整體式側(cè)圍沖壓成形仿真過程中影響因素窗口分析

陳 慶,李曉剛,李春光

(首鋼技術(shù)研究院,北京100043)

整體式側(cè)圍沖壓成形仿真過程中影響因素窗口分析

陳 慶,李曉剛,李春光

(首鋼技術(shù)研究院,北京100043)

整體式側(cè)圍外板是汽車覆蓋件中形狀復(fù)雜、尺寸大以及表面質(zhì)量要求高的零件。由于零件的材料厚度薄、各區(qū)域變形狀態(tài)和變形量差異大,其沖壓過程的拉深變形容易受材料性能、形狀尺寸、模具狀態(tài)、接觸潤滑和工藝參數(shù)的影響而產(chǎn)生成形缺陷。尤其在模具狀態(tài)和工藝參數(shù)一定的情況下,其成形性對(duì)材料性能參數(shù)變化較為敏感。因此采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)左側(cè)圍外板零件成形過程進(jìn)行大量的成形仿真,考慮多個(gè)重要影響因素對(duì)板料成形性能的影響,以確定此零件沖壓成形時(shí)易失穩(wěn)部位的關(guān)鍵影響參數(shù),并確定該零件材料參數(shù)和沖壓工藝參數(shù)窗口。

沖壓仿真;影響因素窗口;側(cè)圍

1　有限元模型的建立與仿真

1.1建立拉延工序有限元模型

將作好工藝補(bǔ)充的左側(cè)圍外板零件第一序數(shù)模以IGS格式導(dǎo)入軟件見圖1所示,通過自適應(yīng)網(wǎng)格劃分,對(duì)模具盡量細(xì)分網(wǎng)格來保證模具的精度。現(xiàn)場(chǎng)零件圖見圖2所示。

圖1　第一序側(cè)圍零件數(shù)模及網(wǎng)格劃分圖

圖2　現(xiàn)場(chǎng)零件圖

在此基礎(chǔ)上偏置出壓邊圈、凸模、凹模,建立的有限元模型見圖3所示。本模型有三個(gè)壓邊圈,兩個(gè)內(nèi)壓邊圈依賴氮?dú)鈴椈蓧毫?外壓邊圈則通過下工作臺(tái)上的氣墊頂桿頂起。模具采取單動(dòng)沖壓。

為了更好地控制板料流動(dòng),使板料變形流動(dòng)均勻,在凹模和壓邊圈上建立了等效拉延筋。拉延筋位置和參數(shù)設(shè)置見圖4所示。

圖3　有限元模型圖

圖4　拉延筋位置及參數(shù)設(shè)置圖

1.2材料參數(shù)選擇與設(shè)定

本零件采用DX54D+Z牌號(hào),板料厚度為0.75mm,板料的尺寸和網(wǎng)格劃分見圖5所示,長寬方向分別為3 570mm×1 570mm,材料性能參數(shù)見圖6所示。摩擦系數(shù)取0.15,單位壓邊力為P=3MPa,計(jì)算精確度按常規(guī)進(jìn)行計(jì)算。以BT殼單元進(jìn)行幾何離散,用隱式增量有限元迭代求解。

圖5　板料形狀及網(wǎng)格劃分

圖6　材料參數(shù)圖

1.3有限元模擬分析結(jié)果

設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)后提交計(jì)算,進(jìn)行有限元模擬分析,可以得到如FLD圖、成形性能、變薄率、材料厚度、主次應(yīng)變等分析結(jié)果。圖7為仿真成形后結(jié)果和仿真成形后零件的FLD圖。

圖7　仿真成形結(jié)果及FLD圖

圖8　成形后零件厚度及減薄率分布云圖

圖8所示為仿真成形后零件的厚度分布和減薄率分布云圖,成形后零件最小壁厚為0.538 2mm,最大壁厚為0.807 5mm,最大減薄率為28.234 9%,最大增厚7.665 2%。本零件要求減薄率小于30%,增厚率不大于10%。

由FLD圖可見,零件成形后網(wǎng)格應(yīng)變分布接近成形極限曲線FLC,在部分區(qū)域出現(xiàn)黃色,有破裂趨勢(shì)。以成形極限圖FLD作為判斷成形發(fā)生破裂的標(biāo)準(zhǔn),并以最大減薄率判斷成形性能的好壞,最大減薄率越小則成形性能越好。

2　沖壓工藝參數(shù)對(duì)成型性能的影響及選取窗口

在實(shí)際生產(chǎn)過程中,影響零件成形的因素分為兩類,一類是現(xiàn)場(chǎng)沖壓工藝參數(shù),比如壓邊力、摩擦系數(shù)、板料尺寸、拉延筋高度等,另一類是由于材料參數(shù)波動(dòng)引起的材料參數(shù)變化。當(dāng)模具和板料尺寸確定不變時(shí),第一類中很多因素將不能發(fā)生改變,可調(diào)整的沖壓工藝因素主要為壓邊力、摩擦系數(shù)。本節(jié)結(jié)合實(shí)際情況以仿真為基礎(chǔ),研究?jī)深悈?shù)的變化對(duì)成形的影響。

