混合拉延筋對DP780覆蓋件成形回彈影響研究

李路+程振邦+王曉楓

摘要：在DP780覆蓋件成形工藝中，引入一種混合拉延筋新工藝，并以安全帶上固定板為例，利用Dynaform軟件，對其進行拉延、切邊和回彈的過程進行仿真模擬。通過對不同拉延條件下的仿真結(jié)果進行分析比較，得出混合拉延筋對覆蓋件成形回彈的影響規(guī)律。結(jié)果表明：混合拉延筋新工藝可以有效控制沖壓件各部分材料流動的不均勻性，使之有效部位得到充分變形，提高零件的成形質(zhì)量；還可以非常有效的控制沖壓件的回彈，為制定合理的沖壓工藝方案提供設(shè)計依據(jù)。

關(guān)鍵詞：混合拉延筋；覆蓋件；成形質(zhì)量；仿真模擬；回彈

DOI：10.15938/j.jhust.2016.03.018

中圖分類號：TG386.32 文獻標志碼：A 文章編號：1007—2683（2016）03—0091—05

0引言

全球的汽車企業(yè)和研究機構(gòu)對汽車輕量化技術(shù)的研究不斷的深化，輕質(zhì)材料在這過程中的應(yīng)用不斷的增多，像鋁、鎂合金、高強度鋼等都以不同形式的應(yīng)用到汽車制造中。對于高強度鋼來說，要比鋁、鎂合金在制造成本、加工工藝、焊接性以及抗碰撞性的優(yōu)勢要非常明顯，既對于汽車減重的要求能達到滿足外，又可以提高汽車本身的安全性能的要求，是滿足汽車輕量化目標的最佳輕質(zhì)材料。

在校企項目中，以某企業(yè)提供的安全帶上固定板為例，使用雙相鋼DP780，由于其材料性能特點較原材料塑性下降，成形性變差，且由于屈服強度高而引起畸變和回彈效應(yīng)大，沖壓件形狀較不穩(wěn)定。針對這類成形回彈問題，本文對板料成形過程中各部分材料流動狀況控制人手，采用混合拉延筋沖壓新工藝，對安全帶上固定板成形回彈進行研究，并通過混合拉延筋和傳統(tǒng)的拉延筋對DP780覆蓋件成形質(zhì)量的仿真對比研究，得出混合拉延筋在控制沖壓件的成形回彈的有效性。

1混合拉延筋及其等效模型

1.1混合拉延筋的含義

在實際生產(chǎn)汽車覆蓋件過程中，由于其各部分結(jié)構(gòu)復雜，導致材料各部位的流動速度不一致，故采用傳統(tǒng)拉延筋（單一類型的拉延筋）是不能很好的控制材料各部位的流動速度。在工程實踐中，常用的有半圓形、矩形和階梯型3種不同截面拉延筋。本研究采用混合拉延筋，在各部位設(shè)置不同的拉延筋，能夠很好的控制材料各部分的流動速度，從而很好的控制各部分的成形質(zhì)量。

本研究主要采用半圓形和矩形兩種不同截面的拉延筋組成混合拉延筋，如圖1所示。A-A截面為矩形拉延筋，B-B為半圓形拉延筋，不同截面的拉延筋凌線用倒圓過渡使其外表光滑順暢。如圖2中（a）、（b）為所對應(yīng)的半圓形和矩形拉延筋的截面結(jié)構(gòu)尺寸。

1.2混合拉延筋等效模型

在復雜的汽車覆蓋件沖壓仿真計算中，模擬拉延筋方式一般采用等效拉延筋模型來提高其計算效率。等效拉延筋模型就是將真實的拉延筋簡化為拉延筋線，并附著在模具表面上，由真實拉延筋產(chǎn)生拉延阻力等效的施加到對應(yīng)的等效的拉延筋線上，最終將拉延阻力施加到有限元整體剛度方程中進行求解，如圖3所示。

