基于Autoform軟件的板料開裂研究

楊麗英

(黃岡師范學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，湖北 黃州 438000)

基于Autoform軟件的板料開裂研究

楊麗英

(黃岡師范學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，湖北 黃州 438000)

文章以汽車覆蓋件在成型過程中存在的開裂現(xiàn)象為目標(biāo)。主要分析了開裂產(chǎn)生的原因，在工藝上的處理方法。使用計(jì)算機(jī)輔助軟件Autoform軟件分析產(chǎn)生開裂的過程，確定出影響開裂的主要因素，以及在分析過程中參數(shù)的處理。

汽車覆蓋件；沖壓；開裂；Autoform

通常把構(gòu)成汽車車身外表形狀的零件稱為汽車車身覆蓋件[1]。從直觀上來看，也是我們最先接觸到的汽車的組成部分，可以看成是汽車的“衣服”。汽車覆蓋件在成型過程中，需要經(jīng)過多個(gè)復(fù)雜的工序，在其中可能會(huì)產(chǎn)生多種缺陷，比如：起皺、回彈、開裂等。在這些缺陷中，如果一旦覆蓋件出現(xiàn)裂紋或者有產(chǎn)生裂紋的危險(xiǎn)性，那么就可能直接導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，所有的覆蓋件產(chǎn)品絕對(duì)不允許出現(xiàn)這種缺陷。在此，我們主要研究的就是在成型中產(chǎn)生的開裂現(xiàn)象。

覆蓋件的開裂是指在覆蓋件成型后，局部材料嚴(yán)重變薄，從而出現(xiàn)了裂紋或者暗紋的現(xiàn)象。其實(shí)，在沖壓生產(chǎn)中，由于覆蓋件的形狀復(fù)雜，多曲面，造成在實(shí)際生產(chǎn)中，產(chǎn)品的成型位置不同，應(yīng)力狀態(tài)不同產(chǎn)生的開裂性質(zhì)也不同，實(shí)際解決和處理的方法也不同。必須找出開裂產(chǎn)生的原因，采取合理的方法，才能有效控制開裂。一般來說，開裂可以分為強(qiáng)度開裂和塑性開裂。前者指板料傳力區(qū)強(qiáng)度不能滿足變形區(qū)所需強(qiáng)度要求，從而在傳力區(qū)產(chǎn)生的開裂，最常見的就是圓筒形件拉深成型時(shí)在凸模圓角過渡區(qū)的開裂現(xiàn)象；塑性開裂指板料自身變形區(qū)能夠產(chǎn)生變形的能力達(dá)不到整個(gè)變形所需要的變形程度，從而在變形區(qū)產(chǎn)生的開裂，常見的為軸對(duì)稱零件脹形時(shí)在零件底部產(chǎn)生的破裂。

對(duì)于強(qiáng)度開裂，通常以材料本身的強(qiáng)度極限σb作為判斷依據(jù)，當(dāng)材料在傳力區(qū)所受的最大應(yīng)力超過σb時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生開裂。

對(duì)于塑性開裂，在沖壓成型時(shí)最大應(yīng)變方向上的極限變形量ε1k與應(yīng)變狀態(tài)有關(guān)[2]，可以表示為：

(1)

由公式(1)可知，板材的極限變形程度隨應(yīng)變狀態(tài)改變而改變，因此不能單純的利用單向拉伸時(shí)的極限值作為衡量板材在任意狀態(tài)下的變形是否屬于穩(wěn)定的塑性變形[2]。所以對(duì)于塑性開裂，需要根據(jù)變形狀態(tài)結(jié)合成形極限圖作為判斷依據(jù)。根據(jù)研究數(shù)據(jù)，開裂過程中最大剪切應(yīng)力起了主導(dǎo)作用，也就是說，在最大剪切應(yīng)力τmax下產(chǎn)生的集中應(yīng)力導(dǎo)致了最終的開裂。

(2)

為保證產(chǎn)品的成型質(zhì)量，判斷出開裂的位置，并提前解決至關(guān)重要。現(xiàn)今，技術(shù)工人大多借助計(jì)算機(jī)軟件的輔助功能，采用計(jì)算機(jī)模擬整個(gè)成型過程，從而通過分析模擬結(jié)果，判斷出缺陷出現(xiàn)的位置，并通過電腦給出的一些詳細(xì)信息，判斷出主要的影響因素，從而確定出合理的防止措施。現(xiàn)在，用于成型模擬的軟件種類很多，通過實(shí)際調(diào)查，選用現(xiàn)今在企業(yè)應(yīng)用較廣的Autoform軟件作為模擬仿真分析軟件。

下面以某一汽車覆蓋件為例，說明開裂的判斷過程及具體的解決措施。

1 開裂評(píng)判

1.1 成型性

在進(jìn)行沖壓成型過程模擬之前，我們已經(jīng)將產(chǎn)品零件的工藝補(bǔ)充部分完成，并且調(diào)整到最優(yōu)狀態(tài)，再經(jīng)過Autoform軟件的過程生成器模擬沖壓過程之后，得到產(chǎn)品的成型性能示意圖(圖1)。

