基于數(shù)值模擬的曲面翻邊沖壓工藝設(shè)計(jì)

龍玲　王青春　劉培勇

摘 要：針對(duì)汽車零件曲面翻邊工藝的復(fù)雜性，研究了采用數(shù)值模擬技術(shù)在翻邊工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法。以某汽車結(jié)構(gòu)件為例分析了實(shí)施步驟及關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了材料成形質(zhì)量分析提出了工藝優(yōu)化方案，通過數(shù)值模擬試驗(yàn)平臺(tái)上得以驗(yàn)證，為汽車零件復(fù)雜曲面的翻邊工藝制定提供了科學(xué)的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：汽車零件；沖壓工藝；曲面翻邊；數(shù)值模擬

引言

為了滿足裝配需要和增加零部件的剛性和強(qiáng)度，翻邊工序是汽車零部件沖壓成形最常見也是最重要的工序之一，但由于車身沖件形狀多是復(fù)雜的空間曲面，材料變形機(jī)理復(fù)雜使得其成形質(zhì)量很難控制，因此翻邊成形性預(yù)估一直是汽車零件曲面翻邊成形工藝中非常重要的課題[1-3]。

在進(jìn)行類似汽車零部件這類復(fù)雜形狀的翻邊成形工藝設(shè)計(jì)時(shí)，由于成形特征可能會(huì)有彎曲、局部拉深或壓縮變形，它們的變形沒有一個(gè)固定的成形規(guī)律，需要綜合分析翻邊高度、翻邊方向等因素對(duì)零件成形性的影響，并且在試模之前提前預(yù)測(cè)零件的成形質(zhì)量，為模具設(shè)計(jì)人員和工藝人員提供一個(gè)有效的定量分析手段，若發(fā)現(xiàn)問題可及時(shí)改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)或工藝設(shè)計(jì)。

當(dāng)前，采用有限元技術(shù)進(jìn)行板料的成形分析已得到廣泛的應(yīng)用，但大多集中在對(duì)拉深的變形模擬研究[4]，對(duì)汽車零件而言，翻邊成形工序亦具有復(fù)雜的變形機(jī)理和難以預(yù)測(cè)和控制的工藝特性。因此，本文以汽車某零件為例，研究數(shù)值模擬技術(shù)在翻邊工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，具有較強(qiáng)的工程意義。

1 曲面翻邊變形分析

1.1 曲面翻邊變形特點(diǎn)

翻邊是在成形坯料的曲面部分上，利用模具把板料沿一定曲線翻成豎立邊緣的沖壓加工方法[5]。翻邊根據(jù)工件形狀的不同其變形機(jī)理亦不一致，不同類型的翻邊成形具有不同的變形特點(diǎn)，并且隨著工件的復(fù)雜性其變形難度增大，特別是曲面的翻邊（如圖1所示），因材料在成形過程中所受的應(yīng)力和產(chǎn)生的應(yīng)變，以及不同成形區(qū)域的相互制約和影響，使它們的成形變化比平面翻邊復(fù)雜得多，且影響翻邊質(zhì)量的因素諸多，如直邊部分長(zhǎng)度、翻邊高度、圓弧部分的曲率半徑以及模具的幾何形狀等，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮各因素的影響。

1.2 翻邊力的分析

通常情況下，翻邊時(shí)壓邊圈下的坯料不會(huì)流入凹模，因此可認(rèn)為該區(qū)域材料是不變形區(qū)，在設(shè)置壓邊力時(shí)為了保證這部分材料不產(chǎn)生流動(dòng)和變形，可將其壓邊力設(shè)置得較大。但實(shí)際翻邊時(shí)壓邊力的大小要根據(jù)要求和條件而定，當(dāng)外法蘭部分面積比較小，通過分析或發(fā)現(xiàn)這部分材料有流動(dòng)的變形趨勢(shì)時(shí)，壓邊力的計(jì)算可按拉深壓邊力計(jì)算，并取修正系數(shù)1.2-1.5。若外法蘭部分面積越大，所需的壓邊力越小，甚至不需要壓邊，可不用壓邊板，這一點(diǎn)剛好與拉深相反。拉深時(shí)，外法蘭部分面積越大，所需壓邊力越大，必須用壓力圈。