考慮到采用真實拉延筋模擬的弊端，并綜合考慮各種因素，本研究采用混合拉延筋等效模型來改善汽車覆蓋件的成形回彈問題，即將不同的拉延筋處產(chǎn)生的拉延阻力等效附著在對應(yīng)的拉延筋線上，來達到等效的模擬效果。

2混合拉延筋在覆蓋件成形回彈分析中的應(yīng)用

本研究以某企業(yè)提供的汽車安全帶上固定板為例，該結(jié)構(gòu)分布在汽車左右中柱內(nèi)板總成中，且呈左右對稱結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)復雜、部分區(qū)域彎曲度較大、寬度及高度截面變化較大等特點，為復雜的u形件，所以采用左右雙拉深。如圖4所示，為右前安全帶上固定板。

2.1有限元模型的建立

通過對零件結(jié)構(gòu)分析，并結(jié)合DP780材料性能，本文利用DYNAFORM軟件對右前安全帶上固定板進行仿真計算的，設(shè)計了無拉延筋、傳統(tǒng)拉延筋（單一拉延筋）以及混合拉延筋進行仿真分析及對比研究。如圖5所示，為拉延筋的布置方式。如表1所示，為3種情況下的拉延筋結(jié)構(gòu)參數(shù)。

對某企業(yè)所給的模具分析可知，利用軟件UG建立右前安全帶上固定板的三維模型，并以IGS文件格式導入Dynaform軟件中進行網(wǎng)格，如圖6所示，為所建立的拉延有限元模型，劃分為62 452個四邊形單元和1 975個三角形單元，共有64 682個節(jié)點。采用單動壓機，沖壓方向為z的負方向。模擬拉延、切邊和回彈模擬，采用16號全積分單元，并使用7個厚向積分點。接觸類型選擇單向面到面的接觸，懲罰因子取0.01，摩擦系數(shù)選擇0.125，凸凹模間隙取為1.1 m。

零件材料采用雙相鋼DP780，板料厚度為1mm；材料本構(gòu)模型采用3_PARAMETER_BARLAT模型，材料參數(shù)如表2所示。

2.2成形回彈模擬結(jié)果分析

壓合過程中，凹模速度為5000 mm/s，壓邊力為0；成形過程中，凹模速度為2000 mm/s，壓邊力為500 kN。

2.2.1混合拉延筋對成形質(zhì)量的影響

1）為了了解板料成形過程中各部分流動狀況，首先不使用拉延筋，如圖7所示，為無拉延筋下零件的成形極限圖。

由成形結(jié)果可知，A（A₁、A₂、A₃、A₄）區(qū)域為嚴重起皺區(qū)，B（B₁、B₂、B₃）區(qū)域為拉延不充分區(qū)。A區(qū)域成形缺陷產(chǎn)生原因為零件高度差，使得低處材料容易出現(xiàn)容易聚集，所受壓應(yīng)力占主要地位，材料失穩(wěn)。B區(qū)成形缺陷產(chǎn)生原因為所受拉延力不足以產(chǎn)生塑性變形，直接影響到零件的剛度。所以需要添加拉延筋，提高其徑向拉應(yīng)力，來防止起皺、拉延不充分。

2）對沖壓件初步設(shè)置2條拉延筋，采用傳統(tǒng)拉延筋（結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示），截面為矩形拉延筋。仿真結(jié)果如圖8所示。由圖可知，嚴重起皺和拉延不充分得到了很大改善，但是沖壓件某些部位出現(xiàn)了嚴重的拉伸變形，導致局部拉裂。由于零件表面拉延變形的不均勻性，需要調(diào)節(jié)材料各部分的流速。

3）根據(jù)以上兩種情況的材料流動狀況，并通過大量的模擬實驗，本文采用混合拉延筋新工藝，結(jié)構(gòu)形式如表1所示，得到仿真結(jié)果如圖9所示。由圖可知，零件的嚴重起皺區(qū)消失，拉延不充分區(qū)也得到了大大的改善。有效部位得到了充分的變形，零件的成形效果明顯。

