基于AutoForm的天地蓋成型起皺仿真研究

王中盟，朱仁勝，柏強(qiáng)，彭?xiàng)魁垼藕?/p>

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引言

對(duì)于天地蓋禮盒飾品，常采用沖壓工藝進(jìn)行加工成形，其成形性能不僅關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，還影響著產(chǎn)品的美觀度。如果采用傳統(tǒng)方法，利用模具對(duì)產(chǎn)品成形質(zhì)量進(jìn)行分析，不僅設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，其物料成本也會(huì)成倍增加。

采用有限元軟件對(duì)天地蓋進(jìn)行沖壓模擬，以模擬結(jié)果為依據(jù)，對(duì)沖壓工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以快速設(shè)計(jì)合理的沖壓方案，既提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)也降低了研發(fā)成本。文獻(xiàn)[1]以金屬梁為研究對(duì)象，分析了成形過(guò)程中典型缺陷產(chǎn)生的原因及控制方法。文獻(xiàn)[2]對(duì)汽車(chē)前地板零件的沖壓成形過(guò)程進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[3]采用有限元數(shù)值模擬方法，研究了重要工藝參數(shù)對(duì)AA5182合金板材成形性能的影響。文獻(xiàn)[4]以SPFC590高強(qiáng)度鋼板為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究不同毛坯形狀與壓邊力控制方式對(duì)方盒形件沖壓成形粘模行為的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[5]研究了不同壓邊力加載模式對(duì)盒形件拉深成形的影響。文獻(xiàn)[6]以AA6061鋁合金為對(duì)象，研究了沖壓速度對(duì)鋁合金板成形性的影響，得出正弦遞增型的沖壓速度加載模式更有利于鋁合金盒形件成形的結(jié)論。文獻(xiàn)[7]采用新型分瓣式壓邊圈，在壓邊圈與鋼板、鋁板之間設(shè)置不同的摩擦因數(shù)，分析其對(duì)差厚拼焊板成形過(guò)程中焊縫偏移量及成形深度的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[8]分析了不同的凸、凹模圓角半徑對(duì)拼焊板成形深度及焊縫偏移量的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[9]分析了毛坯形狀、壓邊間隙等因素對(duì)其成形極限及壁厚分布的影響，預(yù)測(cè)了坯料成形過(guò)程中失效的產(chǎn)生，并結(jié)合實(shí)際進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[10]～文獻(xiàn)[11]采用AutoForm相關(guān)分析方法，對(duì)各板件相關(guān)因素優(yōu)化分析，歸納總結(jié)規(guī)律，驗(yàn)證其可行性。

在沖壓變形時(shí)，坯料會(huì)承受來(lái)自于平面拉伸方向的拉應(yīng)力和板厚方向的壓應(yīng)力，當(dāng)板厚方向所承受的壓應(yīng)力遠(yuǎn)大于材料的穩(wěn)定極限時(shí)，坯料就會(huì)產(chǎn)生起皺。這不僅浪費(fèi)原材料，甚至可能使工件作廢。通過(guò)AutoForm軟件對(duì)995天地蓋的沖壓成形過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，可以全面地從多個(gè)因素考慮其對(duì)天地蓋的成形起皺的影響，對(duì)天地蓋的成形起皺進(jìn)行定量分析，歸納出對(duì)天地蓋成形起皺的主要影響參數(shù)及其相關(guān)變化規(guī)律。

1 天地蓋沖壓工藝

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)研究，綜合考慮選用材料995鋁合金的天地蓋為研究對(duì)象，對(duì)天地蓋成形過(guò)程進(jìn)行仿真模擬。對(duì)天地蓋采用單動(dòng)拉延，以壓邊力40 kN、沖壓速度50 mm/s、摩擦因數(shù)0.15作為參考基準(zhǔn)，分析不同工藝參數(shù)對(duì)天地蓋成形質(zhì)量的影響。

零件形狀和尺寸如圖1所示，高為29 mm，四邊寬均為150 mm，法蘭寬度為15 mm，法蘭與側(cè)壁的圓角半徑為4 mm，側(cè)壁與天地蓋底部的圓角半徑為2 mm。

圖1 天地蓋形狀和尺寸

在拉延過(guò)程中，為了防止工件邊緣位置失穩(wěn)而產(chǎn)生起皺，常在凹凸模之間放置壓邊圈裝置，如圖2所示。壓料面是凹模面上和壓邊圈重合的那部分曲面，和壓邊圈一起用來(lái)夾持坯料，如圖3所示。