2 翻邊成形數(shù)值模擬分析

以圖2所示零件為例，分析該工件的翻邊工藝設(shè)計(jì)。由沖壓工藝知識(shí)可判斷，該零件的成形區(qū)域B屬于翻邊成形，但是可看出其翻邊輪廓是三維立體形狀，是一個(gè)集伸長(zhǎng)、壓縮以及彎曲變形的混合成形零件，不種性質(zhì)的翻邊變形互相影響、互相制約，使翻邊變形變得非常復(fù)雜。因此需要在研究沖壓變形原理的基礎(chǔ)上，采用有限元數(shù)值分析方法對(duì)其工藝進(jìn)行輔助分析。

2.1 有限元模型的建立

零件材料為HSLA250，屬于汽車零部件上需要采用的高強(qiáng)度低合金鋼，其主要力學(xué)參數(shù)為：屈服強(qiáng)度：250MPa；各向異性系數(shù)為：R00=0.949，R45=0.976，R90=1.209；楊氏模量：207000N/mm2，泊松比為0.28，密度為7.85E-6 N/mm3。材料厚度為2.5mm。HSLA250的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。

由工藝知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)可知，該零件主要有拉深（A區(qū)域）和翻邊成形（B區(qū)域）工序，工藝流程通常為先拉深后翻邊。因此翻邊工序的有限元模型不能直接在圖2所示的零件基礎(chǔ)上構(gòu)建[6]。而應(yīng)將前一工序（拉深工序）的成形計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入模型，沿修邊線進(jìn)行修邊得到的坯料作為本序的毛坯有限元分析模型，如圖4所示。

在得到翻邊的毛坯模型后，在UG里面設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的凸模、凹模和壓邊圈的模面，提取曲面并以IGES格式導(dǎo)入DYNAFORM分析軟件，對(duì)凸模、凹模、壓邊圈分別劃分有限元網(wǎng)格，得到翻邊成形的FEM模型如圖5所示。

2.2 翻邊高度的分析

翻邊成形高度是翻邊工序的重要尺寸之一，表面上看來它就是零件圖上的翻邊尺寸，但實(shí)際上這個(gè)尺寸是基于一次性翻邊成形且不出現(xiàn)任何質(zhì)量問題的條件下所采用的，若出現(xiàn)了質(zhì)量問題，那么翻邊工序不得不分步進(jìn)行。一般情況下，翻邊輪廓變形均勻的工件，如圓孔類翻邊件，允許最大翻邊高度可通過極限翻邊系數(shù)確定，但對(duì)于不均勻輪廓或者復(fù)雜變形的翻邊件，利用公式很難準(zhǔn)確的做出計(jì)算，因此可采用成形模擬法對(duì)其進(jìn)行分析，可以較準(zhǔn)確的分析翻邊的成形性，以判斷一次性翻邊成形的合理性。

因此，對(duì)圖5所示的一次性翻邊FEM模型設(shè)置材料、摩擦、壓力等工藝參數(shù)后，提交分析并計(jì)算，在后處理模塊打開成形極限圖（FLD），如圖6所示。

從圖中可看出，工件成形后出現(xiàn)了開裂和起皺等質(zhì)量問題，這顯然是達(dá)不到工件的成形質(zhì)量要求的。

2.3 翻邊成形的質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)

在實(shí)際工程應(yīng)用中，采用成形極限圖（FLD）和厚向應(yīng)變分布圖判斷與分析板料的成形性，預(yù)測(cè)起皺、破裂和成形不足等缺陷。對(duì)于普通鋼板，一般為板料厚向增厚10%時(shí)，板料容易起皺，而厚向減薄30%時(shí)板料容易破裂。而對(duì)于深沖鋼板減薄量可以增大一些。通過圖6所示的FLD圖可初步判斷出成形質(zhì)量不合格。

