母德強，陳 思

(長春工業(yè)大學 機電工程學院，吉林 長春 130012)

1 引言

隨著計算機的應用和發(fā)展以及有限元法的成熟，板料成形數(shù)值模擬已在汽車工業(yè)中占有舉足輕重的作用。Dynaform軟件是美國ETA公司與LSTC公司共同推出的針對板料成形數(shù)值模擬的專業(yè)軟件，是目前在航空航天、石油化工、汽車和日用五金等領域應用最為廣泛的CAE軟件之一。它可以預測板料成形過程中的破裂、起皺、減薄和回彈，從而評估板料的成形質量，為板料成形工藝及模具設計提供幫助［1］。本文利用Dynaform軟件，對某汽車沖壓件進行了模擬和分析，針對沖壓后零件質量缺陷問題，進行修改及重分析，取得了較好的效果。圖1為有限元模擬板料成形流程圖。

圖1 有限元模擬板料成形流程圖

2 數(shù)值模擬分析步驟［2］

2.1 零件模型的導入與網(wǎng)格的劃分

在Pro/E軟件中對零件進行三維模型的建立，導入到Dynaform軟件中。在板料成形模擬過程中，網(wǎng)格的劃分尤其重要。理論上，網(wǎng)格劃分得越細，越能得到準確的計算結果，得到的仿真結果也越趨于真實。但是，細分網(wǎng)格帶來的弊端是計算時間較長，使得整體模擬周期變長，在一定程度上違背了有限元模擬的初衷。所以，適當?shù)木W(wǎng)格劃分，不但能提高仿真計算效率，而且可以較準確的計算出結果。

2.2 確定沖壓方向

在進行沖壓成形時，首先必須確定沖壓方向。合理的沖壓方向可以提高成形后零件的質量，并且對工藝補充面及上下模的建立有所幫助。圖2為零件的沖壓方向。

圖2 零件沖壓方向示意圖

2.3 創(chuàng)建壓料面與工藝補充面［3］

在保證成形質量的前提下，為了減少仿真計算時間，提高據(jù)算精度，根據(jù)零件毛坯的大小，選擇適當?shù)膲毫厦娲笮　Ｔ诒ＷC沖壓成形質量的前提下，工藝補充面的面積應盡量的小，以達到較好的經(jīng)濟效益。同時也可以加快仿真計算速度，提高計算精度。圖3為創(chuàng)建好的工藝補充面。

圖3 壓料面與工藝補充面

2.4 參數(shù)的確定

2.4.1 材料性能參數(shù)的選取

本次實驗采用的是厚度為1 mm，類型為36的低碳鋼“DQSK”，具體的性能參數(shù)見表1。在Dynaform軟件中輸入以上性能參數(shù)。

表1 材料性能參數(shù)

2.4.2 壓邊力的計算與確定

在計算壓邊圈壓力時，可以按照下式計算:

式中:FQ為壓邊力，N;A為壓邊圈下毛坯的投影面積，mm2;q為單位壓邊力，MPa?？砂幢?進行選用。

表2 單位壓邊力

經(jīng)過計算，取壓邊力FQ=334 269 N。

2.4.3 凹模運動速度

適當?shù)奶岣甙寄５奶摂M模擬運動速度，不但可以提高運算效率，而且能夠保證計算精度［4］。所以，根據(jù)實驗計算機的配置，故取凸模的虛擬運動速度為8 000 mm/s。

2.5 任務的提交與運算

完成前處理過程后，就可以交由Dynaform軟件中的LS-DYNA求解器進行求解。在成形的模擬計算中，拉延類型為單動(Single action)。零件模具的有限元模型如圖4所示。

圖4 零件模具的有限元模型

3 模擬結果分析

經(jīng)過求解器計算完成后，可以對零件進行質量分析。圖5為零件的極限成形圖(FLD)。

圖5 零件成形極限圖(FLD圖)

從圖中可以看到，在零件的凸緣部分出現(xiàn)了起皺、延伸不足甚至是裂紋，影響了零件的成形質量，在實際生產(chǎn)實踐中是不允許的。出現(xiàn)起皺主要原因是在拉深過程中，坯料在切向壓應力和徑向拉應力的共同作用下，被凹模壓入到凸模中，在零件凸緣部分受切向應力過大，產(chǎn)生了失穩(wěn)起皺。引起裂紋的因素很多，除了與徑向拉應力有關，壓料引起的摩擦阻力、坯料在凸模圓角表面滑動所產(chǎn)生的摩擦阻力和彎曲變形所形成的阻力都能形成裂紋［5］。根據(jù)此零件具體情況，可能是由于徑向拉應力超過材料的抗拉強度所致。圖6為拉深厚度分布圖。如圖所示，到拉深過程結束時，最薄處達到0.398 mm。最厚處達到1.059 mm。最大減薄率為60%，最大增厚率為5.9%。

圖6 拉深厚度分布圖

4 工藝優(yōu)化及結果分析

對仿真結果出現(xiàn)的缺陷進行修正。針對零件兩端出現(xiàn)的裂紋及形成原因，對工藝補充面進行調整，采用具有圓滑特點的工藝補充面的設計思想，主要是增加主截面線與工件間過渡圓的半徑。對于零件兩側出現(xiàn)的起皺部分和延伸不充分部分，可以適當增加拉延筋，以增大坯料流動的阻力，使延伸更充分。另外對板料進行優(yōu)化，板料沖壓成形后多余部分過大，造成了嚴重的褶皺現(xiàn)象，減小板料面積，達到削減實際生產(chǎn)成本的目的。

