韓超，王炎，鮑益東，黃文衛(wèi)

(1. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016； 2. 南京汽車(chē)集團(tuán)有限公司 制造工程部，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展及有限元法的日益成熟，板料成形的數(shù)值模擬技術(shù)在制造業(yè)尤其是汽車(chē)行業(yè)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。其中AUTOFORM是由AUTOFORM工程股份有限公司專(zhuān)門(mén)針對(duì)汽車(chē)工業(yè)和金屬成形工業(yè)中的板料成形而開(kāi)發(fā)和優(yōu)化的有限元模擬軟件，具有計(jì)算速度快、容易操縱等優(yōu)點(diǎn)，尤其在工藝方案的優(yōu)化和復(fù)雜型面的模具設(shè)計(jì)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1]，約90% 的全球汽車(chē)制造商和100多家全球汽車(chē)模具制造商和沖壓件供應(yīng)商都使用它來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、工藝規(guī)劃和模具研發(fā)[2]。因此可見(jiàn)，AUTOFORM的數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)實(shí)踐生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義[3-4]。

汽車(chē)側(cè)圍，作為轎車(chē)沖壓零件中外形尺寸最大、形狀最復(fù)雜、最為關(guān)鍵的覆蓋件，由于其形狀不規(guī)則，對(duì)表面的質(zhì)量要求較高，其成形難度較大，模具結(jié)構(gòu)及變形情況復(fù)雜，變形規(guī)律難以掌握[5-6]，因此出現(xiàn)的問(wèn)題也較多，尤其是在實(shí)際沖壓過(guò)程中汽車(chē)側(cè)圍尾燈翻邊處往往產(chǎn)生嚴(yán)重的起皺缺陷。由于翻邊處面積較小操作不便，即使施加較大的壓力也無(wú)法使該處的起皺壓平，反而會(huì)產(chǎn)生疊料缺陷，導(dǎo)致起皺現(xiàn)象更為嚴(yán)重。本文針對(duì)這種現(xiàn)象，以某汽車(chē)側(cè)圍尾燈翻邊處為例，針對(duì)發(fā)生的起皺缺陷，提出了在翻邊上增加工藝缺口來(lái)抑制起皺現(xiàn)象的方法，并采用有限元數(shù)值模擬仿真軟件AUTOFORM對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行模擬仿真，為生產(chǎn)實(shí)踐提供參考方案。

1 起皺

1.1 起皺的定義

汽車(chē)覆蓋件對(duì)質(zhì)量和精度的要求非常高，其表面上任何微小的缺陷都會(huì)在涂漆后引起光線(xiàn)的漫反射而損壞外形的美觀，因此汽車(chē)覆蓋件表面決不允許出現(xiàn)波紋皺折、凹痕、擦傷等破壞表面美感的缺陷[7]。失穩(wěn)起皺是覆蓋件成形過(guò)程中一個(gè)普遍而難以解決的問(wèn)題，尤其是對(duì)于具有復(fù)雜邊界條件的三維成形過(guò)程，目前還不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和避免成形過(guò)程中起皺現(xiàn)象的發(fā)生。在板件成形過(guò)程中，板件厚度相比于其他方向的尺寸很小，故而厚度方向的不確定性也就越大。起皺是由局部切向應(yīng)力過(guò)大，達(dá)到或超過(guò)板料的臨界應(yīng)力而引起的薄板厚度方向的失穩(wěn)，由于板面內(nèi)壓應(yīng)力和材料流動(dòng)不均勻與過(guò)剩引起的材料堆積是板件起皺的真正原因[8]。

1.2 起皺判定

起皺是金屬成形過(guò)程中普遍存在的缺陷，引起起皺的原因有很多，如厚度、材料、潤(rùn)滑、壓邊力、拉延筋等，在成形過(guò)程中起皺很難預(yù)測(cè)。AUTOFORM是專(zhuān)業(yè)的汽車(chē)工業(yè)板料成形仿真軟件，軟件主要提供了兩種起皺的評(píng)定方法：FLD分區(qū)和起皺準(zhǔn)則Wrinkle Criterion。