2.3.1 起皺

從FLD圖和厚度分布圖中可看出，工件成形后在圖示區(qū)域輪廓邊緣出現(xiàn)了較大程度的起皺，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步應(yīng)力應(yīng)變分析，如圖7所示為起皺區(qū)域部分節(jié)點(diǎn)的厚向應(yīng)變，可以看出，最大厚向應(yīng)變?cè)龊衤蔬_(dá)到62.8%，根據(jù)翻邊變形特點(diǎn)分析，此區(qū)域處于曲面邊緣壓縮類變形區(qū)域，并在圓弧與直邊的相鄰位置，因此很容易受切向壓應(yīng)力方向產(chǎn)生壓縮變形，從圖8看出，節(jié)點(diǎn)1的壓應(yīng)變？著2為-0.97，其絕對(duì)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其主應(yīng)變？著1值0.37，因此導(dǎo)致壓縮失穩(wěn)而起皺。

為了解決起皺問題，需綜合考慮各方面因素的影響，有些是結(jié)構(gòu)尺寸因素，有些是成形工藝參數(shù)。對(duì)于設(shè)計(jì)者而言，需找到對(duì)其質(zhì)量問題影響較大的關(guān)鍵因素，從而采取相應(yīng)的工藝措施，如增大壓邊力、增加凹模圓角半徑等。

2.3.2 開裂

從FLD圖6中發(fā)現(xiàn)零件轉(zhuǎn)角區(qū)域存在破裂傾向，還有個(gè)別區(qū)域已經(jīng)破裂，圖9為破裂危險(xiǎn)區(qū)與破裂區(qū)局部放大圖和其中任選節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變值，從應(yīng)變值上看，此區(qū)域的最小拉應(yīng)變值為0.475，但是在其對(duì)應(yīng)材料HSLA250的應(yīng)力應(yīng)變曲線（見圖3）上，對(duì)應(yīng)于0.475的應(yīng)力值大約為580MPa，明顯超過了HSLA250本身的抗拉強(qiáng)度250MPa～370MPa，并且由翻邊變形特點(diǎn)分析可知，該區(qū)域正好處于曲面翻邊的圓弧部分，是其翻邊成形產(chǎn)生破裂的危險(xiǎn)區(qū)，因此在此處很容易因拉伸變形過大而造成開裂。

解決翻邊成形開裂問題的措施也需著手于其不同工藝因素的影響，對(duì)于翻邊開裂問題最常見的即是翻邊高度超過了其最大成形極限，因此通常采用分步翻邊成形的工藝步驟。

2.4 工藝改進(jìn)與驗(yàn)證

在前面所述有限元試驗(yàn)與分析的基礎(chǔ)上，對(duì)翻邊工藝進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，如圖10所示為此工件分2步翻邊后的成形結(jié)果，可看出最終翻邊成形件沒有出現(xiàn)開裂或者開裂傾向的區(qū)域，驗(yàn)證了工藝改進(jìn)后的合理性。

3 結(jié)論

（1）汽車沖壓件由于裝配需要和剛性的要求，往往在曲面邊緣設(shè)置翻邊結(jié)構(gòu)。應(yīng)用數(shù)值模擬與分析技術(shù)進(jìn)行翻邊工藝設(shè)計(jì)是一種有效且可靠的方法。

（2）對(duì)于曲面翻邊的起皺問題，采用增大壓邊力、增加凹模圓角半徑等工藝措施能使其得到合理有效的改善。

（3）對(duì)翻邊開裂問題主要原因是翻邊高度超過了其最大成形極限，采用分步翻邊成形的工藝方法得以改善。

參考文獻(xiàn)

[1]曹穎，李大永，李峰等.翻邊成形性預(yù)示及修邊線位置確定[J].武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（4）：43-45.

[2]施于慶，張劍藤.影響內(nèi)外曲翻邊的質(zhì)量因素分析及采取的措施[J].金屬成形工藝，2000，18（2）：44-46.

[3]欒貽國(guó)，宋立彬，李輝平等.幾何參數(shù)對(duì)曲面翻邊成形的影響[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2010，17（6）：1-8.

