基于AutoForm的前罩鎖銷加強件有限元仿真分析

黃好，岳陸游

（江蘇大學機械工程學院，江蘇鎮江 212013）

0 引言

隨著當今世界的經濟發展，汽車產業也在升級換代，汽車覆蓋件越來越多樣化。在數字化技術逐步與傳統生產方式結合的背景下，汽車覆蓋件的生產模式與生產工藝都有了很大的進步。CAE軟件能在計算機中模擬汽車覆蓋件的成形過程，通過模擬結果能發現各種缺陷，及時調整工藝參數，以縮短試模修模時間，提高合格率。本文以一種汽車前罩鎖銷加強板為研究對象，先對其結構特點與成形性進行分析，再在AutoForm軟件中模擬其生產制造過程，并通過改進與調試，解決各種成形缺陷，提高零件品質，為實際生產確定最優工藝參數。

1 零件結構特點與成形性分析

汽車前罩鎖銷加強件如圖1所示，該零件厚度大約為1.2 mm，法蘭形狀為多平面法蘭，側壁形狀為斜面側壁，表面結構不規則，比較復雜，孔洞較多，形狀大小不一，且不在同一沖壓方向上。作為汽車的覆蓋件，要求其表面平滑，避免有起皺、開裂、劃傷、坑包等缺陷，因此選用材料為DC04的冷軋鋼板進行沖壓模擬分析。DC04鋼屬于加磷鋁鎮靜鋼，因其具有屈服強度較低、抗拉強度較高、伸長率較大和塑性應變較好等優點[1]，在汽車覆蓋件等制造要求比較高的產品零部件中應用廣泛，其性能參數如表1所示[2]。

圖1 汽車前罩鎖銷加強件三維模型

表1 DC04鋼板材料性能參數

通過分析，初步確定零件成形加工工序為：1）剪板；2）拉深；3）修邊、沖4個小圓孔和2個異形孔；4）翻邊；5）沖最大異形孔和旁邊的小圓孔。

剪板尺寸為1.2 mm×270 mm×210 mm，該尺寸是用AutoForm軟件中的“Part-formchk”模塊參考確定的，該模塊的功能是把導入零件的三維數字模型在二維平面上展開，以便檢查基本零件成形性，估算最小毛坯[3]，特在此提前說明，展開效果與板料尺寸確定如圖2 所示，輪廓中間箭頭為送料方向。

圖2 零件展開效果與板料尺寸

2 成形前處理

將該零件的UG數字模型以IGES格式導入AutoForm軟件，AutoForm軟件的有限元分析系統讀取零件的數字模型并且自動進行三角形網格劃分，本次模擬采用軟件默認的參數設置，即擬合公差（stitching distance）為0.50，在Backdraft Limits中設置安全狀態（Safe）為3°，臨界狀態（Marginal）為0°。

2.1 拉深工序

拉深是汽車覆蓋件沖壓的關鍵工序，因為汽車覆蓋件的大部分形狀是由拉深實現的。拉深方式一般有單動拉深和雙動拉深等，簡單來講，它們的區別在于提供壓邊力的方式：單動壓力機通過凹模下行與壓邊圈接觸擠壓產生反作用力，該反作用力即為壓邊力，而雙動壓力機是通過特定機構提供壓邊力。考慮到單動拉深的結構簡單，安全隱患少，而雙動拉深雖然壓邊力大且穩定、精度也高，但雙動壓力機結構復雜，使用成本高[4]，因此本次模擬選取的拉深方式為單動拉深。

2.1.1 拉深方向的選擇

拉深方向對制件的質量和模具結構的復雜程度有直接影響。按尺寸來分，該零件屬于中型拉深件，且形狀較復雜，因此盡量使所有表面形狀能被一次拉深成形。確定拉深方向時應保證凹模和凸模能完全貼合，避免存在凸模接觸不到的“死區”[5]。另外，拉深方向還需有利于防止零件產生表面缺陷。基于拉深方向的選取原則，該零件的拉深方向如圖3所示。