圖2 凹凸模和壓邊圈示意圖

圖3 壓料面示意圖

鋁合金天地蓋在沖壓過(guò)程中的成形性如圖4所示，由圖中流動(dòng)線可知，材料在四邊的流動(dòng)速度并不相同，其流動(dòng)速度呈現(xiàn)出兩邊低、中間高的特點(diǎn)，導(dǎo)致材料在四角處慢慢堆積，最終形成工件的起皺，并集中在工件的四角區(qū)域。

圖4 成形性能

采用最大起皺量作為成形質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)不同影響因素分別進(jìn)行定量的分析，記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，其成形質(zhì)量如圖5所示。

圖5 成形起皺

2 工藝參數(shù)對(duì)天地蓋成形質(zhì)量的影響

2.1 毛坯形狀對(duì)天地蓋成形質(zhì)量的影響

選取3種不同形狀毛坯（如圖6）：坯料a為邊長(zhǎng)為360 mm的正方形；坯料b為邊長(zhǎng)為360 mm的正方形切去4個(gè)邊長(zhǎng)為50 mm的等邊直角三角形；坯料c為邊長(zhǎng)為360 mm的正方形將4個(gè)直角邊改為半徑為50 mm的圓角。

仿真結(jié)果如圖7所示。根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果可以得知：圓角形坯料c起皺量最大，為0.322 mm；長(zhǎng)方形坯料a起皺量次之，為0.319 mm；八邊形坯料b起皺量最小，為0.311 mm。

圖7 不同毛坯形狀的成形起皺

造成3種不同形狀坯料起皺現(xiàn)象差異的原因是天地蓋工件的不完全對(duì)稱(chēng)性，導(dǎo)致在成形過(guò)程中法蘭部分材料流動(dòng)的不一致性。在天地蓋工件四邊處的材料流動(dòng)量大于其四角處的材料流動(dòng)量，其結(jié)果使在四邊處出現(xiàn)內(nèi)凹現(xiàn)象，而在其四角處產(chǎn)生材料堆積，形成起皺。八邊形毛坯b因切除多余的直角邊，可以緩解其在四角處材料的堆積，從而減小起皺現(xiàn)象。

2.2 壓邊力對(duì)天地蓋成形質(zhì)量的影響

壓邊力是天地蓋成形件的一項(xiàng)重要工藝參數(shù)，在沖壓成形過(guò)程中，壓邊力對(duì)材料成形的起皺和開(kāi)裂起著極為重要的作用。制定合理的壓邊力，可以降低工件的不良率，提高材料利用率，提升工件質(zhì)量。將壓邊力大小分別設(shè)置為30、35、40、45、50 kN，測(cè)得不同壓邊力下坯料的起皺變化，如圖8所示。

圖8 不同壓邊力坯料的成形起皺

對(duì)比仿真結(jié)果可知，隨著壓邊力從30 kN增加到50 kN，坯料的成形起皺逐漸從0.333 mm 下降到0.297 mm。在沖壓過(guò)程中，增大壓邊力可以提高工件的成形質(zhì)量，但壓邊力大小的選取要適宜，過(guò)大的壓邊力會(huì)導(dǎo)致工件開(kāi)裂、工件損毀、可靠性降低。因此壓邊力的選用要綜合考慮，在一定范圍內(nèi)尋求最優(yōu)，不同材料壓邊力的選用范圍也不盡相同。

2.3 沖壓速度對(duì)天地蓋成形質(zhì)量的影響

在坯料沖壓拉深工藝中，沖壓速度的改變會(huì)影響著坯料的應(yīng)變速率，進(jìn)而對(duì)沖壓性能造成影響，呈現(xiàn)出不同的成形質(zhì)量。設(shè)置沖壓速度分別為10、20、50、100、200 mm/s，進(jìn)行沖壓模擬，得到仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同沖壓速度坯料的成形起皺

由圖可9知，隨著沖壓速度從10 mm/s提升至200 mm/s，其最大起皺均保持在0.319 mm，并未產(chǎn)生明顯變化。可見(jiàn)995天地蓋工件在此次測(cè)試范圍內(nèi)，沖壓速率的變化對(duì)其材料強(qiáng)度性能的改變不敏感，故對(duì)表面起皺幾乎無(wú)影響。