[4]徐偉力，林忠欽.車身覆蓋件沖壓仿真的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2000，36（7）：1-4.

[5]崔令江.汽車覆蓋件沖壓成形技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.6

[6]張曉靜，周賢賓.汽車覆蓋件多工步成形數(shù)值模擬技術(shù)研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2001，8（1）：25-30.

作者簡(jiǎn)介：龍玲（1979-），女，四川成都人，講師，博士，主要從事板料成形優(yōu)化設(shè)計(jì)、模具CAD/CAE/CAM、人工智能及應(yīng)用等研究。

為了解決起皺問題，需綜合考慮各方面因素的影響，有些是結(jié)構(gòu)尺寸因素，有些是成形工藝參數(shù)。對(duì)于設(shè)計(jì)者而言，需找到對(duì)其質(zhì)量問題影響較大的關(guān)鍵因素，從而采取相應(yīng)的工藝措施，如增大壓邊力、增加凹模圓角半徑等。

2.3.2 開裂

從FLD圖6中發(fā)現(xiàn)零件轉(zhuǎn)角區(qū)域存在破裂傾向，還有個(gè)別區(qū)域已經(jīng)破裂，圖9為破裂危險(xiǎn)區(qū)與破裂區(qū)局部放大圖和其中任選節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變值，從應(yīng)變值上看，此區(qū)域的最小拉應(yīng)變值為0.475，但是在其對(duì)應(yīng)材料HSLA250的應(yīng)力應(yīng)變曲線（見圖3）上，對(duì)應(yīng)于0.475的應(yīng)力值大約為580MPa，明顯超過了HSLA250本身的抗拉強(qiáng)度250MPa～370MPa，并且由翻邊變形特點(diǎn)分析可知，該區(qū)域正好處于曲面翻邊的圓弧部分，是其翻邊成形產(chǎn)生破裂的危險(xiǎn)區(qū)，因此在此處很容易因拉伸變形過大而造成開裂。

解決翻邊成形開裂問題的措施也需著手于其不同工藝因素的影響，對(duì)于翻邊開裂問題最常見的即是翻邊高度超過了其最大成形極限，因此通常采用分步翻邊成形的工藝步驟。

2.4 工藝改進(jìn)與驗(yàn)證

在前面所述有限元試驗(yàn)與分析的基礎(chǔ)上，對(duì)翻邊工藝進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，如圖10所示為此工件分2步翻邊后的成形結(jié)果，可看出最終翻邊成形件沒有出現(xiàn)開裂或者開裂傾向的區(qū)域，驗(yàn)證了工藝改進(jìn)后的合理性。

3 結(jié)論

（1）汽車沖壓件由于裝配需要和剛性的要求，往往在曲面邊緣設(shè)置翻邊結(jié)構(gòu)。應(yīng)用數(shù)值模擬與分析技術(shù)進(jìn)行翻邊工藝設(shè)計(jì)是一種有效且可靠的方法。

（2）對(duì)于曲面翻邊的起皺問題，采用增大壓邊力、增加凹模圓角半徑等工藝措施能使其得到合理有效的改善。

（3）對(duì)翻邊開裂問題主要原因是翻邊高度超過了其最大成形極限，采用分步翻邊成形的工藝方法得以改善。

參考文獻(xiàn)

[1]曹穎，李大永，李峰等.翻邊成形性預(yù)示及修邊線位置確定[J].武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（4）：43-45.

[2]施于慶，張劍藤.影響內(nèi)外曲翻邊的質(zhì)量因素分析及采取的措施[J].金屬成形工藝，2000，18（2）：44-46.

[3]欒貽國(guó)，宋立彬，李輝平等.幾何參數(shù)對(duì)曲面翻邊成形的影響[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2010，17（6）：1-8.

[4]徐偉力，林忠欽.車身覆蓋件沖壓仿真的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2000，36（7）：1-4.

[5]崔令江.汽車覆蓋件沖壓成形技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.6

[6]張曉靜，周賢賓.汽車覆蓋件多工步成形數(shù)值模擬技術(shù)研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2001，8（1）：25-30.