在其他工藝參數(shù)不變的情況下,只更改壓邊力的大小,分別設(shè)定為P=2.4、2.7、3.0、3.3、3.6(MPa),可以得到零件的最大減薄率和最大增厚率,然后只更改摩擦系數(shù)的大小,分別設(shè)定為μ=0.135、0.142、0.15、0.157、0.165,計(jì)算后得到零件的最大減薄率M和最大增厚率m見表1所示,最大減薄率M和最大增厚率m的變化曲線見圖9所示。

表1　更改壓邊力P和摩擦系數(shù)μ后的最大減薄率M和最大增厚率m

圖9　改變壓邊力對(duì)應(yīng)最大減薄率和最大增厚率變化圖

由圖9可知,在其他工藝參數(shù)不變的情況下,隨著壓邊力和摩擦系數(shù)的增大,板料的最大減薄率也增大,最大增厚率有所減小,破裂風(fēng)險(xiǎn)增大,起皺風(fēng)險(xiǎn)減小,材料從沒有發(fā)生破裂到發(fā)生破裂,在P=3.6MPa、μ=0.165時(shí)發(fā)生破裂。在滿足零件不發(fā)生起皺的要求下可適當(dāng)減小壓邊力,板料最大減薄率會(huì)有所減小,使零件成形后的厚度變化更均勻。在成形過程中為了減小摩擦系數(shù)可以在模具和板料表面適量涂抹潤滑油,增加難成形部位的板料流動(dòng),促進(jìn)零件成形。除需要控制好模具表面質(zhì)量和潤滑狀況外,需要控制好板料的表面形貌和質(zhì)量,減少板料表面粗糙度以減少成形過程的摩擦力。壓邊力取值窗口須在P=2.4MPa～3.3MPa之間,而摩擦系數(shù)應(yīng)控制在0.15以下。

3　材料參數(shù)變化對(duì)成型性能的影響和選取窗口

材料的性能參數(shù)對(duì)成形的影響很大,所以需對(duì)材料性能參數(shù)進(jìn)行研究,充分了解性能參數(shù)對(duì)成形的影響。材料性能影響板料成形的因素有很多,如屈服強(qiáng)度(σ0)、抗拉強(qiáng)度(σb)、均勻伸長率、硬化指數(shù)n、厚向異性系數(shù)r等,這些因素互相影響著板料的成形,因此,需要研究主要的材料參數(shù)來評(píng)定板料的成形性能。

本小節(jié)采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)該零件的成形過程進(jìn)行大量的運(yùn)算,考慮5個(gè)重要的材料性能參數(shù)即屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、屈強(qiáng)比、硬化指數(shù)、厚向異性指數(shù)r對(duì)板料成形的影響趨勢(shì)及各因素的取值窗口。

保持材料性能參數(shù)抗拉強(qiáng)度290MPa、n值為0.23、r值為2.2、摩擦系數(shù)為0.15,壓邊力P =3MPa不變,取材料σ0分別為135MPa、145MPa、155MPa、165MPa和175MPa,即屈強(qiáng)比分別為0.465 5、0.5、0.534 5、0.569和0.603 4進(jìn)行仿真計(jì)算,得到最大減薄率M和最大增厚率m。同理,取σb分別為270MPa、280MPa、290MPa、300MPa、310MPa,即屈強(qiáng)比分別為0.571 4、0.553 6、0.534 5、0.516 7、0.5。取n分別為0.21、0.22、0.23、0.24、0.25,r值分別為1.8、2.0、2.2、2.4、2.6。計(jì)算后得到零件的最大減薄率M和最大增厚率m見表2所示,改變屈強(qiáng)比對(duì)應(yīng)的最大減薄率M和最大增厚率m見表3所示。最大減薄率M和最大增厚率m的變化曲線見圖10所示。

隨著屈服強(qiáng)度的增大,板料厚度越變?cè)奖?最大減薄率隨之增大,最大增厚率隨之減小。當(dāng)材料屈服強(qiáng)度為175MPa時(shí)零件變形,有局部區(qū)域接近破裂。這說明材料屈服強(qiáng)度越小,越容易發(fā)生變形屈服,產(chǎn)生相同變形所需的變形力越小,越容易使板料塑性變形增大,有利于提高覆蓋件的形狀精度和零件剛度。因此屈服強(qiáng)度選取范圍應(yīng)小于165MPa。

表2　改變材料參數(shù)后的最大減薄率和最大增厚率

表3　改變屈強(qiáng)比后的最大減薄率和最大增厚率

圖10　改變材料參數(shù)后的最大減薄率M和最大增厚率m的變化曲線

隨著抗拉強(qiáng)度的增加,板料的成形效果變好,板料最大減薄率越來越小,最大增厚率越來越大。這說明抗拉強(qiáng)度越大,板料邊緣部分在壓應(yīng)力作用下容易進(jìn)入塑性變形狀態(tài)而不易起皺,降低了塑性變形力,成形穩(wěn)定性變高。因此抗拉強(qiáng)度應(yīng)選取大于270MPa。