1) FLD分區(qū)

根據(jù)板料的材料性能和應(yīng)變狀態(tài)將成形極限圖FLD分為7個(gè)區(qū)，如圖1所示，分別為：破裂區(qū)(Crack)、破裂危險(xiǎn)區(qū)(Risk of crack)、過(guò)度減薄區(qū)(Excessive Thinning)、安全區(qū)(Safe)、拉伸不足區(qū)(Insufficient Stretching)、起皺趨勢(shì)區(qū)(Wrinkle Tendency)和起皺區(qū)(Wrinkle)，可以通過(guò)各點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)得到其在FLD分區(qū)中對(duì)應(yīng)的位置，從而判斷仿真過(guò)程中是否出現(xiàn)起皺缺陷。

圖1 FLD分區(qū)情況

由于起皺是由表層方向的壓應(yīng)力導(dǎo)致的，因此在對(duì)起皺現(xiàn)象進(jìn)行評(píng)估時(shí)次應(yīng)力應(yīng)該首先被考慮。根據(jù)塑性理論，次應(yīng)力可表示為：

(1)

其中：λ表示塑性比例系數(shù)，是一個(gè)度量常數(shù)，ε1、ε2、ε3分別表示3個(gè)方向的應(yīng)變，R表示平均的各向異性指數(shù)。R值由樣本材料在不同方向(0°、45°、90°)的拉伸試驗(yàn)中得到，平均各向異性指數(shù)R的定義為：

(2)

分析次應(yīng)力的公式，當(dāng):

(3)

即ε2=Rε3時(shí)，次應(yīng)力等于零(σ2=0)，此時(shí)板料處于單軸拉伸的應(yīng)變狀態(tài)。此應(yīng)變狀態(tài)為AUTOFORM判斷起皺趨勢(shì)的臨界區(qū)。即當(dāng)-ε1<ε2

當(dāng)ε1=-ε2時(shí)，即ε3=0，此時(shí)板料處于純剪切的應(yīng)變狀態(tài)。此應(yīng)變狀態(tài)為板料厚度變化的臨界區(qū)，也是AUTOFORM判斷起皺的標(biāo)準(zhǔn)。因此當(dāng)ε1<-ε2，ε3>0時(shí)板料厚度增加，記為起皺區(qū)域，因此起皺評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為ε1≤-ε2。

綜合分析可知：當(dāng)ε2

2) 起皺準(zhǔn)則(Wrinkle Criterion)

起皺準(zhǔn)則作為一種后處理變量，可以幫助設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)階段避免起皺現(xiàn)象。起皺準(zhǔn)則的定義為：

(4)

由FLD分區(qū)可知，次應(yīng)力公式為：

(5)

其中各參數(shù)含義與FLD分區(qū)中相同。如果次應(yīng)力比零小，意味著表層方向出現(xiàn)壓應(yīng)力，相反表示沒(méi)有壓應(yīng)力。因此，起皺準(zhǔn)則作為度量壓應(yīng)力大小的變量，可以直接用來(lái)判定起皺缺陷。如果起皺準(zhǔn)則εwc的值比零大，意味著是壓應(yīng)力而且可能起皺，值越大，起皺也就越嚴(yán)重，εwc的值等于零則表示不會(huì)出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。因此可以直接選擇起皺準(zhǔn)則εwc的值來(lái)分析判定某汽車(chē)在尾燈翻邊處的起皺現(xiàn)象。

2 有限元模擬仿真過(guò)程

某汽車(chē)車(chē)型側(cè)圍在生產(chǎn)過(guò)程中，尾燈處會(huì)出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，基于專(zhuān)業(yè)的汽車(chē)仿真軟件AUTOFORM對(duì)該側(cè)圍進(jìn)行模擬，判斷起皺的準(zhǔn)確性。提出增加缺口對(duì)起皺現(xiàn)象進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)起皺的判斷標(biāo)準(zhǔn)將模擬仿真的結(jié)果與生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行對(duì)比，為企業(yè)的生產(chǎn)提供相應(yīng)的參考方案。