2.4 摩擦因數(shù)對(duì)天地蓋成形質(zhì)量的影響

在坯料沖壓成形的過(guò)程中，由于沖壓模具和坯料間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其摩擦現(xiàn)象不可避免。摩擦力不僅影響著拉深成形，而且也會(huì)造成能量的損耗。選用合適的摩擦因數(shù)對(duì)降低工件的表面缺陷和提高拉深模具的使用壽命具有重要意義。設(shè)置摩擦因數(shù)分別0.12、0.14、0.15、0.16、0.18，仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同摩擦因數(shù)坯料的成形起皺

根據(jù)仿真結(jié)果，摩擦因數(shù)從0.12上升至0.18時(shí)，工件的最大起皺總體上從0.333 mm降低至0.298 mm。但由于隨著摩擦因數(shù)的增加，與板料之間摩擦力也會(huì)隨之上升，在沖壓過(guò)程中，成形阻力加大，工件產(chǎn)生破裂的風(fēng)險(xiǎn)提高。因此在保證工件不產(chǎn)生破壞的情況下盡量選用較大的摩擦因數(shù)。

3 幾何參數(shù)對(duì)天地蓋成形質(zhì)量的影響

3.1 圓角半徑對(duì)天地蓋成形質(zhì)量的影響

在其他工藝參數(shù)不變的情況下，改變側(cè)壁與法蘭的圓角半徑，分別取3、4、5、6、7 mm，分析不同凹模圓角半徑下工件的成形質(zhì)量，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同圓角半徑坯料的成形起皺

仿真結(jié)果表明，最大起皺不是隨著圓角半徑的變化而產(chǎn)生線性的變化，隨著圓角半徑從3 mm增加到5 mm，最大起皺從0.329 mm下降至0.311 mm，在圓角半徑6 mm處，最大起皺又開(kāi)始上升至0.322 mm，在圓角半徑7 mm處最終下降至0.129 mm。在沖壓過(guò)程中，圓角半徑越大，則所需要的拉深力越大。而拉深力過(guò)大會(huì)引起工件沖壓開(kāi)裂。因此在沖壓過(guò)程中，應(yīng)保證在不引起工件開(kāi)裂的前提下，盡量選用相對(duì)較大的圓角半徑，來(lái)減輕最大起皺。

3.2 工藝補(bǔ)充面對(duì)天地蓋成形質(zhì)量的影響

在其他工藝參數(shù)不變的情況下，通過(guò)改變工藝補(bǔ)充面寬度，分別取15、20、25、30 mm，在不同寬度下，分析工件的成形質(zhì)量，仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 不同工藝補(bǔ)充面寬度的成形起皺

由仿真數(shù)據(jù)圖表可知，隨著工藝補(bǔ)充面寬從15 mm增加到30 mm，工件的最大起皺也在逐步從0.087 mm上升至0.319 mm。若想減輕工件的成形起皺，可通過(guò)減小凸模工藝補(bǔ)充面寬度的方法加以改善，但凸模工藝補(bǔ)充面寬度的選取也并非越小越好，凸模工藝補(bǔ)充面寬度過(guò)小，會(huì)增加工件開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

以最大成形起皺為研究對(duì)象，建立天地蓋仿真模型，利用AutoForm進(jìn)行成形過(guò)程仿真分析，在其余工藝參數(shù)相同的情況下，以單一工藝參數(shù)為變量，分析其對(duì)成形起皺的影響。得出如下結(jié)論：1）有限元仿真分析中，利用AutoForm軟件的相關(guān)優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)收斂性檢查和壓邊力檢查使得整個(gè)模擬過(guò)程收斂，讓得到的仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確，通過(guò)最后結(jié)果總結(jié)對(duì)比分析，得到了天地蓋成形起皺的相關(guān)影響因素，說(shuō)明該有限元方法的合理性。2）從工藝面寬度分析到坯料形狀及各項(xiàng)工藝參數(shù)研究，沖壓速度對(duì)工件的成形起皺影響較小，幾乎可以忽略不計(jì)，而隨著壓邊力、摩擦因數(shù)和圓角半徑的增加，最大成形起皺呈逐漸減小的趨勢(shì)；隨著凸模工藝面寬度的增加，最大成形起皺呈逐漸升高的趨勢(shì)；與長(zhǎng)方形和圓角形坯料相比，采用切角的八角形坯料可以有效地減輕天地蓋的成形起皺。該結(jié)果一方面可以應(yīng)用于天地蓋的實(shí)際生產(chǎn)研發(fā)，另一方面為金屬板件選擇合適的工藝參數(shù)提供了理論依據(jù)。