翼子板材料成形性能分析

王禹 韓丹

摘 要：使用PAM-STAMP 2G軟件對翼子板的沖壓成形過程進行模擬，分析壓邊力和摩擦系數等參數對材料成形性能的影響，并且對工藝參數進行優化，預測成形過程中可能出現的起皺和破裂現象。為檢驗數值模擬結果與翼子板實物之間的有效性，在現場沖壓實際翼子板零件，采用德國GOM公司的光學應變測量系統ARGUS對翼子板進行測量分析。研究結果表明：工藝參數優化后的翼子板，明顯降低了破裂現象的風險，且實物零件的在線測量結果和模擬成形結果相吻合，得到了理想的成形零件。

關鍵詞：翼子板;成形性能;PAM-STAMP 2G;工藝參數

汽車覆蓋件一般由3mm以內厚度的薄板料沖壓而成，具有尺寸大、外形復雜、表面質量要求高和材料厚度薄等特點[1]。汽車覆蓋件的沖壓過程涉及到材料非線性、幾何非線性和復雜的接觸和摩擦等問題，是個相對復雜的變形過程。很難正確的預測最終的成形結果。現在的汽車廠主要是依靠技術人員的經驗來進行模具的加工設計和工藝參數的設計，然后通過試模的方式來檢驗覆蓋件能否符合產品的設計和要求。這樣不但延長了產品的設計周期，同時也消耗了大量的人力和財力[2-4]。

當下計算機快速發展，有限元方法也在加速成熟，模擬板料成形過程的技術在工業生產中的應用越來越廣泛。該技術能精確地預測可能出現的比如起皺、破裂和回彈等缺陷，從而減短模具設計周期，優化工藝參數和模具結構，降低生產成本，提高模具和沖壓件產品的質量[5]。

本文以汽車翼子板為例，使用模擬成形軟件模擬零件的成形過程，分析壓邊力和摩擦系數兩種參數對成形性能的影響，并且根據其成形結果進行優化，并快速預測材料的起皺以及破裂現象的發生部位，降低了材料出現破裂和起皺的風險。為翼子板材料的實際生產提供了良好的理論依據。

1 建立翼子板有限元模型

1.1 建立有限元模型

首先用CAD軟件對翼子板進行型面設計，并確定沖壓方向、添加壓料面和工藝補充面并建立幾何模型。

然后把幾何模型以igs的格式導入到PAM-STAMP 2G軟件當中，利用軟件中的前處理模塊將其用網格進行劃分，建立起凹模的有限元模型。再建立起凸模和壓邊圈的有限元模型。板料可以直接在PAM-STAMP 2G的軟件中生成。

1.2 材料參數和邊界條件設置

材料選用本鋼生產的厚度為0.7mm的DC04冷軋薄板，材料力學性能見表1所示。

在沖壓成形的模擬過程當中，軟件默認的板料與模具之間的初始摩擦系數為0.12，軟件采用動力顯示算法進行求解。

2 工藝參數對成形性能的影響

2.1 壓邊力對成形性能的影響

壓邊力是影響板料沖壓成形過程的重要參數，會很大程度影響零件的成形性能。壓邊力的作用主要是控制材料的流動，保證材料沖壓成形過程順利進行。壓邊力選擇過小時，板料成形會有起皺現象出現;壓邊力選擇過大時，板料成形會有破裂現象出現。因此壓邊力的選擇很重要。

由公式（1）估算得到翼子板沖壓成形時施加的壓邊力約為850kN。本文選取下面幾組壓邊力進行翼子板的成形過程分析：750kN、850kN、950kN、1050kN。

在PAM-STAMP 2G軟件中成形極限圖被劃分為六個區域，分別為起皺區、起皺傾向區、拉延不足區、安全區、破裂臨界區、破裂區。

當壓邊力為750kN時，翼子板表面出現起皺現象，四周有起皺趨勢。壓邊力為950kN和1050kN時，起皺現象消失，但板料有破裂現象出現。壓邊力為850kN時，起皺趨勢的面積相比壓邊力為750kN時有所減少，降低了板料發生起皺現象的幾率，除了在圓圈區域內出現了破裂現象，板料的其他部位沒有出現破裂現象，零件的成形質量整體良好。因此，認為壓邊力為850kN時為最佳壓邊力值。

翼子板的表面形狀變化較大，各處的拉延深度也各有不同，并且受圓角半徑的影響，零件出現起皺和破裂現象。但有些缺陷出現在材料的工藝補充面上，在后續工序當中會被修邊去除，不會影響零件的成形質量。我們只關注零件有效區域內的成形情況，表1中列出了有效區域內，不同的壓邊力時板料的最大減薄率和最大增厚率。

