汽車側(cè)圍拉延成形數(shù)值模擬研究

程 航，沈 琪，袁菁蕓，沈 靜，李步照，倪 瑾

（揚州職業(yè)大學(xué)電汽學(xué)院，江蘇 揚州 225127）

汽車側(cè)圍是車身的重要組成部分，其特點是成形難度高且形狀相對復(fù)雜。模具的材料性能和其形狀、坯料的形狀和尺寸以及板料和模具之間的摩擦都會影響側(cè)圍的成形結(jié)果。在以往的生產(chǎn)中，每次模具調(diào)試的時間周期長且成本高。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，不斷對汽車側(cè)圍等覆蓋件的模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)進行優(yōu)化，有效提高了生產(chǎn)的可靠性和生產(chǎn)效率，縮短了開發(fā)時間，降低了生產(chǎn)成本。通過對微型汽車側(cè)圍的數(shù)值模擬實驗研究，對拉延筋和壓邊力對成形結(jié)果的影響進行比較，獲取優(yōu)化后的工藝參數(shù)，為現(xiàn)實生產(chǎn)中提供可靠依據(jù)。

1 拉延筋模型

拉延筋一般分為兩個部分：板料面上的槽和壓邊圈周圍的筋[1]。毛坯在成形的過程中一般會產(chǎn)生兩個阻力：板料和拉延筋之間的摩擦力，板料流過拉延筋時出現(xiàn)的彎曲應(yīng)力。拉延筋阻力示意圖如圖1所示。基于此，Weidemann[2]建立的拉延筋阻力DBRF公式為：

式中：t——料初始厚度；

ω——拉延筋中筋的長度；

μ——摩擦系數(shù)；

σs——材料的屈服強度；

φ——板料彎曲角；

Rg——槽的肩部半徑；

Rb——筋的半徑；

P——單位長度上的等效壓邊力。

2 側(cè)圍的拉延成形數(shù)值模擬

2.1 側(cè)圍數(shù)模型的建立

將事先建好的數(shù)模（IGES格式）導(dǎo)進DYNAFORM中，對有限元網(wǎng)格進行劃分和修補，并調(diào)整沖壓方向，建立零件的凸凹模和壓邊圈，并進行定位，創(chuàng)建完成的側(cè)圍拉延成形的仿真模型如圖2所示。

圖2 側(cè)圍拉延成形的仿真模型圖

2.2 數(shù)值模擬工藝參數(shù)設(shè)置

本研究選用冷沖壓鋼板DC06為仿真材料，其沖壓性能較好，板料厚度選用0.8 mm[3]。基本的材料特性如表1所示。主要成形參數(shù)設(shè)置為：板料的厚為0.8 mm，模具間隙為0.88 mm，摩擦系數(shù)為0.125，閉合模具的速度為1 500 mm/s，沖壓速度為4 000 mm/s。

表1 DC06的主要性能參數(shù)

3 拉延筋設(shè)置的不同對成形質(zhì)量的影響

在數(shù)值模擬成形過程中，拉延筋應(yīng)用廣泛，它的主要作用是調(diào)節(jié)板料面之間的作用力[4]。拉延筋設(shè)置是否合理直接影響零件在成形過程中的質(zhì)量。為了探究不同拉延筋設(shè)置對成形質(zhì)量的影響，選取3種方案的等效拉延筋進行研究[4]。方案1不設(shè)置任何拉延筋，方案2設(shè)置恒定阻力的拉延筋，方案3設(shè)置變阻力的拉延筋。

3.1 不設(shè)置任何拉延筋

此方案數(shù)值模擬中不進行任何拉延筋的設(shè)置，對各項參數(shù)進行設(shè)定后提交到LS-dyna中進行計算[5]。數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出模擬結(jié)果有大范圍的拉延不充分存在，這個結(jié)果在現(xiàn)實生產(chǎn)中是不容許的。

圖3 方案1模擬結(jié)果圖

3.2 恒定阻力系數(shù)等效拉延筋

根據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗以及DYNAFORM中拉延筋的設(shè)置規(guī)律，分別對等效拉延筋的恒定阻力系數(shù)進行設(shè)定，外圈設(shè)為40%，內(nèi)圈為30%，設(shè)置好的結(jié)果如圖4所示，該方案的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 恒定阻力系數(shù)拉延筋仿真分布圖

