鋁板動(dòng)態(tài)摩擦沖壓成形仿真分析

鄭德兵，鮑 立

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

0 引言

汽車輕量化的需求使鋁板的應(yīng)用與日俱增，鋁板的沖壓成形成為沖壓加工的重要研究方向，其模擬仿真技術(shù)對(duì)輔助沖模及沖壓加工工藝設(shè)計(jì)有重要的作用，可有效提高沖壓件的成形質(zhì)量、縮短加工周期、降低加工成本[1,2]。

大型拉深模的沖壓過(guò)程包含板料的彈塑性變形、制件與模具零件的接觸碰撞與摩擦等，使沖模的設(shè)計(jì)計(jì)算較復(fù)雜[3]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元理論方法的快速發(fā)展，有限元數(shù)值模擬計(jì)算成為研究金屬板材沖壓成形的重要方式[4]，在沖壓成形過(guò)程中，摩擦系數(shù)對(duì)板材沖壓成形過(guò)程中的受力狀態(tài)計(jì)算具有重要的影響，是影響沖壓成形缺陷的重要輸入?yún)?shù)[5]。目前，板材成形過(guò)程仿真中摩擦系數(shù)大多按常數(shù)處理，且多數(shù)采用庫(kù)倫摩擦定律仿真。在塑性成形中，正壓力一般大于制件材料的屈服應(yīng)力，因此采用庫(kù)倫摩擦模型求得的摩擦應(yīng)力偏高，大于制件剪切屈服應(yīng)力，使庫(kù)倫摩擦模型的應(yīng)用存在較大局限性。在某車型流水槽制件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)采用恒定摩擦系數(shù)分析時(shí)，仿真結(jié)果與實(shí)際制件不符，因此，考慮在成形仿真中采用動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)，以提高其準(zhǔn)確性[6,7]。

1 有限元模型

典型的沖壓成形系統(tǒng)由板料、壓邊圈、拉深筋、凸模和凹模組成。成形過(guò)程中模具的剛度大于板料的剛度，且主要研究板料在沖壓過(guò)程中的變形，故在數(shù)值模擬的接觸摩擦問(wèn)題處理中，將模具（凸、凹模）看作剛體，而將板料看作變形體。在該系統(tǒng)各部件組成的接觸體系中，包括以下4個(gè)接觸對(duì)：①板料與凸模之間的接觸；②板料與凹模之間的接觸；③板料與拉深筋之間的接觸；④板料與壓邊圈之間的接觸?，F(xiàn)研究板料與剛性凸模、凹模和拉深筋之間的接觸摩擦問(wèn)題。

選取某量產(chǎn)車型的加強(qiáng)板為研究對(duì)象，此加強(qiáng)板材料牌號(hào)為GMW15192M-AL-S-5000-RSS-110-U鋁板，料厚為1.2 mm。沖壓有限元模面模型如圖1所示，由圖1可知，采用AutoForm R8軟件分別創(chuàng)建Coulomb恒定摩擦系數(shù)和TriboForm動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)的成形CAE模型，對(duì)比研究恒定摩擦系數(shù)與動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)下成形仿真結(jié)果與量產(chǎn)制件成形狀態(tài)的一致性。

圖1 加強(qiáng)板模面模型

2 量產(chǎn)數(shù)據(jù)處理

選取5個(gè)不同批次的加強(qiáng)板量產(chǎn)制件，分別測(cè)量測(cè)點(diǎn)位置的板料流入量及料厚，并逆向掃描加強(qiáng)板量產(chǎn)模具的凸、凹模模面，基于加強(qiáng)板拉深模的逆向模面數(shù)據(jù)和量產(chǎn)生產(chǎn)工藝參數(shù)重新建立CAE模型。

2.1 流入量測(cè)點(diǎn)布置

板料流入量是指從壓邊圈閉合到拉深過(guò)程結(jié)束，板料流入分模線的數(shù)值。板料流動(dòng)狀態(tài)由板料流入量決定，板料的開(kāi)裂和起皺、扭曲和回彈、沖擊線和滑移線等質(zhì)量缺陷與板料流入量密切相關(guān)，后續(xù)工序的修邊模刃口和夾持器位置等也依據(jù)拉深板料流入量設(shè)計(jì)。

選取加強(qiáng)板板料典型位置為基點(diǎn)，共5個(gè)測(cè)點(diǎn)，并在壓邊圈閉合后，在板料和壓邊圈上用油筆畫出相應(yīng)的標(biāo)記，與板料拉深完畢后的輪廓比較后得到流入量分布，如圖2所示。

圖2 加強(qiáng)板流入量測(cè)點(diǎn)布置

2.2 料厚測(cè)點(diǎn)布置

參考前期CAE板料減薄率結(jié)果及后續(xù)料厚測(cè)量的可操作性，減薄率測(cè)點(diǎn)分別布置在加強(qiáng)板拉深工序件的縱向和橫向的中心線附近及側(cè)壁減薄率較大的區(qū)域，共5個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 加強(qiáng)板料厚測(cè)點(diǎn)布置

