陳 楠，李永華

(沈陽理工大學 材料科學與工程學院，沈陽 110159)

目前，在一些發(fā)達國家，作為計算機輔助工程(Computer Aided Engineering，CAE)分析的常用方法，有限元模擬技術(shù)已經(jīng)成為減少塑性成形模具研發(fā)時間、保證產(chǎn)品質(zhì)量、減少原材料的必不可少的工具。

在車輛研發(fā)過程中，如果汽車覆蓋件無法塑性成形，會造成重新設(shè)計的問題；解決該問題的方法是在產(chǎn)品設(shè)計過程中，對其進行成形性檢驗，可立刻發(fā)現(xiàn)問題，縮短研發(fā)周期和降低研發(fā)成本。通常采用一步法和增量法模擬成形過程，一步法模擬軟件與傳統(tǒng)方法相反，成形后推測板材的力學性能；此法計算結(jié)果快，可以有效地預(yù)測板材的成形性，因此主要用在車輛的早期研發(fā)階段?，F(xiàn)在廣泛采用的成形軟件有瑞士Autoform/One-step、加拿大FTI公司開發(fā)的Fast3D等[1-3]。增量法模擬軟件最大的特點是計算精度高，但計算時間增加，可模擬出起皺、開裂、回彈等缺陷，且在最后通過成形結(jié)果圖進行預(yù)估。有限元模擬技術(shù)已經(jīng)成為新車研發(fā)的必備環(huán)節(jié)[4-6]。

本文采用增量模擬方法針對某型汽車的右門覆蓋件沖壓成形工藝進行研究，該零件特點為尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料薄(厚度0.8mm)、對成形后的表面有很高要求、模具設(shè)計復(fù)雜，研究在沖壓成形中避免拉裂、起皺等現(xiàn)象，制定合理的沖壓工藝。

1 汽車右門沖壓過程中可能存在的缺陷

圖1為某汽車右門覆蓋件的起皺和開裂圖。

1.1 起皺

覆蓋件沖壓成形過程中，板料由于非均勻變形而產(chǎn)生切向壓應(yīng)力；如果壓應(yīng)力過大，板料不能在正常流動下變形，稱為起皺[7-10](見圖1a所示)。

圖1 汽車覆蓋件在拉延過程中的起皺和開裂圖

1.2 開裂

拉延的汽車覆蓋件開裂一般位于底部圓角部分。在進行拉延時，圓角底部的拉延力過大，抗拉強度不能承受過大拉應(yīng)力而發(fā)生開裂(見圖1 b所示)。因此設(shè)計時，防止開裂應(yīng)設(shè)置合理的拉延系數(shù)、變形量、壓邊圈，且合理選材[7-10]。

2 CAE技術(shù)在汽車右門沖壓過程中的應(yīng)用

2.1 汽車右門的板材選擇

右門零件采用高強度冷軋鋼B170P1，此材料具有屈強比適中、成形性好、質(zhì)量輕、耐蝕、焊接性好等特點。

2.2 建模

圖2為汽車右門的三維模型。與一般沖壓件相比，零件形狀較為復(fù)雜、整體不對稱、起伏較大；零件尺寸約為1700mm×1000mm，在汽車覆蓋件中屬于大型件，周圍圓角部分較多，易破裂。

2.3 導入Autoform

將零件數(shù)模導入Autoform中，進行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分。為保證模擬精度，本文采用模擬精度—等級最高(FV)來進行模擬。初始最大單元網(wǎng)格邊長20mm，網(wǎng)格容差0.5mm，細化等級6級。

圖2 汽車右門三維造型

2.4 確定拉延過程中合理工藝參數(shù)

2.4.1 拉延筋的設(shè)計

為提高模擬效率，一般設(shè)置等效拉延筋來充當真實拉延筋進行模擬。利用Autoform軟件在壓邊圈上設(shè)置拉延筋的中心線，設(shè)置等效拉延筋的拉延阻力系數(shù)。該沖壓件尺寸較大，需要設(shè)置11條等效拉延筋(圖3中標注部分為添加拉延筋的位置)，寬度15mm。零件四周的材料流動較大，特別是中間部位，拉延后出現(xiàn)起皺和拉延不足情況。拉延筋優(yōu)化模擬結(jié)果圖如圖3所示。

圖3 拉延筋優(yōu)化模擬結(jié)果

圖4為成形極限圖，劃分為七個區(qū)域。Ⅰ起皺區(qū)，材料厚度明顯增加且起皺；Ⅱ壓應(yīng)力區(qū)；Ⅲ安全區(qū)，沖壓質(zhì)量良好；Ⅳ開裂風險區(qū)；Ⅴ過度減薄區(qū)；Ⅵ破裂區(qū)，材料發(fā)生開裂。圖中未標出區(qū)域為拉延不足區(qū)域。

圖4 成形極限圖

由圖4可知，圖3中的安全區(qū)占比為85.44%，四周并無開裂部分；拉延不足區(qū)域所占比例為3.25%；起皺區(qū)域為7.11%。

2.4.2 拉延過程中壓邊力

壓邊力是拉延時重要的參數(shù)，如果壓邊力過大會造成零件開裂，過小會造成局部拉延不足。本文零件汽車右門模擬時設(shè)置3組不同壓邊力，分別為400kN、500kN、700kN，圖5為不同壓邊力的模擬結(jié)果圖。

圖5中壓邊力從400kN增加到500kN時，零件中部的拉延不足得到改善，拉延不足區(qū)域從7.13%減小到3.25%，既前期壓邊力增加時，拉延不足區(qū)域會明顯減小。圖5c中壓邊力增大到700kN時，拉延不足區(qū)域為4.67%，開裂風險變大，并出現(xiàn)過度減薄，減薄率超過極限減薄率，達到20%；可知壓邊力過大會造成零件開裂。為找出汽車右門破裂風險的臨界點，在500～700kN再次模擬，得出適宜的壓邊力為650kN。

2.4.3 摩擦系數(shù)的確定

板料與模具和壓料面之間的摩擦系數(shù)在一定程度上影響坯料的流動和變形。通常生產(chǎn)中會通過潤滑來減少摩擦系數(shù)，減少模具磨損，增加模具的使用壽命。為研究摩擦系數(shù)對成形質(zhì)量的影響，摩擦系數(shù)分別取0.12、0.15和0.17。圖6為不同摩擦系數(shù)下的汽車右門成形結(jié)果圖。

從圖6中可以看出，隨著摩擦系數(shù)增大，零件的拉延不足得到改善。摩擦系數(shù)為0.12時，拉延不足區(qū)域占比4.37%；摩擦系數(shù)增大到0.17，拉延不足區(qū)域占7.34%，開裂區(qū)域占4.75%，1.23%處于開裂邊緣，所以摩擦力系數(shù)不能超過0.17；摩擦系數(shù)為0.15，拉延不足區(qū)域占比3.40%，比例最小，四周雖有開裂部分，但后期加工可去除。綜上確定摩擦系數(shù)為0.15。

圖6 不同摩擦系數(shù)汽車右門模擬結(jié)果圖

3 結(jié)論

采用Autoform軟件對某汽車右門的拉延工藝進行了有限元數(shù)值模擬。研究了拉延筋、壓邊力和摩擦系數(shù)對成形質(zhì)量的影響，合理的工藝參數(shù)為：添加11條拉延筋、壓邊力650kN、摩擦系數(shù)0.15，可避免出現(xiàn)拉延不足、起皺和開裂等缺陷。