王德倫，畢盧思

(重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院，重慶 400054)

在現(xiàn)代汽車覆蓋件沖壓工藝中，拉延成形有著極其重要的地位。汽車側(cè)圍板是汽車覆蓋件中的典型件之一［1］，零件成形深度大于100 mm，外形復(fù)雜不對(duì)稱，有外凸和內(nèi)凹底或者大臺(tái)階，成形過(guò)程中會(huì)涉及一系列起皺、破裂、回彈等問(wèn)題。傳統(tǒng)拉延工藝中的“試錯(cuò)法”會(huì)造成大量的資源浪費(fèi)，且無(wú)法滿足市場(chǎng)產(chǎn)品更新?lián)Q代越來(lái)越快的要求。汽車覆蓋件的有限元模擬分析可以在成形尚未實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)階段預(yù)測(cè)到拉延成形時(shí)將會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，并能確定成形所需要的參數(shù)，之后加以驗(yàn)證并優(yōu)化設(shè)計(jì)。這對(duì)汽車制造企業(yè)有重要意義。因此，本文采用Dynaform有限元分析軟件，基于某乘用車側(cè)圍板進(jìn)行仿真分析，擇重考慮壓邊力、拉延筋、工藝補(bǔ)充面等條件對(duì)拉延成形過(guò)程和結(jié)果的影響［2－5］。

1 汽車覆蓋件拉延成形仿真分析主要步驟

利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)汽車覆蓋件拉延成形進(jìn)行仿真分析，流程如圖1所示，分為5個(gè)主要步驟。

圖1 拉延成形仿真分析流程

1.1 幾何模型的建立

零件幾何模型的建立通常有兩種方法:第1種是通過(guò)大型CAD軟件(如UG、CATIA)超強(qiáng)建模板塊來(lái)建立覆蓋件的幾何模型，然后轉(zhuǎn)換成CAE軟件通用的格式導(dǎo)入CAE軟件中;第2種是直接在某些CAE軟件(Dynaform、Autoform)下建立覆蓋件的幾何模型。本文中側(cè)圍板的建模部分采用第1種方法，并以IGS格式導(dǎo)入到Dynaform軟件中［6］。乘用車側(cè)圍板三維模型如圖2所示。

圖2 側(cè)圍板三維模型

此側(cè)圍板形狀不存在任何的對(duì)稱性，并且表面有較大的高度差，拉延深度大，同時(shí)安裝車門(mén)的位置需根據(jù)實(shí)際情況添加工藝孔。側(cè)圍板在成形時(shí)應(yīng)選擇合理的沖壓方向，確保凸模全部直接進(jìn)入凹模;設(shè)置壓料面時(shí)首先保證拉延深度較小且均勻，壓料面形狀盡量簡(jiǎn)單;添加的工藝補(bǔ)充不屬于零件主體，需要在后續(xù)工序中切除成為廢料，因此在保證良好的拉延條件前提下，應(yīng)盡量減小工藝補(bǔ)充部分，減少材料浪費(fèi)，提高材料利用率。為了防止坯料變形時(shí)起皺，需要在壓料面上設(shè)置拉延筋［7］。

1.2 仿真前處理

1.2.1 網(wǎng)格劃分和拉延方向的確定

利用前處理中的網(wǎng)格劃分模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。單元類型一般選用薄殼單元(簡(jiǎn)稱BT單元)。在網(wǎng)格劃分前將模型中不屬于拉延的翻邊曲面移到另外的新零件層中，以便在后面的計(jì)算中除去此部分。

網(wǎng)格劃分遵循以下必要的原則［7］:

1)單元尺寸不宜過(guò)小或過(guò)大，否則都會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性;

2)在曲面變化劇烈處、圓角過(guò)渡及拐角處，網(wǎng)格單元的劃分需密，選擇較小一點(diǎn)的單元尺寸，這樣更有利于計(jì)算精度的提高;

3)在曲率變化相對(duì)小的地方，劃分的單元數(shù)目可適當(dāng)稀疏一些，選擇較大一點(diǎn)的單元尺寸，這樣有利于計(jì)算效率的提高。

本文中側(cè)圍板網(wǎng)格劃分的相關(guān)控制參數(shù)如表1所示。網(wǎng)格劃分完成后要進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量的檢查和修改，如法向檢查、邊界檢查、重疊單元檢查和內(nèi)角檢查等。處理完成后的側(cè)圍板有限元模型如圖3所示。

表1 網(wǎng)格劃分時(shí)控制參數(shù)

在對(duì)任何一個(gè)覆蓋件進(jìn)行拉延工藝分析前都應(yīng)選擇最有利的拉延方向，以確保凸模能順利進(jìn)入凹模，并且不存在拉延負(fù)角和凸模接觸不到的部分;拉延深度盡量適當(dāng)且均勻，開(kāi)始時(shí)凸模與毛坯的接觸要平穩(wěn)且接觸面積要大。