作者簡(jiǎn)介：龍玲（1979-），女，四川成都人，講師，博士，主要從事板料成形優(yōu)化設(shè)計(jì)、模具CAD/CAE/CAM、人工智能及應(yīng)用等研究。

為了解決起皺問題，需綜合考慮各方面因素的影響，有些是結(jié)構(gòu)尺寸因素，有些是成形工藝參數(shù)。對(duì)于設(shè)計(jì)者而言，需找到對(duì)其質(zhì)量問題影響較大的關(guān)鍵因素，從而采取相應(yīng)的工藝措施，如增大壓邊力、增加凹模圓角半徑等。

2.3.2 開裂

從FLD圖6中發(fā)現(xiàn)零件轉(zhuǎn)角區(qū)域存在破裂傾向，還有個(gè)別區(qū)域已經(jīng)破裂，圖9為破裂危險(xiǎn)區(qū)與破裂區(qū)局部放大圖和其中任選節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變值，從應(yīng)變值上看，此區(qū)域的最小拉應(yīng)變值為0.475，但是在其對(duì)應(yīng)材料HSLA250的應(yīng)力應(yīng)變曲線（見圖3）上，對(duì)應(yīng)于0.475的應(yīng)力值大約為580MPa，明顯超過了HSLA250本身的抗拉強(qiáng)度250MPa～370MPa，并且由翻邊變形特點(diǎn)分析可知，該區(qū)域正好處于曲面翻邊的圓弧部分，是其翻邊成形產(chǎn)生破裂的危險(xiǎn)區(qū)，因此在此處很容易因拉伸變形過大而造成開裂。

解決翻邊成形開裂問題的措施也需著手于其不同工藝因素的影響，對(duì)于翻邊開裂問題最常見的即是翻邊高度超過了其最大成形極限，因此通常采用分步翻邊成形的工藝步驟。

2.4 工藝改進(jìn)與驗(yàn)證

在前面所述有限元試驗(yàn)與分析的基礎(chǔ)上，對(duì)翻邊工藝進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，如圖10所示為此工件分2步翻邊后的成形結(jié)果，可看出最終翻邊成形件沒有出現(xiàn)開裂或者開裂傾向的區(qū)域，驗(yàn)證了工藝改進(jìn)后的合理性。

3 結(jié)論

（1）汽車沖壓件由于裝配需要和剛性的要求，往往在曲面邊緣設(shè)置翻邊結(jié)構(gòu)。應(yīng)用數(shù)值模擬與分析技術(shù)進(jìn)行翻邊工藝設(shè)計(jì)是一種有效且可靠的方法。

（2）對(duì)于曲面翻邊的起皺問題，采用增大壓邊力、增加凹模圓角半徑等工藝措施能使其得到合理有效的改善。

（3）對(duì)翻邊開裂問題主要原因是翻邊高度超過了其最大成形極限，采用分步翻邊成形的工藝方法得以改善。

參考文獻(xiàn)

[1]曹穎，李大永，李峰等.翻邊成形性預(yù)示及修邊線位置確定[J].武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（4）：43-45.

[2]施于慶，張劍藤.影響內(nèi)外曲翻邊的質(zhì)量因素分析及采取的措施[J].金屬成形工藝，2000，18（2）：44-46.

[3]欒貽國(guó)，宋立彬，李輝平等.幾何參數(shù)對(duì)曲面翻邊成形的影響[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2010，17（6）：1-8.

[4]徐偉力，林忠欽.車身覆蓋件沖壓仿真的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2000，36（7）：1-4.

[5]崔令江.汽車覆蓋件沖壓成形技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.6

[6]張曉靜，周賢賓.汽車覆蓋件多工步成形數(shù)值模擬技術(shù)研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2001，8（1）：25-30.

作者簡(jiǎn)介：龍玲（1979-），女，四川成都人，講師，博士，主要從事板料成形優(yōu)化設(shè)計(jì)、模具CAD/CAE/CAM、人工智能及應(yīng)用等研究。