圖5 恒定阻力拉延筋作用下的仿真結(jié)果圖

由于側(cè)圍的結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，板料在不同位置呈不規(guī)律，在側(cè)圍的上部出現(xiàn)了拉延不足，零件在此處會回彈量大，直接會影響零件的成形質(zhì)量，因此要適當(dāng)增加該部位拉延筋的阻力[6]。此外，內(nèi)部最小厚度為0.259，減薄了67%，超過最大的30%的合理范圍之內(nèi)。為了得到更好的成形質(zhì)量，應(yīng)在超出的部位適當(dāng)減少拉延筋的阻力。因此設(shè)計了方案3，用變阻力的拉延筋進行仿真分析。

3.3 變阻力拉延筋

為了解決恒定阻力拉延筋在分析中出現(xiàn)的問題，對等效拉延筋的設(shè)置進一步優(yōu)化。對側(cè)圍上端拉延不充分的地方增大拉延阻力系數(shù)值，由于開裂大部分集中在零件的拐角處，所以對拐角處進行減小阻力。對其他部拉延筋阻力也進行優(yōu)化，變阻力拉延筋設(shè)置仿真分布如圖6所示。

圖6 變阻力拉延筋仿真分布圖

通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)除了周邊位置有拉延不充分外，局部還有小部分地方也有拉延不充分，其他位置成形結(jié)果基本滿足要求，周邊拉延不充分處會在切邊的時候切掉，不會對成形結(jié)果造成影響。變阻力拉延筋作用下的側(cè)圍零件的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 變阻力拉延筋作用下的仿真結(jié)果圖

4 壓邊力大小對成形質(zhì)量的影響

在上一步的仿真分析中，采用間隙控制的方式。在DYNAFORM后處理中得到變阻力系數(shù)壓邊圈的變化曲線，根據(jù)曲線得壓邊力的變化范圍為1 000 kN～1 500 kN[7]。根據(jù)DYNAFORM中后處理的計算，選用壓邊力方案為：1 000 kN、1 250 kN、1 500 kN，分別進行仿真分析。

第1次的壓邊力選1 000 kN，得到仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 1 000 kN時的仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果看出零件的主要表面出現(xiàn)了多處起皺，可得，壓邊力太小，會導(dǎo)致大范圍起皺，因此在合適的部位需增大壓邊力。

第2次的壓邊力選1 500 kN，由于壓邊力太大導(dǎo)致多處圓角部位出現(xiàn)了開裂。仿真結(jié)果如圖9所示。因此，需要適當(dāng)?shù)販p小壓邊力來解決開裂的問題。

圖9 1 500 kN時的仿真結(jié)果

第3次的壓邊力選用1 250 kN，仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 1 250 kN時的仿真結(jié)果

通過仿真結(jié)果可以看出，零件表面有一小部分拉延不充分的現(xiàn)象，可以判斷此時零件材料在成形過程中流動合理，從極限圖看出仿真結(jié)果的塑性變形和剛度較好，滿足設(shè)計的要求。

5 結(jié)語

1）拉延筋合理布置可以有效調(diào)節(jié)成形過程中的進料阻力，零件的成形質(zhì)量也能得到保證。對于復(fù)雜的零件，變阻力拉延筋比恒定阻力拉延筋成形效果要好。拉延筋阻力系數(shù)設(shè)置過小會增大零件在沖壓過程中的流動性，導(dǎo)致零件拉延不充分和起皺。但拉延筋阻力系數(shù)也不能太大，否則在成形過程中會產(chǎn)生局部破裂。

2）壓邊力的設(shè)置也會對零件的成形產(chǎn)生影響。通過比較3種不同的壓邊力分析得到，當(dāng)壓邊力太大時，零件就會出現(xiàn)局部破裂的現(xiàn)象；當(dāng)壓邊力太小，會出現(xiàn)主要表面拉延不充分和周邊起皺的問題。由此得出，選擇合適壓邊力才能生產(chǎn)合格的零件。