隨著n值的增加,板料變形的最大減薄量越來越小,最大增厚率越來越大,板料的成形性越來越好。當(dāng)n值為0.21時(shí),最大減薄率達(dá)到29.422 1%,零件臨近破裂,FLD圖上應(yīng)變值非常接近FLC曲線。由此看出,由于本零件具有局部區(qū)域脹形較大、變形分布不均的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),隨著n值的增大,板料流動(dòng)變形越均勻,減少了板料局部的集中變薄,有利于材料的成形。因此n值應(yīng)選取大于0.22的材料。

隨著r值的增加,成形后零件的最大減薄率減小,最大增厚率增大,板料的成形性變好。當(dāng)材料的厚向異性系數(shù)r為1.8時(shí),最大減薄率增加到29.522 1%,FLD圖上應(yīng)變值也很接近FLC曲線,有發(fā)生破裂的趨向。由此得出,由于r值控制著板料厚度方向的變形,r值越大,板料抵抗變薄的能力也越強(qiáng),因而板料不容易變薄,有利于零件的成形和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。因此r值應(yīng)選取大于2.2的材料。

隨著屈強(qiáng)比的增大,零件的減薄率增大,增厚率減小,當(dāng)超過0.6時(shí),零件達(dá)到臨近破裂極限。這說明屈強(qiáng)比小會(huì)利于材料的屈服變形,容易進(jìn)入塑性狀態(tài),同時(shí)降低塑性變形力而不易起皺,既保證成形的穩(wěn)定性又可以保證零件的形狀精度和零件剛度,因此屈強(qiáng)比應(yīng)小于0.6。

綜上所述,沖壓工藝方面:壓邊力取值窗口須在P=2.4MPa～3.3MPa之間;摩擦系數(shù)應(yīng)控制在0.15以下;減小壓邊力和摩擦系數(shù)利于零件成形,更易保證本零件的均勻變形和穩(wěn)定性。材料性能方面:屈服強(qiáng)度選取范圍應(yīng)小于165MPa;抗拉強(qiáng)度應(yīng)選取大于270MPa;屈強(qiáng)比應(yīng)選取小于0.6;n值應(yīng)選取大于0.22;r值應(yīng)選取大于2.2;適當(dāng)減小屈服強(qiáng)度、提高抗拉強(qiáng)度、減小屈強(qiáng)比、提高n值和r值利于零件的成形,減小零件生產(chǎn)的廢品率。

4　結(jié)論

通過對(duì)零件的建模,模擬參數(shù)設(shè)置等方面的操作,利用薄板沖壓軟件AutoForm進(jìn)行模擬零件在真實(shí)情況下的成形結(jié)果。通過對(duì)材料性能參數(shù)的模擬研究、推斷,對(duì)比了各個(gè)材料性能參數(shù)對(duì)于板料成形的影響,為選材提供了一定的依據(jù),總結(jié)出一套適合此零件成形的參數(shù)和設(shè)置。

整體式側(cè)圍外板是汽車覆蓋件中對(duì)沖壓成形要求較高的零件,這類零件對(duì)材料性能參數(shù)的窗口允許值較窄,對(duì)材料要求較為嚴(yán)格。本文基于數(shù)值仿真和參數(shù)化方法進(jìn)行研究,建立了整體式側(cè)圍外板類零件沖壓成形材料關(guān)鍵性能參數(shù)的選取準(zhǔn)則。即選擇材料的屈強(qiáng)比＜0.6,且要求較小的屈服強(qiáng)度;材料硬化指數(shù)n＞0.22,厚向異性系數(shù)r＞2.0,延伸率≥45%;嚴(yán)格控制材料的表面質(zhì)量以減少成形過程的摩擦力。通過試驗(yàn)和生產(chǎn)跟蹤驗(yàn)證了該準(zhǔn)則的有效性,這有利于鋼廠與汽車廠家開展此類零件沖壓成形的選材工作,實(shí)現(xiàn)材料的準(zhǔn)確供應(yīng),保證生產(chǎn)穩(wěn)定并降低成本。

[1] 唐遠(yuǎn)志,向雄方.汽車車身制造工藝[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

[2] 李飛舟.板料成形CAE設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2010.

[3] 唐永林.現(xiàn)代汽車板工藝及成形理論與技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2009.

Influence Factors Window of Key Positions in the Process of Stamping Simulation of Side Frame

CHEN Qing,LI Xiao-gang,LI Chun-guang

(Shougang Research Institute of Technology,Beijing 100043,China)

Side frame has complicated shape,large size and high demand of surface quality. Because of thin thickness,large difference of the regional deformation state and deformation,the deep drawing deformation of stamping process is easily influenced by material performance, shape size,mold state,lubrication of contact and process parameters to produce defects.Especially in the state of mold and process parameters of certain circumstances,its formability is more sensitive to material performance parameters change.This article adopts the numerical simulation technology on the left side frame around a large number of the forming simulation of forming process,considering several important factors affect the performance of sheet metal forming,in order to determine the key influence parameters of parts easy to instability when stamping,and the material parameters and stamping process parameters window.

stamping simulation;robust analysis;side frame

1001-5108(2016)02-0024-06

TG386

B

陳慶,碩士,工程師。