汽車后包角拉延成形數值模擬及驗證

文/潘家俊，丁斌，張科·蒙城佳仕龍機械制造有限公司

后包角是汽車中一種起裝飾與保護作用的零件。汽車包角在制造過程中容易出現起皺和拉裂缺陷，本文通過Dynaform軟件對汽車后包角制造過程進行有限元模擬分析，通過不同壓邊力和板料大小對成形質量影響的分析，確定了合適板料尺寸和壓邊力大小，獲得了無起皺和無拉裂缺陷的汽車后包角本體。

汽車后包角作為汽車上的一種起到裝飾與保護作用的零件，其成形質量的優劣將影響到對汽車前后杠的保護作用，另外對車身外觀也起到一定的提升作用。汽車后包角的制造過程一般可劃分為板料拉延、切邊沖孔及翻邊整形。

學者使用CAE 技術對于汽車覆蓋件制造工藝進行了大量的研究，主要是針對于沖壓工藝參數的優化方面。韓玉強通過對轎車引擎蓋沖壓成形過程模擬預測，調節壓邊力大小，實現起皺和拉裂等缺陷降低，分析了產生缺陷的原因，驗證了CAE 技術的實用性。胡志華針對鋁合金引擎蓋外板，通過優化工藝補充面、圓角、壓邊力和拉深筋等，發現優化后的引擎蓋減薄率有明顯的降低，為下一步的生產制造提供了參考。本文開展汽車后包角的拉延成形工藝數值模擬研究，通過不同壓邊力和板料大小對成形質量影響的分析，試驗驗證并明確合適的壓邊力和板料大小。

模型的建立

幾何模型建立及工藝補充面

圖1 為汽車后包角模型圖。為順利完成拉延滿足后包角零件壓料、切邊等工序要求，對后包角零件進行工藝補充面設計，如圖2 所示。

圖1 汽車后包角

圖2 工藝補充后的拉延件

有限元分析模型建立

如圖3 所示，以導入的汽車后包角拉延件模型為基準模，通過單元復制形式生成下模和壓邊圈，上模運動速度設置為5000mm/s，設置全偏置間隙為2.2倍板料厚度，初始壓邊力設置為30t。初始板料使用大小為1.5mm×430mm×700mm的B250P1無間隙原子高強度冷軋鋼，采用BT 殼單元進行網格劃分，摩擦系數為0.125。材料模型為Barlat't-3Parameter Plasticity 各向異性參數模型，真實應力-應變曲線函數方程可表示為：σ=709.3(0.011265+ε)0.191MPa。

圖3 定位工具模型

數值模擬結果分析

初始工藝參數下的成形結果

圖4 和圖5 為初始工藝參數下的成形極限圖和厚度分布圖，可以看出在汽車后包角拉延成形過程中，后包角在邊緣和應力集中的地方出現了嚴重起皺及拉裂現象，而且材料流動幅度比較大，最大減薄量達到0.403mm，因此有必要對工藝參數進一步改進，以達到優良的成形結果。

圖4 成形極限圖(初始工藝參數)

圖5 厚度分布圖(初始工藝參數)

不同板料大小

圖6 為不同板料大小對后包角的成形質量的影響。圖6a 中板料大小為865mm×580mm，在圓角處后包角出現拉裂，同時后包角表面有起皺現象，最大減薄量為0.509mm。圖6b中板料大小為805mm×520mm，后包角圓角處局部依舊有輕微拉裂現象，后包角表面起皺現象依舊存在，最大減薄量為0.437mm。圖6c 中板料大小為765mm×520mm，少量的拉裂僅存在于成形件邊緣，機加工切除后不影響后包角本體。后包角本體表面未出現拉裂現象，起皺現象依舊存在。后包角部分最大減薄量為0.428mm(減薄率約為28.5%)。可見，在拉延成形過程中板料大小對于后包角的表面拉裂影響明顯，因此，在后包角成形過程中需要對板料大小進行合理的控制，通過分析此次成形后包角板料大小為765mm×520mm。

圖6 不同板料大小的成形極限圖

不同壓邊力

在控制其他參數條件不變的情況下，研究不同壓邊力對成形質量的影響。圖7 所示為不同壓邊力下零件拉延成形極限圖，表明增大壓邊力對拉延件的起皺現象有明顯的改善。當壓邊力為25t 時，出現局部拉裂現象，這是由于后包角零件四周起皺嚴重導致材料流動性變差引起的。當壓邊力增大到30t 時，起皺現象減少，后包角表面無拉裂現象，只有在后包角邊緣出現局部拉裂，但不在后包角表面，不影響后包角后續加工。當壓邊力增大到35t 時，雖然起皺現象進一步減少，但是后包角局部開裂趨勢明顯。這表明拉延成形過程中，在一定范圍內隨著壓邊力增大，起皺現象逐漸減少，拉裂缺陷也逐漸降低，但是當壓邊力超過這一范圍時，拉裂缺陷會顯著增加，因此，成形后包角壓邊力取值確定為30t。

圖7 成形極限圖(不同壓邊力)

試驗驗證

圖8所示為使用板料大小765mm×520mm和壓邊力為30t 條件下，拉延成形獲得的汽車后包角拉延件。后包角本體無拉裂和起皺，后包角邊緣出現少量起皺和拉裂，但不在后包角表面，不影響后包角零件后續加工。

圖8 實際生產的拉延件

結論

本文通過Dynaform 軟件模擬汽車后包角的成形過程，分析成形過程起皺和破裂缺陷。確定了合適的板料大小和壓邊力，試驗驗證了基于有限元數值模擬確定成形工藝參數的可行性，實際生產的后包角無拉裂和起皺等缺陷。