基于AUTOFORM的汽車前圍橫梁連接板的數(shù)值分析與實驗研究

徐迎強，韓永志，崔禮春

(安徽江淮汽車股份有限公司，合肥 230601)

車身覆蓋件尺寸較大、結構復雜，為空間曲面形狀，用簡單的數(shù)學解析很難表達，其加工過程涉及幾何、材料非線性和復雜的摩擦狀態(tài)等問題。由于影響因素較多，因此無法精確控制材料的流動，較難找到變形規(guī)律，出現(xiàn)的質量問題較多[1—6]。傳統(tǒng)意義上的試模法造成大量資源浪費，已無法應對如今產(chǎn)品更新?lián)Q代的短周期的要求，板料成形CAE使工藝設計人員可以在投產(chǎn)準備階段，預估零件成形中可能出現(xiàn)的缺陷，如回彈、起皺及破裂等，并優(yōu)化工藝參數(shù)，驗證并指導后期的模具設計工作[7—13]。

前圍橫梁連接板的成形工藝，由拉延(DR)、修邊(TR)、翻邊(FL)及整形(RST)等4道工序完成，其中DR是關鍵，它決定了TR，F(xiàn)L和RST等工序的內容及成形狀態(tài)。文中針對汽車前圍橫梁連接板，用板料成形CAE軟件AUTOFORM對其成形過程進行數(shù)值仿真，根據(jù)CAE分析結果對DR型面及工藝參數(shù)進行優(yōu)化，消除零件制造過程中的暗傷及開裂的風險，減小模具開發(fā)周期，保證零件成形狀態(tài)。

1 零件工藝性分析

汽車前圍橫梁連接板二維圖如圖1所示，零件材料為B340LA，材料厚度為1.0 mm，最大外觀尺寸為268 mm×74 mm，型面較復雜，局部位置成形深度大，型面結構變化較大，變形規(guī)律難以掌握，易產(chǎn)生成形缺陷。

圖1 汽車前圍橫梁連接板二維圖Fig.1 Sketch of front beam connecting part

根據(jù)沖壓件的成形工藝，針對零件沖壓方向的設計、拉延壓料面設計及后工序成形狀態(tài)等內容，對汽車前圍橫梁連接板進行工藝方法設計[14—15]。

圖1在添加工藝補充面時，A處直面由后續(xù)FL工序完成，因此現(xiàn)沿翻邊線圓角處展平;B處型面翹曲，增加其拉延深度，減小型面翹曲角度，后續(xù)通過RST工序完成，這樣會保證零件在該處的型面精度;隨零件外輪廓增加壓料面，并保證和數(shù)模實體之間有圓滑過渡，以及合適的圓角和型面光順，保證DR成形順利，完成后的工藝數(shù)模如圖2所示。

圖2 工藝數(shù)模Fig.2 Diagram of process digital

2 參數(shù)設定與有限元建模

2.1 參數(shù)設定

汽車前圍橫梁連接板的材料為B340LA，坯料尺寸為420 mm×190 mm×1.0 mm，其材料的物理性能參數(shù)如表1所示。采用Hill屈服模型，表示為:

表1 材料的物理性能參數(shù)Table1 Mechanical properties of material

2.2 有限元建模

有限元模型如圖3所示，拉延成形采用倒裝結構，凸凹模及壓邊圈選為剛性結構，網(wǎng)格自適應重劃分次數(shù)為3，時間步長為20，板材單元厚度方向積分為5。采用等向強化板材模型，材料本構關系為[19—20]:

式中:k為與材料屬性有關的常數(shù)(k＞0);n為硬化系數(shù)。

圖3 模擬成形的有限元模型Fig.3 Model for FEM analysis

3 模擬結果分析與優(yōu)化

3.1 結果分析

CAE分析結果如圖4所示。從圖4中可以看出，在A處存在開裂風險，原因為該處材料的成形屬于脹形成形，受到雙向拉應力作用，且型面圓角小，變形較為集中，致周圍材料流動不暢而開裂。將A處型面進行球化處理，使成形效果得到了改善，后續(xù)整形工序再將放大的球化型面整形回制件的要求。從圖4中還可以看出，在B處翻邊時，受翻邊工具運動作用，受到雙向拉應力，材料流向兩側，翻邊開裂嚴重，為此DR工序工藝方法需優(yōu)化。

圖4 成形極限Fig.4 Forming limit diagram

3.2 優(yōu)化方案

由于采用原工藝方法進行DR成形，會產(chǎn)生多處開裂缺陷，因此對DR工藝方法進行調整。針對B處翻邊開裂缺陷，將零件兩側翻邊線提高，使翻邊線成直線，消除兩側拉應力，使材料更易流動，消除該處的成形缺陷危險度。對A處型面進行球化處理，后續(xù)整形工序再將放大的球化型面整形回制件的要求，優(yōu)化前后的模面如圖5所示。根據(jù)以上結果，在各工藝參數(shù)相同的情況下，利用新的DR型面對成形過程進行了CAE計算，結果如圖6所示。從圖6可以看出，A處型面球化后，角部無暗傷及拉裂，材料最大減薄率為14.6%，在B340LA(t=1.0 mm)材質減薄率安全范圍內(16.9%);B處無翻邊開裂風險，材料流動均勻，成形結果得到很大改善。

圖5 優(yōu)化前后的工藝補充面Fig.5 Addendum before and after optimization

圖6 優(yōu)化工藝面后的模擬結果Fig.6 Simulation result with optimized addendum

4 物理驗證

按照上述模擬結果，根據(jù)修改及優(yōu)化的拉深件型面，重新設計加工制造模具，調試得到的實驗結果如圖7和8所示。零件成形良好，無暗傷與開裂缺陷。

圖7 最終拉延零件Fig.7 Finished drawing part

圖8 最終產(chǎn)品Fig.8 Final product

5 結論

針對汽車前圍橫梁連接板，通過CAE分析，優(yōu)化成形各工藝參數(shù)，并將優(yōu)化結果應用于實際生產(chǎn)制造中，通過生產(chǎn)結果驗證了CAE仿真的準確性及有效性。

1)CAE仿真能夠預測零件成形過程中存在的缺陷，CAE分析與物理驗證的結合可更好地指導模具設計工作，減小模具開發(fā)周期，保證零件成形狀態(tài)。

2)優(yōu)化后的DR工藝方法是合理的，它改善了零件成形狀態(tài)，使材料均勻一致，消除了坯料在制造過程中出現(xiàn)的多處開裂缺陷的風險，同時也支撐了后續(xù)的修邊、翻邊等工藝內容。

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