǎo)致板料發(fā)生局部應(yīng)力集中而破裂；當(dāng)采用方案2時(shí)，從圖5（b）中可以發(fā)現(xiàn)，板料流動(dòng)性好，翼子板可以均勻成形，所以經(jīng)過如上的對(duì)比分析確定方案2為拉延筋最佳加載方式。

4加載路徑的設(shè)定及優(yōu)化

汽車翼子板充液拉深成形過程中，液室壓力是翼子板成形性能的重要工藝參數(shù)，液室壓力的加載時(shí)間與大小是液室壓力的研究重點(diǎn)，根據(jù)翼子板的成形特點(diǎn)以及數(shù)值模擬研究，設(shè)計(jì)了三條液室壓力加載曲線，如圖6所示。

加載曲線1加載方式為在凸模開始之時(shí)就施加于板材提供背壓，并隨著加載時(shí)間的增大而增大，液室壓力加載曲線3是在0.028s開始施加液壓，在0.033s時(shí)加載到6MPa，保持0.002s后增加到14MPa， 再保持0.002s，最后在0.04s時(shí)達(dá)到25MPa。而液室壓力加載曲線2是在0.028s開始施加液壓，在0.033s時(shí)加載到2MPa，保持0.002s后增加到8MPa，再保持0.002s，最后在0.04s時(shí)達(dá)到25MPa。

采用加載曲線1時(shí)，液室壓力加載過早，板料成形時(shí)出現(xiàn)大面積的凹陷而無法正常成形，故而不能滿足翼子板成形需求，如圖7（a）所示。采用加載曲線3時(shí)，雖然翼子板能夠成形，但是其多處出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，如圖7（c）所示，因此也不能滿足翼子板需求。采用液室壓力加載曲線2時(shí)，翼子板可以成形而且沒有破裂，如圖7（b）所示。經(jīng)過對(duì)比分析，確定方案2為最優(yōu)加載路徑。

5壓邊力的設(shè)定及優(yōu)化

由于壓邊力的大小會(huì)影響板料的流動(dòng)，因此壓邊力是翼子板充液成形時(shí)的一個(gè)重要工藝參數(shù)。

經(jīng)過大量的數(shù)值模擬的研究，設(shè)定三組翼子板壓邊力的加載方案，且分別為750kN，1000kN與2000kN。

當(dāng)壓邊力為750kN時(shí)，局部區(qū)域出現(xiàn)了嚴(yán)重起皺和拉延不充分的缺陷，如圖8（a）所示，這是由于壓邊力過小，造成板材的流動(dòng)不充分。當(dāng)壓邊力為2000kN時(shí)，雖然翼子板沒有出現(xiàn)嚴(yán)重起皺現(xiàn)象，但是其局部出現(xiàn)破裂，如圖8（c）所示，這是由于壓邊力過大，所以阻礙了板料的正常成形，導(dǎo)致板料進(jìn)料不充足而嚴(yán)重減薄。當(dāng)壓邊力為1000kN時(shí)，翼子板成形質(zhì)量較好，同時(shí)局部起皺得到了很好的控制，如圖8（b）所示。

為了進(jìn)一步分析壓邊力對(duì)翼子板成形質(zhì)量的影響規(guī)律，在其壁厚變化較大的溝槽區(qū)選取截面AA，順時(shí)針選取15個(gè)點(diǎn)，如圖9（a）所示，分別測(cè)量每個(gè)點(diǎn)在不同壓力值下的壁厚，得到各個(gè)點(diǎn)在不同壓邊力作用下壁厚分布曲線如圖9（b）所示。從壁厚分布曲線中可以看出，翼子板在彎曲處6點(diǎn)的減薄量最大，最容易發(fā)生破裂缺陷；在1點(diǎn)、14點(diǎn)、15點(diǎn)處發(fā)生了起皺，壁厚值已經(jīng)超過了板料的初始值1mm。通過對(duì)比分析三種不同壓邊力作用下的壁厚分布曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓邊力為2000kN時(shí)，各個(gè)典型點(diǎn)的減薄量最大，在點(diǎn)6處最小壁厚達(dá)到了0.66mm；當(dāng)壓邊力為75kN時(shí)，各處減薄量最小，點(diǎn)6處的最小壁厚為0.78mm；當(dāng)壓邊力為1000kN時(shí)，點(diǎn)6處最小壁厚為0.74mm。結(jié)合不同壓邊力的成形極限圖和壁厚分布曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓邊力為1000kN時(shí)既可以減少起皺又可以滿足翼子板的成形需求，所以將壓邊力定為1000kN。

6結(jié)論

1）根據(jù)汽車前翼子板成形的復(fù)雜性，成形時(shí)拉延筋需要進(jìn)行多處單獨(dú)設(shè)置，保證板料成形時(shí)的進(jìn)料均勻性，根據(jù)多次模擬分析，選擇的拉延筋為8段，同時(shí)設(shè)計(jì)了三組拉延阻力系數(shù)方案，以翼子板成形極限圖作為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比分析最優(yōu)方案為：方案二；

2）針對(duì)翼子板的充液成形，進(jìn)行大量的數(shù)值模擬，從而設(shè)定三組液室壓力路徑加載方案，并以翼子板的成形極限圖（FLD）作為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比分析得出的最優(yōu)加載方案是在0.028s開始施加液壓，在0.033s時(shí)加載2MPa，保持0.002s后增加到8MPa， 再保0.002s，最后在0.04s時(shí)達(dá)到25MPa；

3）根據(jù)多次模擬研究，采用三組不同的壓邊力，并以翼子板的成形極限圖（FLD）作為分析依據(jù)；選取翼子板溝槽區(qū)的一個(gè)截面，進(jìn)一步分析壓邊力對(duì)其壁厚的影響情況，以截面的壁厚分布圖作為分析標(biāo)準(zhǔn)，最終經(jīng)過對(duì)比分析選取最優(yōu)的壓邊力為1000kN。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：關(guān)毅）