圖1 成型性示意圖

根據(jù)開裂產(chǎn)生的原因可知，板料之所以會(huì)產(chǎn)生開裂，是與材料自身可以接受的變薄量(圖2)有關(guān)系的，可以通過材料的屈服極限得到,對(duì)于在汽車中使用較多的中高強(qiáng)度鋼板：n(硬化指數(shù))×100%。

圖2 成型性參數(shù)設(shè)置

在使用CAE軟件分析成型到底時(shí)，當(dāng)最大減薄量超過上述計(jì)算值時(shí)，就有出現(xiàn)開裂的可能。(需要注意的是，Autoform軟件網(wǎng)格細(xì)化級(jí)別存在一定的缺陷，所以對(duì)于尖角部分的分析，準(zhǔn)確性不是很好，需要結(jié)合實(shí)際的沖壓生產(chǎn)協(xié)調(diào)解決。)

1.2 最大失效

FLC圖是基于材料線性應(yīng)變給出的，但是對(duì)于失效區(qū)剛好處于非線性應(yīng)變過程時(shí)，就需要檢查非線性FLD和最大失效結(jié)果，其他的不建議采用。因此，在Autoform定義了一個(gè)最大失效(Failure max)用于評(píng)價(jià)開裂。

Failuremax=a/b。一般當(dāng)該值大于1時(shí)，就認(rèn)為已經(jīng)開裂了。在工程上，考慮了安全裕度，當(dāng)該值小于0.8視為安全的，大于0.8就需要重點(diǎn)注意了，存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。因此，可以將0.8視為一個(gè)顏色的分界點(diǎn)，顯示更加直觀(如圖3所示)。在圖3中，可以明顯的看出淺色為安全區(qū)域，深色為出現(xiàn)開裂的區(qū)域。

圖3 最大失效顯示

注：最大失效適用于粗略評(píng)估失效的可能。

1.3 變形歷史、主次應(yīng)變?cè)u(píng)判

打開上面判斷出的出現(xiàn)開裂元素的變薄歷史。得到圖4，從圖中可以看出，有開裂危險(xiǎn)的區(qū)域在模擬時(shí)間到達(dá)510 s的時(shí)候開始減薄，580 s停止減薄(成形到底)。

檢查主次應(yīng)變，如圖5可以發(fā)現(xiàn)，該處材料開裂的主要原因是主應(yīng)變太大了，超過了材料的變形極限，導(dǎo)致的開裂。因此，解決這部分的開裂問題，需要減少主應(yīng)變方向?qū)?yīng)的進(jìn)料阻力。

(a)材料厚度變薄歷史

(b)產(chǎn)品主要成型缺陷

2 開裂優(yōu)化

防止開裂的方法主要需要考慮：造型優(yōu)化，即通過改進(jìn)產(chǎn)品局部形狀以及對(duì)工藝補(bǔ)充面進(jìn)行改進(jìn)的方法；優(yōu)化拉延筋，通過對(duì)拉延筋的強(qiáng)度、深度以及圓角大小，改善零件局部開裂的現(xiàn)象；優(yōu)化料片輪廓線；增加工藝孔和工藝切口以防止開裂；成型工藝的優(yōu)化，通過調(diào)整成型工序的成型順序解決開裂等。

通過分析可知，上述產(chǎn)品零件存在的開裂的主要原因是零件黑色區(qū)域的主應(yīng)變太大所致。通過觀察圖4變形歷史，深色開裂區(qū)域是在變形過程進(jìn)行到510s時(shí)板料開始出現(xiàn)減薄現(xiàn)象的，由圖5又知，主應(yīng)變?cè)谶@時(shí)起主導(dǎo)作用，出現(xiàn)開裂是其超過了材料的成型極限值，也就是說，在510 s后主應(yīng)變過大。因此，需要調(diào)整進(jìn)料阻力，減少主應(yīng)變大小。

圖5 主次應(yīng)變方向

上述汽車覆蓋件解決開裂的方法為:通過放大側(cè)壁拔模角和根部的圓角直到在數(shù)值成型模擬顯示全部為深色區(qū)域。

在解決沖壓板件尤其是復(fù)雜產(chǎn)品中存在的開裂問題時(shí)，一定要分析引發(fā)開裂的原因，綜合考慮多種因素，抓住主因。另外，計(jì)算機(jī)只能作為分析的手段，產(chǎn)品的質(zhì)量還是要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的結(jié)果來判定。

[1] 胡平.汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011:1-24.

[2] 涂小文.Autoform原理技巧與戰(zhàn)例[M].武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社,2013:657-659.

[3] 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，2010:185-205.

責(zé)任編輯 喻曉敏

Sheet metal crack research based on Autoform software

YANG Li-ying

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Huanggang Normal University，Huangzhou 438000, Hubei, China)

The study mainly focused on cracking of automotive covering parts during the forming process. It analyzed the causes of cracking from the perspective of processing methods. The computer aided analysis software Autoform was used to analyze the process of cracking. In the end, the paper identified what were the main factors causing cracking and how software analysis parameters were analyzed.

automotive body; stamping; cracking; Autoform

TG386

A

1003-8078(2016)06-0076-03

2016-09-20 doi 10.3969/j.issn.1003-8078.2016.06.20

楊麗英，女，河北唐山人，講師，主要研究方向?yàn)椴牧铣尚驮O(shè)備以及成型工藝。