從表2看出，隨著壓邊力增大，板料最大減薄率也增大，最大增厚率減小，當壓邊力為950kN時，板料開始出現破裂現象。這說明隨著壓邊力的增大，可以有效防止起皺現象的發生，但增加了板料發生破裂現象的機會。

2.2 摩擦系數對成形性能的影響

在實際生產中，我們經常使用改變潤滑條件的方式來保證沖壓過程的順利進行，為此我們通過改變摩擦系數的大小來改變潤滑條件。在其他設置不變的條件下，壓邊力為850kN，分別取摩擦系數為0.10、0.11、0.12、0.13進行模擬分析，觀察不同摩擦系數參數下板料的成形性能。

摩擦系數分別為0.10、0.11、0.13時部分區域發生破裂現象。當摩擦系數為0.10時，部分區域的板料出現了起皺現象，周圍板料也有要發生起皺現象的趨勢。隨著摩擦系數增大，起皺現象消失并且起皺趨勢的區域減少。摩擦系數為0.13時，部分域的板料出現了破裂現象。摩擦系數為0.11時，起皺趨勢的面積相對減少，更沒有發生破裂現象，而且零件也基本上處于安全區域內。而出現的破裂現象將會在后續的工序中被修剪掉，不會影響到零件的整體成形質量。

隨著摩擦系數增大，板料最大減薄率增大，最大增厚率減小。摩擦系數為0.13時，板料出現了破裂的現象。這說明隨著摩擦系數的增大，板料發生破裂現象的風險增加。摩擦系數為0.11時，有效區內的最大減薄率為27.43%，比摩擦系數為0.12時的最大減薄率小，意味著更不容易發生破裂現象，而且起皺現象也幾乎都消失了。因此摩擦系數為0.11時更合理。

2.3 工藝參數優化后的板料厚度分布和減薄分布

圖1時板料進行優化后的厚度分布圖。可以看到，板料的整體厚度分布較為均勻，在箭頭所指的區域內（不屬于有效區域），由于受到較大的拉應力，該區域的板料厚度最小，為045mm。壓邊部分的板料厚度最大，為0.74mm。

圖2為優化后的板料厚度減薄分布圖。板料厚度減薄均勻，但在箭頭所示區域內減薄明顯，板料最大減薄率為3563%，超過了30%最薄極限厚度，但出現在工藝補充面上，不屬于板料的有效區域，在后續工序中會被修剪掉，有效區域內的板料最大減薄率為27.43%，未超過30%最薄極限厚度，有效區域內的板料最大增厚率為1.47%，符合板料成形的要求。

綜合得出，壓邊力為850kN，摩擦系數為0.11時，為生產合格翼子板的理想工藝條件。

2.4 翼子板成形仿真試驗驗證

為驗證翼子板數值模擬的準確性，進行成形模擬零件和沖壓零件的對比，取一塊翼子板零件沖壓板料，采用電腐蝕的技術在其表面上印制網格點，然后在沖壓模具上進行實際生產。采用德國GOM公司的光學應變測量系統ARGUS對翼子板進行測量分析。

圖3、4、5分別為翼子板的主應變圖、次應變圖和厚度減薄圖。圖4中圓圈區域對應的主應變最大，值為27.2%，對應的次應變為10.06%，說明材料的變形方式以脹形為主;翼子板成形后的厚度減薄最大值26.3%，未超過30%最薄極限厚度，與模擬結果一致，說明用數值模擬分析對零件成形的預測是可行的。

3 結論

（1）使用PAM-STAMP 2G軟件對翼子板成形的過程進行數值模擬分析，可以預測翼子板成形過程中的起皺和破裂現象。

（2）通過研究壓邊力和摩擦系數對翼子板成形性能的影響，根據兩種參數的變化規律，優化翼子板的工藝參數，得到了理想的成形零件。

（3）通過對比驗證翼子板實物零件和模擬零件的成形質量，板料沖壓成形過程的模擬分析可有效預測成形過程中可能出現的起皺和破裂現象，減少實際生產過程中的試模次數，降低成本，提升零件的成形質量。

參考文獻：

[1]楊曼云，孫希平，李琦.薄板沖壓數值模擬技術在汽車覆蓋件制造中的應用[J].CAD/CAM與制造業信息化，2006（10）：81-83.

[2]代洪慶，劉曉晶，閆巍，等.汽車覆蓋件沖壓成型的計算機仿真[J]制造業信息化，2006（5）：90-91.

[3]王家昆，李琦，胡東勇，等.汽車覆蓋件沖壓成形的數值模擬[J].模具工業，2006，32（2）：1-5.

[4]劉海濤，覃希治.典型薄板沖壓件的工藝分析與實現[J].金屬加工，2010（17）：47-51.