4.1 優(yōu)化工藝補充面中主截面線

主截面線與工件過渡圓的半徑值過小，導致了圖5中成形零件工藝補充面兩端拉裂現(xiàn)象的出現(xiàn)，主要是因為材料在經(jīng)過此圓角時，不僅要克服因為發(fā)生彎曲變形而產(chǎn)生的彎曲阻力，還要克服因相對流動而引起的摩擦阻力，所以對其圓角值適當增大，可以有效避免拉裂現(xiàn)象的發(fā)生。同時適當增大主截面線與工件之間的距離，主要目的是防止拉裂現(xiàn)象出現(xiàn)的同時，也為后續(xù)剪裁工序提供方便。盡量減少凹模的深度，目的在于可減少徑向拉應力作用的時間，從而減少了零件兩端出現(xiàn)裂紋的可能性。而且也可以減少板料的面積，節(jié)約成本。

4.2 等效拉延筋的布置

4.2.1 均勻布置等效拉延筋［6］

針對成形零件有效區(qū)域拉延不充分和褶皺部分現(xiàn)象的出現(xiàn)，在凹模上工藝補充面周圍，均勻的布置了等效拉延筋。如圖7所示。但在進行仿真計算后發(fā)現(xiàn)，雖然零件的拉延不足和褶皺缺陷得到了很大改善，但成形后零件兩端重新出現(xiàn)了拉裂現(xiàn)象，說明在此區(qū)域中，板料流動的阻力過大，導致徑向拉應力過大，使材料出現(xiàn)拉裂。解決方法是去除此部分的拉延筋布置。而且因為褶皺和拉延不充分部分出現(xiàn)的位置不同，使用相同的拉延筋阻力系數(shù)也是不合適的。

圖7 均勻布置等效拉延筋

4.2.2 分段式等效拉延筋

圖8為布置的分段式等效拉延筋，經(jīng)過仿真計算后的FLD圖觀察，成形零件在安全區(qū)域內(nèi)，無延伸不足或褶皺現(xiàn)象的產(chǎn)生。同時為不同的拉延筋設置不同的阻力系數(shù)，拉延筋A阻力系數(shù)為25%，拉延筋B阻力系數(shù)為30%，拉延筋C阻力系數(shù)為50%，拉延筋D阻力系數(shù)為30%。

圖8 分段式等效拉延筋

從圖9中可以直觀的看見，成形后的零件在安全范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)裂紋、褶皺和延伸不充分的區(qū)域。零件成形質量良好，說明經(jīng)修正后的工藝成形方案是可行的。

圖9 工藝優(yōu)化后的零件成形極限圖(FLD圖)

圖10是工藝優(yōu)化后的拉深厚度分布圖。在圖中可以清晰的看到，在零件有效成形區(qū)域內(nèi)，最薄處在0.80～0.83 mm范圍內(nèi)，最大減薄率為20%。最厚處為1.01 mm，最大增厚率為1%。鑒于此零件為普通件，在減薄率和增厚率指標上無特殊要求，所以符合減薄率30%，增厚率1%的一般標準要求［7］。

圖10 工藝優(yōu)化后的拉深厚度分布圖

5 結論

(1)提出了帶有圓滑特點的工藝補充面的設計思想，該設計思想可以有效改善板料在凹模內(nèi)流動情況，避免拉裂等缺陷情況的發(fā)生。

(2)合理的拉延筋布置的形式和位置以及根據(jù)褶皺和拉延不充分部分的分布情況來設置不同的拉延筋阻力系數(shù)，對沖壓后零件成形質量有很大影響。

(3)運用Dynaform軟件，通過反復的修改、比較、重分析和仿真計算，找出合理工藝參數(shù)，可以預測成形后零件的質量。同時為模具制造提供幫助，減少生產(chǎn)成本，為實際生產(chǎn)提供了幫助和指導。

［1］ 韓玉強，李飛舟.基于Dynaform的轎車引擎蓋板沖壓成形仿真的研究［J］.熱加工工藝，2010(39):96-97.

［2］ 陳冀東，余世浩，王 寧.基于Dynaform的汽車覆蓋件拉延模具設計［J］.現(xiàn)代制造工程，2007(6):72-74.

［3］ 李世云，周 杰，蔣崢嶸，等.基于Dynaform汽車前縱梁延伸件的數(shù)值模擬及優(yōu)化［J］.熱加工工藝，2011(40):96-97.

［4］ 張朝志.影響板料沖壓成形因素的有限元分析［J］.遼寧省交通高等專科學校學報，2005(1):45-46.

［5］ 康俊遠，姬裕江.冷沖壓工藝與模具設計［M］.北京:北京理工大學出版社，2011.

［6］ 李海波，韓利芬，劉靜玨.基于CAE的拉延筋布置對板料成形質量的影響研究［J］.塑性工程學報，2007(5):19-21.

［7］ 時豐兵，趙學智，夏琴香，等.數(shù)值模擬的雙層金屬板拉深成形工藝研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2012(2):100-104.