2.2.2混合拉延筋對回彈結(jié)果的影響

由于回彈模擬計算過程中為靜態(tài)分析過程，故需要在施加3個邊界約束節(jié)點，來消除其剛體位移。在設(shè)計約束點的過程中，需要滿足以下條件：3個節(jié)點要與邊緣保持一定的距離；不能同時出現(xiàn)在一條直線上；不設(shè)置在變形較大的區(qū)域；相互之間保持一定的距離。如圖10所示，為設(shè)計的約束點的位置。

為了體現(xiàn)混合拉延筋的優(yōu)越性，本研究將在無拉延筋下壓邊力為500 kN的條件下，分別通過增加壓邊力2150 kN、傳統(tǒng)拉延筋及混合拉延筋工藝方法來控制零件扭曲回彈?；貜椖M結(jié)果繼承了沖壓成形、切邊工序殘余留下來的應(yīng)力與應(yīng)變。如圖11、12所示，不同條件下的回彈后厚度云圖和回彈位移。

由圖11可知，在條件（a）下，回彈后最大厚度為1.064536 mm，最小厚度為0.674456mm，絕大部分區(qū)域厚度變化為0.9～1.01 mm；在條件（b）下，回彈后最大厚度為1.064 136 mm，最小厚度為0.554579 mm，絕大部分區(qū)域厚度變化為0。88～1 mm；在條件（c）下，回彈后最大厚度為1.044 972 mm，最小厚度為0.761242mm，絕大部分區(qū)域厚度變化為0.94～1mm。在條件（a），（b）下零件局部的出現(xiàn)減薄率及增厚率超出了一般工程上的30%和5%的要求；而對于采用混合拉延筋新工藝厚度分布均勻，成形質(zhì)量較好。這說明了混合拉延筋較壓邊力、傳統(tǒng)拉延筋可以有效的控制材料各部分流入凹模的速度，使得材料各部分變形較均勻，可有效的控制成形質(zhì)量。

由圖12可知，零件在不同的條件下產(chǎn)生了不同程度的扭曲回彈，主要產(chǎn)生原因為卸載后由于殘余應(yīng)力不在同一平面上產(chǎn)生力矩導致零件受扭造成的?；旌侠咏钕鄬τ趬哼吜Α鹘y(tǒng)拉延筋控制扭曲回彈更加的有效，這是因為混合拉延筋能夠更加有效控制板料各部分流入凹模的速度，使得零件各部分都能得到有效的充分成形，有效的減小由于殘余應(yīng)力引起的力矩，從而有效的控制扭曲回彈。

在條件（a）下，最大的回彈位移為5.660105mm；在條件（b）下，最大回彈位移為5.380121 mm；在條件（c）下，最大回彈位移為3.479905 mm?；旌侠咏钶^壓邊力、傳統(tǒng)拉延筋控制零件的回彈量更加有效，這是因為混合拉延筋能夠更加有效的促使板料各部分變形的均勻性，擴大零件各部分的塑性變形區(qū)，從而有效的控制零件的回彈量。

3結(jié)論

本研究混合拉延筋的新工藝，通過Dynaform軟件對右前安全帶上固定板進行成形回彈分析及對比，得出以下結(jié)論：①設(shè)置不同方式的拉延筋，對板料成形質(zhì)量有著明顯的影響，并證明混合拉延筋的布置方式要比傳統(tǒng)拉延筋更有利于沖壓件的成形；②混合拉延筋比壓邊力、傳統(tǒng)拉延筋更加有效的控制材料各部分的流動，使得零件厚度分布更均勻，材料利用更合理，在不產(chǎn)生拉裂和起皺的前提下，可使得覆蓋件有效部位得到充分成形，有效的控制扭曲回彈；③混合拉延筋新工藝可以有效的控制回彈量，可以準確、快速為實際生產(chǎn)提供設(shè)計依據(jù)，來減少設(shè)計缺陷和試模次數(shù)，提供生產(chǎn)可靠性和效率。