基于ST14材料沖壓工藝有限元分析應用

袁小江 張秋菊

（①無錫科技職業學院，江蘇無錫214028;②江南大學，江蘇 無錫214122）

大眾某型號汽車的左右后門窗框前支架對稱工件如圖1所示。該工件是兩個具有對稱性結構特點的工件，工件結構不規則，具有彎曲、拉深等工藝的復雜成形特點。工件材料為ST14，該材料屬于普通結構鋼的冷軋鋼板（冷軋板是以熱軋為原料，在室溫下在再結晶溫度以下進行軋制而成），屈服強度220 MPa，抗拉強度270～350 MPa，硬度約為50 HRB，Mn含量≤0.4% 、C含量≤0.08%，在沖壓產品材料的使用等級中，ST14材料主要是側重于拉深性能，屬于深拉深級。ST14材料和普通低碳鍍鋅板相比硬度高，但是可塑性和韌性差。ST14材料相當于SPCE材料，目前國內使用的ST14材料主要以寶鋼生產的為主。

1 工件沖壓工藝分析

圖1所示的左右后門窗框前支架工件如果只針對一個工件來分析，根據經驗的沖壓工藝分析可知，工件在成形過程中受單邊的側向力，容易導致材料的偏移、起皺等缺陷問題，并且這些缺陷問題比較難于解決。

根據對稱性工件的結構特點，如果把對稱的兩個工件設置在一塊材料上一起進行沖壓成形，則可以使兩個工件所受的單邊側向力相互抵消，一定程度上克服沖壓工藝的缺陷問題，最后將整體材料的工件一切為二，得到一對對稱工件。

根據上述左右后門窗框前支架工件的沖壓工藝分析，該工件的沖壓工藝大致可以分為:落料、成形、沖孔切邊、切斷、彎曲五個基本工序。兩個對稱工件一起進行沖壓成形，這也增加了成形工序的工藝難度，基于經驗設計的工件成形工藝結構能否保證工件一次性合格成形，這都給設計者較高的考驗［1］。

2 基于AutoForm沖壓工藝有限元分析［6］

左右后門窗框前支架工件沖壓工藝的重點和難點都是成形工藝，落料、切斷、彎曲等工藝相對簡單些，基于經驗設計基本能確保產品一次性合格。但是針對深拉深級的ST14材料的成形工藝，經驗設計也很難確保產品一次性合格，如果不能一次性調試合格，這種成形模具的修改是非常困難的，也容易導致產品成本的大幅增加，并拖延產品開發的周期。所以此時需要將經驗設計與優秀的AutoForm沖壓工藝有限元分析軟件相結合，輔助設計人員進行設計，準確地把握工件沖壓工藝的缺陷問題，優化結構方案設計。

2.1 壓延筋工藝結構有限元分析

根據左右后門窗框前支架對稱工件成形工藝的經驗分析，為防止成形過程中ST14材料過快流動而起皺，經驗設計之一就是在壓邊圈的周邊設置一圈壓延筋，材料經過壓延筋的工藝結構由壓邊圈向工件內部流動成形，起到減緩材料過快流動的作用，防止工件彎曲、拉深成形的部位材料堆積而起皺。基于壓延筋工藝結構的AutoForm軟件模擬成形工藝如圖2所，其分析結果如圖3所示。

從圖3基于壓延筋工藝結構的有限元分析結果來看，ST14材料很明顯地在拉深成形部位出現了嚴重的開裂現象。雖然壓延筋工藝結構有效地解決了起皺問題，但是由于壓延筋使材料受到較大的摩擦阻力，不能良好地向內部補充材料而出現開裂，所以壓延筋工藝結構不合理。

2.2 包覆面工藝結構有限元分析

根據壓延筋工藝結構所產生的問題，為了既防止材料過快流動，又能一定程度減小摩擦阻力，使材料在受控的條件下成形，采用在凸模外圍周邊設置包覆面的工藝結構如圖4所示，其分析結果如圖5所示。

