汽車左前縱梁拉延成形的數值模擬及生產驗證

文/張科，丁斌·安徽蒙城佳仕龍機械制造有限公司

前縱梁是汽車重要的承載部件之一。針對汽車前縱梁拉延成形過程中的起皺和拉裂現象，通過Dynaform軟件對汽車左前縱梁的拉延成形過程進行模擬，分析不同壓邊力和拉延速度下的成形質量，進而改進工藝參數獲取優良的成形結果。實驗表明改進工藝參數下的前縱梁拉延成形件能夠滿足質量要求。

汽車前縱梁作為汽車最關鍵的承載部件之一，其成形質量的優劣直接影響到整車的安全性能。汽車前縱梁的生產工序一般可劃分為板料拉延、修邊沖孔及翻邊整形。拉延成形是制造業高效、先進的金屬加工方法之一，其美中不足是模具的制造難度大、生產周期長，并且在拉延過程中造成板料起皺和拉裂的問題。

數值模擬技術的發展為模具的研制和成形過程的優化提供了方便，通過模擬板料拉延過程，能有效預測成形缺陷，并及時進行調整設計，縮短了零件開發周期和成本。李東君通過有限元軟件模擬了汽車外板的拉延成形過程，有效的預測了零件成形缺陷，實現拉延模的結構優化。李文平利用數值模擬研究汽車頂蓋橫梁的成形不足、起皺和破裂原因并設計了改進方案。因此，本文借助Dynaform軟件模擬汽車左前縱梁的拉延成形工藝，著重分析壓邊力和拉延速度對零件成形的影響，確定最佳的工藝參數。

模型的建立

幾何模型建立及工藝補充面

圖1為復雜型面結構的汽車左前縱梁，其包含孔洞等特征。為順利完成拉延滿足零件壓料、修邊等工序要求，對零件進行工藝補充面設計，考慮到零件幾何型面非對稱導致板料流動不均衡，因此進行了拉延筋設置，如圖2所示。

圖1 汽車左前縱梁

圖2 工藝補充后的拉延件

有限元分析模型建立

將拉延件模型以*·iges格式文件導入Dynaform有限元軟件，通過AutoSetup以上模為基準，設置成形方式為單動拉延，工序一為上模和壓料圈閉合，工序二為上模和下模閉合。以導入的拉延件為基準模進行網格劃分，通過單元復制形式生成下模和壓料圈，設置全偏置間隙為2.2倍板料厚度，定義板料，采用BT殼單元進行網格劃分，設置厚度積分點數量為5個，工具定位，如圖3所示。

圖3 Dynaform定位工具模型

材料模型采用Barlat't-3Parameter Plasticity各向異性參數模型，對金屬板料的塑性成形具有較強的適應性，材料為JSC590R低合金高強冷軋鋼，尺寸規格為2080mm×540mm×1.5mm，其材料力學性能見表1。材料真實應力—應變曲線函數方程可表示為：σ=943.9(0.0088+ε）0.152MPa。

圖4 零件拉延成形方向

設置初始工藝參數，定義初始壓邊力為40t，上模運動速度控制為1000mm/s，實測潤滑條件摩擦系數定義為0.078。

數值模擬結果分析

初始工藝參數下的成形結果

圖5和圖6表明初始工藝參數下的成形極限圖和厚度分布圖，汽車前縱梁拉延成形過程出現嚴重起皺現象，材料流動幅度比較大，邊緣部分的板料已完全脫離壓料圈的限制，最大增厚量達到0.083mm，因此有必要對工藝參數進一步改進。

圖5 初始工藝參數下的成形極限圖

圖6 初始工藝參數下的厚度分布圖

表1 JSC590R材料力學性能

不同壓邊力

壓邊力的大小對零件的成形質量有很大的影響。因此根據初始工藝參數下的模擬結果，在保證其他工藝參數統一的條件下，加設3組不同的壓邊力數值進行拉延模擬。增大壓邊力對拉延件的起皺現象有明顯的改善。壓邊力為60t時，最大增厚量減少至0.055mm。當壓邊力加大至70t，起皺進一步減少，但不同壓邊力下零件拉延成形極限圖（圖7）顯示零件局部開始有開裂傾向，板料最大減薄量為0.28mm（減薄率約18.7%）。當壓邊力加至80t，最大減薄量達到0.32mm（減薄率約21.3%），此時拉延件開裂趨勢明顯。因此在拉延成形過程中必須要合理的控制壓邊力取值范圍，壓邊力小則零件易起皺，壓邊力大則零件易拉裂。本次改進工藝參數壓邊力取值確定為70t。

圖7 不同壓邊力下零件拉延成形極限圖

不同拉延速度

拉延速度是零件成形的關鍵工藝參數，當拉延速度由小增大時，板料減薄量也會隨之增大，導致零件拉裂。結合上節對壓邊力的改進，當壓邊力取70t，拉延速度取1000mm/s時，零件起皺狀況良好，零件局部出現輕微開裂，因此設置兩組拉延速度進行對照，在70t壓邊力的條件下進行數值模擬。

圖8表明當拉延速度增加至1500mm/s，零件局部減薄加劇，開裂情況明顯。當拉延速度減小至500mm/s，零件拉延變形基本處于安全區域，無開裂現象出現。此外，減少和增加拉延速度對零件整體起皺情況影響并不顯著。因此，本次改進工藝參數的拉延速度取值為500mm/s。

圖8 不同拉延速度下零件成形極限圖

零件拉延成形實驗驗證

將改進后的拉延成形工藝參數指導實際生產，結果如圖9所示，零件整體成形良好，沒有出現多處嚴重起皺和局部拉裂的現象，屬于合格的拉延件產品。

結束語

圖9 實際生產的拉延件

本文通過Dynaform軟件模擬汽車左前縱梁的成形，有效的預測了零件拉延成形過程的起皺和開裂問題，并針對以上問題進行拉延成形工藝參數的改進。改進后的工藝參數應用到實際生產中，驗證了基于數值模擬進行拉延成形工藝參數改進的可行性。