2.1 工藝分析

汽車(chē)側(cè)圍厚度薄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成形面積和尺寸較大，對(duì)幾何精度、表面光潔度要求較高，成形過(guò)程中受壓邊力和摩擦等多重因素的影響，若工藝設(shè)計(jì)不當(dāng)常常會(huì)產(chǎn)生拉裂、起皺等現(xiàn)象，為模具調(diào)試帶來(lái)較大的難度[9]。采用AUTOFORM仿真軟件模擬某汽車(chē)側(cè)圍板料成形的全過(guò)程，隨時(shí)觀察尾燈處的起皺情況，針對(duì)該處的起皺缺陷提出新的工藝改進(jìn)方法，為完善模具設(shè)計(jì)方案或修模提供依據(jù)。對(duì)最終產(chǎn)品的要求是不發(fā)生起皺且不存在開(kāi)裂缺陷，材料利用率較高。通過(guò)對(duì)零件形狀分析，確定采用以下工藝方案：落料、拉延、修邊-沖孔、修邊-整形、修邊-翻邊-整形。

2.2 有限元模擬過(guò)程

利用三維建模軟件對(duì)某汽車(chē)側(cè)圍進(jìn)行三維建模，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的 IGS 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口導(dǎo)入AUTOFORM軟件，采取軟件默認(rèn)值進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元網(wǎng)格模型。利用Geometry generator生成凸模、凹模、壓邊圈，根據(jù)沖壓工藝和模具設(shè)計(jì)的知識(shí)，完成優(yōu)選沖壓方向，壓料面形狀確定、工藝補(bǔ)充面的設(shè)計(jì)及拉延筋的設(shè)計(jì)與布置，以獲得最佳的材料流動(dòng)[10]。模擬仿真過(guò)程中所采用的材料為DC56D的冷軋鋼板，厚度為0.7 mm，具體尺寸為3 405 mm×1 550 mm，其主要力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表1。在Process generator中，選取增量計(jì)算法(Incremental)進(jìn)行模擬，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)分別對(duì)Blank(毛坯的尺寸、形狀、材料性能等)、Tools(凸模、凹模及壓邊圈的初始位置)、Lube(潤(rùn)滑條件)、Drawbead(拉延筋)、Process(凸模、凹模及壓邊圈的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和壓邊力)等參數(shù)進(jìn)行定義，壓邊圈行程為220 mm，壓邊力設(shè)置為240 t，摩擦系數(shù)為0.15，拉延筋頂力為124 t，拉延的成形力為1 650 t，所建立拉延模擬的幾何模型，如圖2所示。

表1 DC56D鋼的主要性能參數(shù)

圖2 拉延模擬的初始位置圖

AUTOFORM設(shè)置的修邊沖孔工序可以采用Tool Cut(2D)和Laser Cut(3D)工序，本例采用自動(dòng)展開(kāi)邊界線(xiàn)功能獲取修邊線(xiàn)，在OP15中采取Laser Cut(3D)沖裁工序設(shè)置，之后在OP20、OP30、OP40工序中針對(duì)不同的位置設(shè)置翻邊、整形。最后進(jìn)行回彈工序(OP50)的設(shè)定，只需指定參考幾何體，參考幾何體是不動(dòng)的，回彈形式為Free，不添加約束。到此即可提交進(jìn)行計(jì)算，單擊Reopen可查看結(jié)果，坯料最終的模型圖如圖3所示。

圖3 最終模型圖

2.3 有限元模擬結(jié)果

在計(jì)算完成后，拉動(dòng)AUTOFORM下面的進(jìn)度條可觀看坯料模擬過(guò)程中成形變化情況，如圖4所示分別表示該板料在距離下死點(diǎn)前10 mm、5 mm、2 mm、1 mm時(shí)尾燈翻邊處的成形情況，用肉眼即可看到此處存在非常嚴(yán)重的起皺缺陷，零件在沖壓完成時(shí)會(huì)產(chǎn)生疊料現(xiàn)象。

