鋁合金汽車覆蓋件沖壓成形的回彈模擬分析

文/夏明勇，周佳，方剛·中國汽車工程研究院股份有限公司

回彈現(xiàn)象是汽車覆蓋件成形過程中常見的缺陷，回彈效應(yīng)使按照零件理論要求設(shè)計制造出來的模具，生產(chǎn)出來的零件不符合設(shè)計的要求。當(dāng)采用鋁合金替代鋼材時，由于其彈性模量較小，沖壓成形后產(chǎn)生的回彈量比鋼制零件的回彈量大得多，因此，對鋁合金覆蓋件的回彈分析就尤為重要。本文采用DYNAFORM有限元軟件，對鋁合金汽車發(fā)動機外覆蓋件的沖壓回彈進(jìn)行仿真分析，并探討了不同材料性能對回彈量的影響規(guī)律，為汽車覆蓋件選材提供材料性能參考。

材料模型和邊界條件

材料選用厚度為1.2mm的6016鋁合金，其材料性能見表1。材料本構(gòu)模型采用Hill48屈服準(zhǔn)則的正交各向異性材料模型。工具和板料采用BT殼單元進(jìn)行幾何離散、網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)劃分，同時假定凸模、凹模、壓邊圈為剛體，板料采用等向指數(shù)強化模型。

在壓邊階段壓邊圈移動速度為3m/s，板料與凹模的摩擦系數(shù)為0.12，板料與壓邊圈的摩擦系數(shù)為0.12，模具間隙為1.32mm。沖壓進(jìn)程凸模的運動速度為0.5m/s，壓邊力設(shè)定為2000kN。板料與凹模、凸模、壓邊圈的摩擦系數(shù)默認(rèn)為0.12，模具間隙為1.32mm。回彈階段的板料自適應(yīng)級數(shù)為1級。沖壓成形中，采用的是反向拉延，外板的下料尺寸如圖1所示。

圖1 外板下料尺寸

表1 板材材料性能

回彈仿真分析

回彈分析之前，需要先導(dǎo)入在拉延計算中生成的dynain文件，該文件中包含板料最后階段的變形網(wǎng)格和應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，在外板拉延仿真中考慮到模型對稱性和減少計算規(guī)模，只取一半模型進(jìn)行計算。設(shè)定好約束位置（該位置的選擇應(yīng)在遠(yuǎn)離邊界和應(yīng)力大的區(qū)域，對稱模型只需要在對稱邊界上選取兩個節(jié)點來進(jìn)行約束）以排除剛體運動，約束點如圖2所示。

圖2 設(shè)定的約束點位置

圖2中分別約束了三個平動自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度，從而約束了整個部件的剛體運動。在約束完節(jié)點，選定粗化網(wǎng)格模式以及選定單步回彈成形或多步回彈成形后，即可進(jìn)行計算。回彈計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 回彈計算結(jié)果云圖

從圖3中可以看出，最大回彈量出現(xiàn)在成形后板料的左右上端邊緣位置，最大回彈值為19.80mm。另外，在成形后板料左右下端邊緣位置也有較大的回彈量，達(dá)到了13mm以上。

回彈的影響因素

從以上分析中可以看出，外板回彈量最大位置均出現(xiàn)在成形后板料的左右上端邊緣位置。在不改變模具和沖壓工藝的前提下，研究了不同材料性能對回彈的影響程度，從而分析出對鋁合金回彈影響較大的材料參數(shù)，為廠家的改進(jìn)提供參考。

為此，依據(jù)鋼材回彈經(jīng)驗，選定對回彈影響較大的屈服強度、n值、r值三個材料性能因子對其進(jìn)行分析。根據(jù)表2三種狀態(tài)的材料力學(xué)性能值，仿真分析時，以6016力學(xué)性能為基礎(chǔ)，分別設(shè)定不同的屈服強度、n值和r值進(jìn)行模擬仿真分析。

表2 進(jìn)行回彈分析的不同材料性能

屈服強度對沖壓回彈的影響

圖4～圖6中屈服強度為133.227MPa、139.085MPa和177.118MPa時，其最大回彈量分別為18.10mm、19.34mm和21.09mm。綜合以上分析，結(jié)合前面的仿真結(jié)果，可以得出：隨著屈服應(yīng)力的增加，最大回彈量呈增大的趨勢；在材料其他性能不變的情況下，屈服強度在133.227MPa至177.118MPa變動時，最大回彈量變動范圍為18.10～21.09mm。

圖4 屈服強度為133MPa的回彈

圖5 屈服強度為139MPa的回彈

圖6 屈服強度為177MPa的回彈

n值對沖壓回彈的影響

n值為0.192、0.226和0.26時，其最大回彈量分別為20.77mm、17.62mm和15.47mm。從圖7～圖9可以看出，隨著n值的增加，最大回彈量呈減小的趨勢；在材料其他性能不變的情況下，n值在0.192至0.26之間變動時，最大回彈量變動范圍為15.47～20.77mm。

圖7 n=0.192的回彈云圖

圖8 n=0.226的回彈云圖

圖9 n=0.26的回彈云圖

r值對沖壓回彈的影響

圖10 r=0.565的回彈云圖

圖11 r=0.599的回彈云圖

圖12 r=0.619的回彈云圖

塑性應(yīng)變比r值對鋁合金板材的回彈影響規(guī)律如圖10～圖12所示，r值為0.565、0.599和0.619時，其最大回彈量分別為27.20mm、24.09mm和26.00mm；隨著r值的變化，最大回彈量未出現(xiàn)明顯的單增或單減的趨勢；在材料其他性能不變的情況下，r值在0.565至0.619之間變動時，最大回彈量變動范圍為24.09～27.20mm。

結(jié)束語

6016鋁合金作為汽車覆蓋件外板時，由于較低的彈性模量和較大的彈性變形，變形后的回彈量比鋼制材料大，因此以鋁代鋼進(jìn)行輕量化設(shè)計和制造時，針對鋁合金沖壓件的回彈補償和控制尤為重要。此外材料的基本力學(xué)性能對零件沖壓成形后的回彈量有很大影響，具體表現(xiàn)為：隨著屈服應(yīng)力的增加，回彈量增大，回彈量最大位置均出現(xiàn)在成形后板料的左右上端邊緣位置；隨著n值的增加，回彈量最大值在減小；當(dāng)6016鋁合金板材在合理的范圍內(nèi)變動r值時，回彈量未出現(xiàn)明顯的變化趨勢。因此，在進(jìn)行鋁合金選材或原材料生產(chǎn)控制時，從減小回彈量的角度出發(fā)，應(yīng)盡量降低材料的屈服強度并增加材料的加工硬化指數(shù)。