圖3 側(cè)圍板有限元模型

1.2.2 工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)側(cè)圍板拉延成形的數(shù)值模擬時(shí)需要添加必要的工藝補(bǔ)充部分，其主要內(nèi)容包括空洞的填補(bǔ)、端頭的補(bǔ)充、邊界圓角的過(guò)渡、工藝孔的設(shè)置、壓料面的參數(shù)化設(shè)計(jì)、拉延筋的合理布置等。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和側(cè)圍的實(shí)際情況，填補(bǔ)側(cè)圍板上的所有孔洞。車門(mén)位置的空洞設(shè)置成工藝孔而不需要填補(bǔ)。工藝孔的形狀簡(jiǎn)單，圓角半徑較大，需要對(duì)工藝孔的輪廓光順處理。側(cè)圍板的外部輪廓不能有較大的起伏，也要進(jìn)行光順。經(jīng)過(guò)孔洞填補(bǔ)和內(nèi)外部光順后的模型如圖4所示。

圖4 孔洞填補(bǔ)、輪廓光順的模型

壓料面是工藝補(bǔ)充的重要組成部分之一，對(duì)汽車覆蓋件的拉延成形最終效果有很重要的影響。壓料面的設(shè)計(jì)是否正確直接影響到金屬流動(dòng)的速度和方向，并且可能導(dǎo)致拉裂、起皺、局部成形不充分等缺陷。在壓料面設(shè)計(jì)時(shí)，盡量選擇相對(duì)簡(jiǎn)單的形狀。水平壓料面通常是工程中的第一選擇，這樣可以有效減少坯料的前期處理。針對(duì)本模型的具體情況建立平面壓料面。建立、調(diào)整和剪切后的壓料面形狀如圖5所示。

圖5 壓料面形狀

為了能順利拉延出合格的產(chǎn)品，以原有零件為基礎(chǔ)添加部分材料形成工藝補(bǔ)充面，該補(bǔ)充面可在后續(xù)工序中切除。工藝補(bǔ)充面是拉延成形的重要內(nèi)容，對(duì)成形質(zhì)量有重要影響［8］。根據(jù)本款乘用車側(cè)圍的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在建立工藝補(bǔ)充面時(shí)注意在前后門(mén)的位置上添加工藝補(bǔ)充孔。此工藝補(bǔ)充孔的形狀要求簡(jiǎn)單，圓角半徑較大，所以工藝孔的輪廓需要光順。側(cè)圍板后輪位置比較平齊，并且起伏較大，必須進(jìn)行端頭的補(bǔ)充才能較好地完成拉延成形。對(duì)于所有的工藝補(bǔ)充面必須進(jìn)行外部光順，以減少拉延時(shí)可能出現(xiàn)因應(yīng)力集中而導(dǎo)致的拉裂現(xiàn)象。工藝補(bǔ)充后的形狀如圖6所示。

圖6 工藝補(bǔ)充面形狀

1.2.3 毛坯的設(shè)計(jì)

汽車覆蓋件拉延成形中毛坯外形設(shè)計(jì)是數(shù)值模擬的重要環(huán)節(jié)。毛坯的外部尺寸必然影響到拉延成形的質(zhì)量。毛坯外形的合理設(shè)計(jì)既可以節(jié)約原材料，又有防止開(kāi)裂和起皺、保證制件厚度分布均勻的作用［9］。在Dynaform軟件中毛坯的外形尺寸可以通過(guò)軟件預(yù)估，也可以根據(jù)工件自行設(shè)計(jì)?？紤]到此側(cè)圍板的復(fù)雜性，在本文中選擇自行設(shè)計(jì)。

表2 DC06材料的性能參數(shù)

注意坯料的邊界一定要盡量光順，以利于拉延成形，并且在給坯料劃分網(wǎng)格時(shí)網(wǎng)格的最大尺寸一定要適當(dāng)小于零件網(wǎng)格劃分的最大尺寸，這樣才能在仿真結(jié)果中凸顯出側(cè)圍的某些細(xì)小特征。設(shè)計(jì)完成后的毛坯形狀如圖7所示。

圖7 設(shè)計(jì)完成后的毛坯形狀

由于側(cè)圍板形狀尺寸相當(dāng)復(fù)雜，拉延的深度較大，所以坯料必須采用具有相當(dāng)好的拉延性能的鋼板，并且要有較好的強(qiáng)度和剛度，故選用超深沖冷軋鋼板DC06，板料厚度為0.8 mm，性能參數(shù)如表2所示。

1.3 定義工具和工藝參數(shù)設(shè)置

對(duì)于工具的定義方法，本文采用的是軟件中的快速設(shè)置，包括拉延的類型、工具的定義、毛坯的參數(shù)、壓邊力的大小、沖壓速度等。定義完工具后的有限元模型如圖8所示。相關(guān)工藝參數(shù)原始設(shè)置如表3所示。

