汽車用鋼板St13沖壓成型數值模擬分析

2013-12-31 00:00:00王立楊日輝陳軍

無線互聯科技 2013年11期

摘要：本文應用dynaform數值模擬技術對St13鋼板建立前后梁的沖壓模型，研究其成型性能，得知：St13成型汽車沖壓件，通過反復修改沖頭沖壓速度和壓邊圈壓力優化工藝參數后，能夠表現出良好的成型性。

關鍵詞：汽車前后梁；dynaform；數值模擬技術

隨著現代科學技術的發展，節能環保開始成為人們關注的重點。汽車工業的發展開始以減輕汽車自重節約能耗，降低排放改善環境，采取措施提高安全性為目標。因此開展了新技術、新材料、新工藝和新產品的開發[1]。普通沸騰鋼是50-60年代開發并廣泛應用的第一代深沖鋼產品，只能用于制造普通沖壓件；第二代產品為低碳鋁鎮靜鋼，產生于60～80年代，具有優良的深沖性能；80年代以后出現了以無間隙原子鋼為代表的第三代超低碳超深沖鋼。目前，在超深沖壓級鋼的基礎上開發的超深沖高強度鋼板和超深沖烘烤硬化鋼板已在汽車生產中大量使用。

應用金屬板料成型數值模擬技術可以做到：對起皺和拉裂的預測與消除、回彈的計算、壓邊力的確定、毛坯尺寸的計算、潤滑方案的選擇及模具磨損的預測和改進等。借助于有限元模擬方法對板料成形進行分析，可以使人們獲得對于板料成形過程規律的認識，以較小的代價、在較短的時間內找到最優的或可行的設計方案。因此，可以縮短模具設計周期，降低模具設計成本，提高板料制件的質量及生產效率。

前后梁是比較典型的汽車沖壓件，本課題選擇前后梁作為研究梁類汽車沖壓件的沖壓成型過程的實例，以汽車鋼板ST13作為成型前后梁的材料，用有限元軟件Dynaform對前后梁沖壓成型過程進行數值模擬。

1 St13化學成分

St13是德國牌號，為冷扎板、普通結構鋼。其化學成分為：C<0.08Mn<0.45P<0.030S<0.0255Al≥0.020。

碳含量及其在鋼中的存在形式決定著鋼的強度和其它性能，高的碳含量會造成冷軋后產品的滲碳體級別升高，使強度增加，塑性下降。因為存在較硬而脆的滲碳體阻礙了鐵素體基體變形；對成型用鋼Stl3而言，需要的是較低的屈服強度、高的均勻伸長率和總伸長率。

2 前后梁的建模及前處理

2.1 創建模型

先在DYNAFORM界面做出前后梁實體模型，如圖1。該零件板料取為1.0mm厚的St13普通鋼。生產工藝路線為沖裁、拉深、沖孔、切邊、整形等數道工序，其中拉深是最關鍵的成型步驟。

2.2 參數設定

選擇Tool|Analysis Setup菜單項，默認單位系統是長度單位為mm（毫米），力單位為N（牛頓），時間單位為SEC（秒），質量單位為TON（噸）。成形類型為單動（Single action），默認的毛坯和所有接觸界面類型為單面接觸（From One Way S.toS.）。默認的沖壓方向是Z。接觸間隙為毛坯厚度1.0mm。

2.3 曲面網格劃分

選擇TOOL MESH（工具網格劃分）參數設置為缺省值。

2.4 毛坯網格劃分

根據生成的毛坯輪廓生成毛坯并采用四邊形網格進行網格劃分，共劃分5152個單元，然后進行填充內孔、模型邊界檢查、鎖模檢查和法向一致性檢查等一系列的網格劃分的合理性檢查。

2.5 工具的設定

在菜單項中定義PUNCH（凸摸）、DIE（凹摸）、BINDER（壓邊圈），自上而下分別是凸模、毛坯、壓料面和凹模。

3 St13沖壓模擬結果

在模擬汽車前橫梁拉深成形時，為提高計算效率，采用了近似簡化條件處理拉深成形問題，板料材料采用了Hill 屈服準則的厚向異性材料模型，模具材料采用剛體材料模型。

板料為1.0mm厚的St13普通鋼板成形前后梁，模擬參數設置為：工具行程速度：8000mm/s，壓邊力：800KN。

拉深成形的FLD中，可以看出板料沒有出現破裂、起皺等缺陷，在厚度最大處標出的最大厚度約為1.000894mm，增厚了0.000894mm，增厚了約0.08%，一般認為在成型部分增厚不超過10%，減薄不超過30%，都是可以接受的。

4 結論

⑴用St13成型汽車沖壓件，通過反復修改沖頭速度和壓邊圈壓力的大小來優化工藝參數后，表現出了良好的成型性。⑵通過利用dynaform的數值模擬技術對鋼板St13進行實時動態模擬，可以了解沖壓過程中是否存在嚴重的起皺和開裂傾向，有助于確定最佳參數，優化沖壓工藝。