從圖5基于包覆面工藝結構的有限元分析結果來看，與壓延筋工藝結構相比，材料開裂現象得到了較好的控制，但是局部還有些小開裂的現象（如圖5所示），小開裂對應的邊緣部位材料流動不順利，從而導致兩個凸起的角部材料補充不足而開裂;該處的工藝結構與壓延筋工藝結構處不同，主要是由于包覆面的工藝結構增加了工件后續切邊、切斷的高度，為了減小后續工藝的難點，在包覆面工藝結構的兩個對稱工件中間設置為規則的過渡平面。包覆面工藝結構對工件成形基本是成功的，只需再進行局部的工藝修改即可。在局部開裂的對應處設置較大的圓弧，結合壓延筋工藝結構該處的優點，分析結果如圖6所示。

由圖6的有限元工藝分析可以看出，經過局部工藝圓角的修改后，包覆面工藝結構的沖壓成形結果是良好的，相關指數都沒有超出安全范圍。在此沖壓工藝分析的基礎上，再結合經驗進行模具結構的優化設計，這樣能夠保證模具一次性調試成功。

3 不同材料的分析比較

針對ST14材料的左右后門窗框前支架對稱工件沖壓工藝的分析，與經驗結構工藝設計取得了良好的結合效果，針對ST14材料的沖壓工藝參數設置也在合理范圍內。為了說明這些工藝結構設置對ST14材料成形工藝的針對性，下面將左右后門窗框前支架工件設置為日本牌號材料（沖壓用）SGCD1，材料設置如圖7所示。按照相同的工藝條件進行沖壓工藝有限元分析，分析結果如圖8所示。

針對日本牌號材料（沖壓用）SGCD1的分析結果，圖8中材料的空白處為成形工藝中材料的開裂位置，開裂現象比較嚴重，開裂缺陷出現在多個位置;這說明按照ST14材料設置的工藝結構是特定的，換成其他材料則需要不同的工藝結構。

4 結語

基于AutoForm沖壓工藝有限元分析軟件，針對ST14材料的左右后門窗框前支架工件工藝分析，與工程設計人員的經驗相結合，根據沖壓成形工藝經驗結構的反復修正，分析工件沖壓成形工藝過程中的缺陷問題，對比不同材料相同工件的工藝結構，最終確定合理的工藝結構，從而輔助設計人員進行模具結構的優化設計，大大提高了結構設計的科學性，降低了實際生產成本。

［1］成虹，江秉華.基于CAE的某加強件沖壓成形工藝分析與方案的確定［J］.機械設計與制造，2007（10）:130－132.

［2］李立君，周健，王智文，等.基于CAE某型汽車發動機前罩殼沖壓模設計［J］.工程設計學報，2009，16（6）:421 －426.

［3］馮蘭，蔡英文，何丹農，等.金屬板料成形數值模擬的研究現狀［J］.塑性工程學報，2004，11（6）:1 －6.

［4］夏曉峰，蘇傳義.汽車內飾加強板沖壓工藝的制定及有限元模擬分析［J］.鍛壓技術，2006（6）:36－39.

［5］劉艷芳，施法中，馮天飛.等效拉深筋模型在板料成形數值模擬中的具體實現［J］.機械工程學報，2005，45（1）:114 －118.

［6］陳文琳，苗量.數值模擬在汽車覆蓋件壓延筋設計中的應用［J］.合肥工業大學學報，2005，12（10）:1547 －1551.

［7］Huang Q，Kajita S，Kaneko K，et a1.Planning walking patterns for a bipedrobot［J］.IEEE Transactions on Robotics and Automa tion，2001，17（3）:280－289.

［8］Makinouchi A.Sheet metal forming simulation in industry［J］.Journal of Materials Processing Technology，1996，60（1 ～4）:19 －26.

［9］Meinders T，Carleer B D，Geijslaers H J M，et a1.The implementation of an equivalent dread model in a finite－element code sheet metal forming［J］.Journal of Material Processing Technology，1998，83:234 －244.

［10］林通，張侃，胡仁喜.AutoForm4.0鈑金沖壓成形分析從入門到精通［M］.北京:機械工業出版社，2009.