鋁合金車門內(nèi)板成形工藝數(shù)值模擬及模具設(shè)計

劉曉晶 陳曉桐 張曉華 陳龍 趙宇桐

摘 要：在沖壓拉延過程中為了減少汽車覆蓋件產(chǎn)生起皺和破裂等缺陷，針對材料為AA6009鋁合金的車門內(nèi)板，運(yùn)用有限元軟件DYNAFORM進(jìn)行拉深成形數(shù)值模擬和工藝優(yōu)化。采用設(shè)置板料壓邊力，摩擦系數(shù)以及拉延筋的方法，以內(nèi)板的成形極限圖（FLD）和壁厚分布圖為衡量標(biāo)準(zhǔn)，對成形缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行預(yù)測和優(yōu)化，得到最佳加載方式。然后運(yùn)用三維造型軟件UG進(jìn)行了汽車內(nèi)板的凸、凹模和壓邊圈的設(shè)計并進(jìn)行了模具零部件的設(shè)計，完成了模具裝配與校核。結(jié)果表明，在凹模上設(shè)置拉延筋并且設(shè)置合理的壓邊力和摩擦系數(shù)，可以有效地提高工件的成形質(zhì)量，防止起皺和破裂的產(chǎn)生，最后運(yùn)用UG進(jìn)行三維零件的繪制與裝配，減少了模具研發(fā)的時間與試模周期。

關(guān)鍵詞：汽車覆蓋件；數(shù)值模擬；汽車門內(nèi)板；有限元

DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.022

中圖分類號： TG394

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）04-0118-04

Abstract：In the drawing process in order to reduce automobile wrinkling and rupture defect， In view of the material for the AA6009 aluminum alloy door inner plate， using the finite element software DYNAFORM to carry on the drawing forming numerical simulation and the craft optimization. By setting the sheet blank holder force， drawbead and friction coefficient method， the forming limit diagram （FLD） and the wall thickness distribution of the plate are measured as the standard.， prediction and optimization of the cause of forming defects， get the best loading. Then use the threedimensional modeling software UG to carry on the automobile interior board convex， concave die and the blank holder design and carried on the mold component design， completed the mold assembly and the check.. The result show that set draw bead on die and effective binder force and proper coefficient of friction may reduce the tendency of wrinkling and improve the quality of stamping product. Finally， the use of UG for threedimensional parts of the drawing and assembly， reduce the time of mold development and test mode cycle.

Keywords：automobile panel； numerical simulation； automobile door inner panel； finite element

0 引 言

鋁合金汽車覆蓋件能夠滿足汽車輕量化的特殊要求，能滿足沖壓件的強(qiáng)度要求，減輕對原材料的消耗及零件的重量，近年來已經(jīng)成為許多人研究的熱點[1-2]。板料成形是一個非常復(fù)雜的過程，很多因素都影響著成形的結(jié)果。但由于鋁合金成形性差，汽車覆蓋件尺寸較大，壁厚分布不均勻，曲面多且形狀復(fù)雜，在普通的傳統(tǒng)拉深工藝中很難一次成形[3-4]。如果只依靠在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行調(diào)試的話，生產(chǎn)周期將會大大拉長[5-6]。而在模具制造之前對板料的成形進(jìn)行計算機(jī)數(shù)值模擬，并依據(jù)模擬的結(jié)果來設(shè)計、制造模具，這將會縮短模具的調(diào)試時間從而達(dá)到短周期、高質(zhì)量的設(shè)計目的[7-8]。

本文利用有限元模擬軟件DYNAFORM對車門內(nèi)板做數(shù)值模擬分析[9-12]，對起皺、破裂等成形缺陷發(fā)生原因和如何預(yù)防進(jìn)行具體闡述[13-16]。以車門內(nèi)板為實例，通過對比成形極限圖以及壁厚減薄率，對不同壓邊力，不同拉延筋以及不同摩擦系數(shù)下板料沖壓成形有限元模擬進(jìn)行了實例分析，對沖壓成形質(zhì)量進(jìn)行了比較[17-20]。

1 車門內(nèi)板有限元模型

研究對象為車門內(nèi)板，采用的材料是鋁合金AA6009。材料力學(xué)性能見表1。鋁合金AA6009具有密度小、彈性好、比強(qiáng)度和比剛度較高、抗沖擊性能好等優(yōu)點，適用應(yīng)用于汽車覆蓋件。

通過三維軟件UG建立車門內(nèi)板模型，并將其以*igs格式導(dǎo)入到數(shù)值模擬軟件DYNAFORM中并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，之后對零件提取中性層后，將提取中性層后的零件的法蘭邊展開，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，補(bǔ)全孔洞。其網(wǎng)格模型如圖1所示。本文采用雙動拉深成形，BT殼單元，板坯厚度1.5mm，模具行程280mm。圖2為自動對模后的有限元模型。

2 缺陷分析

板材變形在外力作用下開始，當(dāng)承載面積的減少不能和應(yīng)變強(qiáng)化量抵消時，則處在危險變形狀態(tài)。首先變形的是承載力弱的部位，然后從凸臺拐角處斷裂。

金屬薄板成形中，模具在對板施加外力的作用下，導(dǎo)致板材的塑性變形，由于受力復(fù)雜，應(yīng)力應(yīng)變變化復(fù)雜，在成形過程中，板厚方向極不穩(wěn)定，所以容易產(chǎn)生起皺。