圖4 板料到底前不同距離的成形情況

由于沖壓軟件AUTOFORM在板料沖壓到底時(shí)會(huì)自動(dòng)將起皺現(xiàn)象壓平，因此到底時(shí)的狀態(tài)無(wú)法完全反應(yīng)板料成形過(guò)程中真實(shí)的成形狀態(tài)，文中統(tǒng)一選擇將板料到底前1.5mm時(shí)的狀態(tài)作為本文起皺的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。如圖5所示，無(wú)論是翻邊邊緣還是內(nèi)部都存在起皺，尤其是在尾燈翻邊處圓圈標(biāo)注區(qū)域起皺缺陷尤其嚴(yán)重，由起皺準(zhǔn)則測(cè)得該翻邊處的起皺最大值εwc為0.024 2。

圖5 到底前1.5 mm時(shí)起皺準(zhǔn)則評(píng)定的起皺現(xiàn)象

3 改進(jìn)方案及結(jié)果

3.1 改進(jìn)方案

由于起皺是由于材料流動(dòng)不均勻引起的局部的材料堆積，因此針對(duì)以上起皺現(xiàn)象采取工藝缺口的方法進(jìn)行改進(jìn)，考慮到要保證尾燈安裝時(shí)的焊接點(diǎn)不能改變，因此采取的具體方法是在不影響尾燈焊接點(diǎn)的前提下，盡可能大的加大工藝缺口的形狀和尺寸，本文提出兩種改進(jìn)方法：方案一增加5個(gè)工藝缺口，工藝缺口尺寸為16.5mm× 7mm；方案二增加3個(gè)工藝缺口，工藝缺口尺寸為5mm×7.5mm?；贏UTOFORM軟件對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行模擬，觀察尾燈處起皺現(xiàn)象有無(wú)改善，為生產(chǎn)實(shí)踐提供參考。

3.2 改進(jìn)結(jié)果

對(duì)方案一和方案二進(jìn)行AUTOFORM的模擬仿真分析，其建模仿真過(guò)程與未開(kāi)工藝缺口的模型設(shè)置相同。

圖6表示方案一板料在距離下死點(diǎn)前10mm、5mm、2mm、1mm的成形情況，圖7表示方案一到底前1.5mm時(shí)起皺準(zhǔn)則評(píng)定的起皺現(xiàn)象。

圖6 板料到底前不同距離的成形情況(方案一)

圖7 到底前1.5 mm時(shí)起皺準(zhǔn)則評(píng)定的起皺現(xiàn)象(方案一)

將方案一與原始方案中的成形情況相比，起皺現(xiàn)象主要集中在缺口的底部附近區(qū)域，零件在到底前1.5mm時(shí)起皺缺陷已經(jīng)有很好的改善，尤其是缺口處以外的其他區(qū)域，由起皺準(zhǔn)則判定時(shí)的最大起皺趨勢(shì)εwc為0.002 86，其他區(qū)域在10-4左右，和原始方案相比，(εwc)max由0.024 2減小為0.002 86。雖然在到底前1.5mm的起皺趨勢(shì)表明起皺缺陷已經(jīng)得到了明顯的改善，但是在到達(dá)下死點(diǎn)前10mm～1mm過(guò)程中，零件在翻邊處還是有比較嚴(yán)重的起皺現(xiàn)象。同原始方案一樣，這些起皺缺陷隨著成形過(guò)程的進(jìn)行很容易形成疊料現(xiàn)象，這種由于疊料引起的起皺缺陷無(wú)法壓平，在后面的工序中也無(wú)法進(jìn)行修正，還是會(huì)對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量造成影響。

圖8表示方案二板料在距離下死點(diǎn)前10mm、5mm、2mm、1mm的成形情況，圖9表示方案二到底前1.5mm時(shí)起皺準(zhǔn)則評(píng)定的起皺現(xiàn)象。

圖8 板料到底前不同距離的成形情況(方案二)

圖9 到底前1.5 mm時(shí)起皺準(zhǔn)則評(píng)定的起皺現(xiàn)象(方案二)