圖8 有限元模型

表3 仿真時(shí)工藝和控制參數(shù)數(shù)值

1.4 結(jié)果顯示

將求解的結(jié)果加載到Dynaform后處理器中，以云圖等形式顯示計(jì)算結(jié)果以便進(jìn)一步分析和修正。

2 后處理及結(jié)果分析

通過(guò)顯示動(dòng)力學(xué)分析程序(LS-DYNA)求解得到的結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、校核以及輸出，可更加形象、直觀地說(shuō)明成形過(guò)程中各階段的厚度、應(yīng)力、應(yīng)變的變化。通過(guò)結(jié)果顯示可以很容易發(fā)現(xiàn)成形過(guò)程中可能存在的缺陷，如成形不充分、起皺和破裂等，進(jìn)而指導(dǎo)成形參數(shù)和模具的修改。

圖9為計(jì)算得到的初次成形極限圖，從圖中可以直觀地看到該側(cè)圍板在仿真分析結(jié)束后存在2個(gè)大的問(wèn)題:第一，從成形極限圖整體來(lái)看，側(cè)圍板左上部分存在大量起皺和拉延不充分，右下部分好于左上部分，但仍有大量起皺，這主要是因?yàn)閭?cè)圍板的形狀不對(duì)稱和拉延深度較大引起的;第二，側(cè)圍板整體的拉延成形程度不夠充分，表現(xiàn)在整個(gè)側(cè)圍板型面存在大量的拉延不充分和嚴(yán)重起皺的現(xiàn)象，這主要是仿真過(guò)程中拉延阻力較小所致。

圖9 初次成形極限圖

3 工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1 拉延筋的原理和形式

拉延筋通常分為拉延筋本體和其相對(duì)應(yīng)的凹槽兩部分，其原理主要是通過(guò)板料在經(jīng)過(guò)拉延筋的本體前后的正反彎曲變形和摩擦來(lái)產(chǎn)生拉延阻力。

拉延筋的形式多種多樣，主要有以下5種基本的形式:三角形拉延筋、半圓形拉延筋、梯形拉延筋、方形拉延筋和非對(duì)稱拉延筋，其中半圓形拉延筋是在工程應(yīng)用中用到最多的一種。但是在Dynaform軟件分析中無(wú)法添加真實(shí)的拉延筋，而是選用虛擬的拉延筋。拉延筋的具體參數(shù)如表4所示。

表4 拉延筋參數(shù)

3.2 添加整體拉延筋仿真分析

為了得到良好的拉延成形效果，選擇添加整體式拉延筋。整體式拉延筋分布如圖10所示，分析后的成形極限圖如圖11所示。

圖10 整體式拉延筋分布

圖11 整體式拉延筋成形極限圖

從圖11可以看出:添加了整體拉延筋的側(cè)圍板的成形效果改善了很多，整個(gè)側(cè)圍板基本成形。但是還有一些不足之處，例如側(cè)圍板的上部存在小部分拉延不充分情況(拉延阻力較小)，側(cè)圍板曲率變化劇烈的地方出現(xiàn)了拉裂部分(拉延阻力較大)。

通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)，僅僅是添加整體式拉延筋只能增加整體側(cè)圍板成形時(shí)的拉延阻力，但不能很好地調(diào)節(jié)側(cè)圍板成形過(guò)程中局部的拉延阻力。

3.3 添加分段式拉延筋仿真分析

為了解決因側(cè)圍板嚴(yán)重不對(duì)稱而產(chǎn)生的局部拉延力需求不同的問(wèn)題，選擇添加分段式拉延筋，并在側(cè)圍板拉延深度較大的上部和下部采用雙層拉延筋，同時(shí)在側(cè)圍板曲率變化較大的地方適當(dāng)選擇不添加任何拉延筋來(lái)促進(jìn)金屬材料的流動(dòng)。添加后的分段式拉延筋布置方案如圖12所示。分析后的成形極限圖如圖13所示。

圖12 分段式拉延筋布置方案

圖13 分段式拉延筋成形極限圖

從圖13可以看出:改用合理的分段式拉延筋后側(cè)圍板完全成形，不存在拉延不充分和拉裂的部分，很好地解決了整體式拉延筋的不足，可以作為工程實(shí)際應(yīng)用的參考。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)Dynaform軟件，成功地對(duì)側(cè)圍板進(jìn)行了拉延成形分析和優(yōu)化，得到了較好的成形效果。同時(shí)指出壓邊力、工藝補(bǔ)充面、拉延筋、坯料形狀等對(duì)側(cè)圍板的拉延成形都有一定影響。特別是對(duì)于類似側(cè)圍板這樣嚴(yán)重不對(duì)稱的覆蓋件，一般的整體式拉延筋很難達(dá)到成形效果，需要采用分段式拉延筋，通過(guò)多次的調(diào)整分析才能得出理想的成形效果，從而獲得合理的拉延成形方案。

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