圖3 拉深方向

2.1.2 拉深工序的工藝補充、壓邊圈及壓料面的設計

工藝補充部分就是對拉深件額外增加的形狀部分，它能合理地控制材料的流向，進行形狀過渡，降低拉深難度，提高零件的成型質量。設計時應考慮以下方面：1）應將所有內孔封閉；2）易于塑性變形；3）對后續工序有利，比如提供形狀定位，盡量避免側切邊等。另外，因為外部工藝補充部分會在修邊工序中被切除，所以其結構形狀應盡量簡單，減少材料浪費，提高材料利用率，降低生產成本。該零件的工藝補充設置為如圖4所示。

圖4 工藝補充

在拉深工序中，壓邊圈的參數設定非常重要：1）壓邊圈行程。它會影響到板材放到壓邊圈上的形態和板材接觸模具時的狀態，在實際生產中，在壓邊圈抬起時剛好與凸模的最高點平齊[6]，這里將其設置為100 mm。2）壓邊力。在初始模擬時，壓邊力可以設置成壓強（3 MPa），調整優化完成后根據計算的壓邊力設置成1000 kN，如圖5所示。同時，壓料面直接影響到板料流動的方向和速度、變形的分布與大小等問題，所以其形狀應盡量簡單，使得阻力變化相對容易控制，有利于調模。另外壓料面應盡量方便板料的送進和取出。由于采用單動拉深，在單動壓力機上，模具的安裝方式一般為“倒裝”，即凹模在上面，壓邊圈和凸模在下面，中間放置板料，因此拉深工具體初始位置如圖6所示。拉深時，壓力機啟動，凸模固定不動，上滑塊下行帶動凹模下行，使得板料與壓邊圈接觸，直至將板料壓緊到設置的壓邊力，接著凹模、板料和壓邊圈作為整體向下運動與凸模貼合，拉深完成。

圖5 壓邊圈參數設置

圖6 拉深工具體初始位置

2.2 修邊及沖部分孔

修邊是保證零件尺寸的重要工序，其主要內容是將拉深件修邊線以外的部分切除掉。修邊方向應盡量與拉深方向相同，如此可以省去換向操作或者減少模具數量。為保證模具的使用壽命，一般要求修邊方向與制件型面的法線方向間的夾角不超過15°，沖孔方向與型面法線方向間的夾角也不超過15°，如圖7所示，零件的左下部分最小角度為67.5°，最 大 角 度 為88.51°，因此可以將4個小圓孔、2個異形孔及部分修邊同時進行，此時軟件自動計算出沖 壓 方 向 為81.78°，而右上部分的修邊角度與左下部分沖壓方向的夾角超過15°，需要另外設置沖壓方向為42.75°（模具設計時使用斜楔機構修邊），修邊及沖部分孔工具體如圖8所示。

圖7 修邊及沖孔角度

圖8 修邊及沖部分孔工具體設置

3 模擬結果分析

板料成形過程如圖9所示。如圖10所示，成形極限圖（Forming Limit Diagram，FLD）能直觀反映出在沖壓過程中，板料在兩個主應變的共同作用下，局部區域厚度發生變化時的最大應變量，經常被用來判斷和評定成型時的起皺或破裂問題[7]。其中，紅色表示開裂區域，綠色表示安全區域，黃色表示臨界過渡區域，藍色及紫色表示增厚起皺區域。

圖9 零件成型過程

圖10 成型極限圖

由圖8所示可知，成形結果大部分在安全區，成形性能良好，沒有開裂區域，說明板料流動均勻，拉深充足，雖然有部分區域發生拉深不足，存在壓應力，紫色增厚區域為翻邊時圓角內側受擠壓應力所產生，對零件沒有較大影響。

圖11所示為零件的厚度變化云圖，隨機選取某些點進行厚度變化率的計算，即計算材料厚度的變化值與料厚的比值，可以看到，材料的最大厚度值為1.186 mm，此時最小減薄率為1.1%；最小厚度值為1.053 mm，其最大減薄率為12.3%，在材料減薄率的允許范圍（15%）之內。

圖11 厚度分布云圖

4 結語

通 過AutoForm 軟件對前罩鎖銷加強件進行數值模擬，根據模擬結果預測制件開裂和起皺等表面質量缺陷，分析產生缺陷的原因，通過調整模面、壓邊力等參數，消除表面缺陷，改善制件質量，減少試模與修模的次數，縮短模具開發時間，對實際生產具有重要指導意義。