從圖9可以看出零件在成形到底前1.5 mm時(shí)仍存在少量的起皺現(xiàn)象，但是這些缺陷主要集中在缺口的底部。在翻邊其他位置成形情況良好，由起皺準(zhǔn)則測(cè)定最大起皺缺陷εwc為0.001 32，其他區(qū)域在10-4左右，起皺現(xiàn)象得到了很好的改善。觀察圖中零件在到底前10mm～1mm的成形情況，與方案一以及原始方案相比，缺口底部以外的其他區(qū)域的起皺缺陷也已經(jīng)得到了非常好的改善，(εwc)max由初始方案的0.024 2減小為0.001 32，比方案一的值0.002 86也小，少量的起皺也集中在缺口底部，與圖中反應(yīng)出的成形情況相一致，缺口底部的起皺現(xiàn)象可以利用壓力機(jī)將該區(qū)域的起皺現(xiàn)象壓平，從而保證最終產(chǎn)品具有高的成形性和完美的外觀。

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在方案一和方案二中，整體上的起皺現(xiàn)象相比于原始方案得到了很大的改善，零件到底前1.5mm時(shí)均還存在少量的起皺現(xiàn)象，位置主要集中在所開(kāi)工藝缺口的邊緣區(qū)域，缺口處以外的其他區(qū)域零件由最大起皺準(zhǔn)則測(cè)定均在10-4左右，起皺現(xiàn)象得到了很大的改善。零件在成形過(guò)程中，方案二相比方案一在缺口外的其他區(qū)域具有更好的改善效果，因此認(rèn)為方案二更合理。分析改進(jìn)方案后發(fā)現(xiàn)還是存在起皺缺陷，這是由兩個(gè)原因引起的：一是為了避讓焊點(diǎn)，由于焊接涂膠的緣故吸皺不充分，無(wú)法將工藝缺口做的更大；二是因?yàn)楣に嚾笨跊](méi)有也沒(méi)法開(kāi)在弧度最大的地方，因此在局部還是會(huì)出現(xiàn)少許的起皺。采取方案二的形狀尺寸進(jìn)行試樣生產(chǎn)，生產(chǎn)線(xiàn)壓機(jī)噸位為2 000t，板料質(zhì)量為28.96 kg，最終模具的尺寸為長(zhǎng)4 600 mm，寬2 420 mm，高1 200 mm，質(zhì)量為41.70 t，實(shí)際生產(chǎn)后的示意圖如圖10所示，零件質(zhì)量為12.86 kg，材料利用率為44.4%，材料利用率較高?？梢郧逦赜^察到在采取方案二增加3個(gè)工藝缺口后，雖然在工藝缺口部位仍存在少許的起皺缺陷，考慮到尾燈處焊接點(diǎn)的位置不能改變，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)檢工程師認(rèn)定，尾燈翻邊處的起皺現(xiàn)象與起始方案相比得到了明顯的改善。綜合分析后認(rèn)為，增加工藝缺口達(dá)到了改善起皺缺陷的目的，故建議生產(chǎn)中在該處采取方案二，增加3個(gè)缺口，工藝缺口尺寸為25mm×7.5mm。

圖10 尾燈翻邊處示意圖(方案二)

4 結(jié)語(yǔ)

1) 通過(guò)以上實(shí)例，驗(yàn)證了某汽車(chē)側(cè)圍尾燈翻邊處通過(guò)增加工藝缺口方案改善起皺缺陷的可行性，翻邊處增加3個(gè)工藝缺口方案比增加5個(gè)缺口方案具有更好的起皺改善效果。

2) 為了避讓焊點(diǎn)，工藝缺口的形狀和位置受到約束，導(dǎo)致翻邊上的起皺缺陷無(wú)法完全消除，但是方案二的起皺缺陷已經(jīng)得到了有效的抑制，相比于原始方案有了很大的改善，為實(shí)際的沖壓生產(chǎn)提供了依據(jù)。

3) AUTOFORM的起皺準(zhǔn)則對(duì)板料成形時(shí)起皺缺陷的判定準(zhǔn)確，利用AUTOFORM對(duì)板料成形過(guò)程進(jìn)行模擬，可以節(jié)省大量的人力和物力，對(duì)縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期、減少試模次數(shù)、提高產(chǎn)品成形質(zhì)量具有重要意義。

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