2.3 量產(chǎn)數(shù)據(jù)處理

將每個(gè)加強(qiáng)板各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)記錄到測(cè)量表中，加強(qiáng)板板料流入量如表1所示，平均料厚如表2所示。

表1 板料流入量測(cè)量記錄

表2 平均料厚測(cè)量記錄

取各測(cè)點(diǎn)板料流入量的平均值，將料厚轉(zhuǎn)化為減薄率數(shù)據(jù)，并取各測(cè)點(diǎn)減薄率的平均值，各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖4所示。

圖4 加強(qiáng)板的流入量和減薄率

3 結(jié)果對(duì)比分析

基于加強(qiáng)板逆向模面數(shù)據(jù)及量產(chǎn)工藝參數(shù)創(chuàng)建成形CAE分析模型，完成恒定摩擦與動(dòng)態(tài)摩擦設(shè)置的仿真分析，對(duì)比恒定摩擦與動(dòng)態(tài)摩擦的成形極限圖，并對(duì)比加強(qiáng)板量產(chǎn)制件的板料流入量和減薄率等成形狀態(tài)。

3.1 成形極限圖

圖5所示分別為恒定摩擦和動(dòng)態(tài)摩擦的成形極限圖。其中圈中區(qū)域（見(jiàn)圖5（b））表示該區(qū)板料有開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，該區(qū)域的模擬結(jié)果處于臨界狀態(tài)，必須優(yōu)化，圈中區(qū)域模擬的準(zhǔn)確與否將影響前期設(shè)計(jì)和工藝規(guī)劃。

圖5 成形極限圖對(duì)比

對(duì)比恒定、動(dòng)態(tài)摩擦的成形極限結(jié)果，分析結(jié)論如下：①加強(qiáng)板成形性狀態(tài)發(fā)生變化，但均無(wú)開(kāi)裂區(qū)域，與實(shí)物一致；②針對(duì)加強(qiáng)板CAE成形結(jié)果，相對(duì)于Coulomb恒定摩擦系數(shù)，TriboForm動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)（圈中區(qū)域）比例上升0.26個(gè)百分點(diǎn)，主要體現(xiàn)在拉深最高點(diǎn)（最大減薄率區(qū)域）。

3.2 板料流入量

恒定摩擦和動(dòng)態(tài)摩擦的板料流入量數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖6所示。以加強(qiáng)板實(shí)物流入量平均值為標(biāo)準(zhǔn)值（X軸），對(duì)比不同測(cè)點(diǎn)下Coulomb和TriboForm的板料流入量偏差絕對(duì)值（Y軸）。一般鈑金沖壓板料流入量與CAE分析結(jié)果相差應(yīng)＜3 mm（上限USL）。

圖6 加強(qiáng)板流入量數(shù)據(jù)分析

對(duì)板料流入量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)論如下：①根據(jù)加強(qiáng)板的流入量結(jié)果，TriboForm偏差絕對(duì)值較Coulomb更接近標(biāo)準(zhǔn)值，均小于2 mm；②加強(qiáng)板TriboForm的流入量結(jié)果平均偏差絕對(duì)值比Coulomb提升64.5%。

3.3 板料減薄率

圖7所示為恒定摩擦和動(dòng)態(tài)摩擦的板料減薄率數(shù)據(jù)分析結(jié)果。以實(shí)物減薄率平均值為標(biāo)準(zhǔn)值（X軸），對(duì)比不同測(cè)點(diǎn)下Coulomb和TriboForm的減薄率偏差絕對(duì)值（Y軸）。

圖7 加強(qiáng)板減薄率數(shù)據(jù)分析

對(duì)加強(qiáng)板減薄率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)論如下：①針對(duì)加強(qiáng)板的減薄率結(jié)果，TriboForm偏差絕對(duì)值較Coulomb更接近標(biāo)準(zhǔn)值，最大減薄率P2測(cè)點(diǎn)也更接近實(shí)物狀態(tài)，偏差僅0.1個(gè)百分點(diǎn)（1%是Coulomb的偏差絕對(duì)值）；②加強(qiáng)板的TriboForm減薄率平均偏差絕對(duì)值比Coulomb提升47%。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知，動(dòng)態(tài)摩擦的鈑金沖壓CAE成形結(jié)果更接近加強(qiáng)板量產(chǎn)制件的生產(chǎn)狀態(tài)，且在板料流入量和料厚減薄率方面，針對(duì)所選取的加強(qiáng)板，動(dòng)態(tài)摩擦的流入量和減薄率平均偏差絕對(duì)值比恒定摩擦分別提升了64.5%和47%，其模擬準(zhǔn)確程度相對(duì)于恒定摩擦均有大幅度的提升。

在整車的同步成形開(kāi)發(fā)中，針對(duì)鋁板制件，尤其是采用拉深工藝，有必要引入動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)進(jìn)行成形仿真分析，可進(jìn)一步提升鈑金成形仿真分析的準(zhǔn)確性，并可指導(dǎo)前期設(shè)計(jì)優(yōu)化和工藝規(guī)劃，保證高質(zhì)量的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)以及量產(chǎn)制件質(zhì)量的穩(wěn)定性。