根據(jù)公式計算出的壓邊力接近100kN，對壓邊力理論計算結(jié)果100kN，摩擦系數(shù)選用默認(rèn)值0.125進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，車內(nèi)板在拉延過程中由于壓邊力過小造成了側(cè)壁起皺以及摩擦系數(shù)過大造成凸臺拉裂現(xiàn)象，繼續(xù)拉延使零件的破裂趨勢增大。如圖3紅色破裂區(qū)。對付拉裂和起皺的措施是改變壓料阻力水平，產(chǎn)生均勻脹形。因此，在其他條件不變的情況下，增大壓邊力和減小摩擦系數(shù)進(jìn)行模擬，采用正交方法設(shè)置參數(shù)，結(jié)果如表2所示。

通過表2對比可以看出，壓邊力為200kN，摩擦系數(shù)為0.1的第2組相對其他組壁厚減薄率最小，達(dá)到44.4%，由圖4可以看出，第2組模擬的成形結(jié)果較好，沒有出現(xiàn)破裂的現(xiàn)象，褶皺的趨勢變小，從第1組的成形極限圖可以看出，兩個角凸臺部分有起皺，由于板料尺寸大，法蘭部分寬，受到的切向力大，所以兩個角凸臺部分抗起皺能力差，得不到良好的塑性變形，剛度小，嚴(yán)重影響了車門質(zhì)量；第9組的模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)壓邊力達(dá)到250kN，摩擦系數(shù)0.15時，由于壓邊力和摩擦系數(shù)過大，由于在拉深時板料無法配合沖壓進(jìn)給，拐角處變形大，使凸臺圓角處出現(xiàn)拉裂。

3 拉延筋對成形的影響

在未設(shè)置拉延筋時板料成形結(jié)果如圖5（a）所示。

選擇汽車車門內(nèi)板的拉深筋為多截半圓的等效拉深筋，深5mm。車門內(nèi)板車窗部分的內(nèi)凹成形區(qū)在沖壓時形變很大，為了促進(jìn)板料流動，需降低拉深筋阻力的車窗部分，所以設(shè)置單通道拉延筋。車門內(nèi)板模擬結(jié)果如圖5（b）所示。

由圖5（a）可以看出，只靠壓邊力在成形時局部也會產(chǎn)生起皺現(xiàn)象同時未變形區(qū)域也明顯增大，并且在一些地方出現(xiàn)了裂痕，因此只依靠壓邊力無法完全保證成形質(zhì)量；圖5（b）通過調(diào)整拉延筋，可以改變部分進(jìn)料阻力在板料拉延成形過程中，變形區(qū)的應(yīng)力及其分布可調(diào)；還可以增加板料流動穩(wěn)定性得到均勻變形的件。加入拉延筋可以補(bǔ)充壓邊力不夠，增大進(jìn)料阻力，從而避免產(chǎn)生由于缺乏壓邊力造成表面畸變和起皺等成形缺陷，同時提高零件的剛度。

4 車門內(nèi)板拉深模設(shè)計

應(yīng)用UG模具工程和模具設(shè)計兩個模塊進(jìn)行了車門覆蓋件模具的三維設(shè)計。模具工程模塊將專家的設(shè)計和工藝經(jīng)驗融入到模塊中，以指導(dǎo)設(shè)計過程中的向?qū)б徊揭徊酵瓿赡＞咴O(shè)計的過程。模具設(shè)計模塊提供了一套專用工具來創(chuàng)建沖壓模具零件，例如凸模、凹模和壓料圈等。圖6（a）為凸模，圖6（b）為凹模，圖6（c）為壓料圈，圖6（d）為拉深模。

5 結(jié) 論

1）壓邊力和摩擦系數(shù)對成形質(zhì)量有直接的影響，當(dāng)壓邊力較大，在形成起皺的趨勢并不明顯，但開裂的趨勢更為明顯，當(dāng)壓邊力在較小的拉深成形過程中，這種趨勢更加明顯，但開裂趨勢不明顯；當(dāng)摩擦系數(shù)過大，所提供的摩擦力大，進(jìn)料阻力越大，越容易產(chǎn)生破裂現(xiàn)象，摩擦系數(shù)過小，所提供的摩擦力小，進(jìn)料阻力過小，容易產(chǎn)生褶皺現(xiàn)象。

2）輔助拉延筋是在對進(jìn)料阻力的有效調(diào)節(jié)方法。通過調(diào)整拉延筋，可以改變部分進(jìn)料阻力。在板料拉延成形過程中，這種變形區(qū)的應(yīng)力及其分布可調(diào)；還可以增加板料流動穩(wěn)定性得到均勻變形的件。合理選擇機(jī)床噸位和拉延筋的阻力系數(shù)，從而使缺陷大大降低，使板料的利用率上升。

3）通過對汽車內(nèi)板進(jìn)行數(shù)值模擬，在實際生產(chǎn)過程之前減少模具研發(fā)時間與試模周期，減少成本，提高效率。

4）通過汽車車門內(nèi)板拉深模結(jié)構(gòu)的特點以及UG良好的功能，通過車門內(nèi)板的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行模板式設(shè)計過程，以此來證明模板化的設(shè)計過程不但可以實行，而且與數(shù)值模擬技術(shù)互相輔助，為其他工件的模具生產(chǎn)做鋪墊。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：關(guān) 毅）