基于有限元模擬的汽車側(cè)圍翻邊起皺抑制方法研究

韓超，王炎，鮑益東，黃文衛(wèi)

(1. 南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016； 2. 南京汽車集團有限公司 制造工程部，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著現(xiàn)代科學技術(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)尤其是汽車行業(yè)中的應用也越來越廣泛。其中AUTOFORM是由AUTOFORM工程股份有限公司專門針對汽車工業(yè)和金屬成形工業(yè)中的板料成形而開發(fā)和優(yōu)化的有限元模擬軟件，具有計算速度快、容易操縱等優(yōu)點，尤其在工藝方案的優(yōu)化和復雜型面的模具設計方面具有獨特的優(yōu)勢[1]，約90% 的全球汽車制造商和100多家全球汽車模具制造商和沖壓件供應商都使用它來進行產(chǎn)品開發(fā)、工藝規(guī)劃和模具研發(fā)[2]。因此可見，AUTOFORM的數(shù)值模擬技術(shù)對實踐生產(chǎn)具有重要的指導意義[3-4]。

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

1 起皺

1.1 起皺的定義

汽車覆蓋件對質(zhì)量和精度的要求非常高，其表面上任何微小的缺陷都會在涂漆后引起光線的漫反射而損壞外形的美觀，因此汽車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程中一個普遍而難以解決的問題，尤其是對于具有復雜邊界條件的三維成形過程，目前還不能準確地預測和避免成形過程中起皺現(xiàn)象的發(fā)生。在板件成形過程中，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力過大，達到或超過板料的臨界應力而引起的薄板厚度方向的失穩(wěn)，由于板面內(nèi)壓應力和材料流動不均勻與過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、潤滑、壓邊力、拉延筋等，在成形過程中起皺很難預測。AUTOFORM是專業(yè)的汽車工業(yè)板料成形仿真軟件，軟件主要提供了兩種起皺的評定方法：FLD分區(qū)和起皺準則Wrinkle Criterion。

1) FLD分區(qū)

根據(jù)板料的材料性能和應變狀態(tài)將成形極限圖FLD分為7個區(qū)，如圖1所示，分別為：破裂區(qū)(Crack)、破裂危險區(qū)(Risk of crack)、過度減薄區(qū)(Excessive Thinning)、安全區(qū)(Safe)、拉伸不足區(qū)(Insufficient Stretching)、起皺趨勢區(qū)(Wrinkle Tendency)和起皺區(qū)(Wrinkle)，可以通過各點的應變狀態(tài)得到其在FLD分區(qū)中對應的位置，從而判斷仿真過程中是否出現(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力導致的，因此在對起皺現(xiàn)象進行評估時次應力應該首先被考慮。根據(jù)塑性理論，次應力可表示為：

(1)

其中：λ表示塑性比例系數(shù)，是一個度量常數(shù)，ε1、ε2、ε3分別表示3個方向的應變，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°)的拉伸試驗中得到，平均各向異性指數(shù)R的定義為：

(2)

分析次應力的公式，當:

(3)

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

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

綜合分析可知：當ε2

2) 起皺準則(Wrinkle Criterion)

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

(4)

由FLD分區(qū)可知，次應力公式為：

(5)

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

2 有限元模擬仿真過程

某汽車車型側(cè)圍在生產(chǎn)過程中，尾燈處會出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，基于專業(yè)的汽車仿真軟件AUTOFORM對該側(cè)圍進行模擬，判斷起皺的準確性。提出增加缺口對起皺現(xiàn)象進行改進，根據(jù)起皺的判斷標準將模擬仿真的結(jié)果與生產(chǎn)過程進行對比，為企業(yè)的生產(chǎn)提供相應的參考方案。

2.1 工藝分析

汽車側(cè)圍厚度薄、結(jié)構(gòu)復雜、成形面積和尺寸較大，對幾何精度、表面光潔度要求較高，成形過程中受壓邊力和摩擦等多重因素的影響，若工藝設計不當常常會產(chǎn)生拉裂、起皺等現(xiàn)象，為模具調(diào)試帶來較大的難度[9]。采用AUTOFORM仿真軟件模擬某汽車側(cè)圍板料成形的全過程，隨時觀察尾燈處的起皺情況，針對該處的起皺缺陷提出新的工藝改進方法，為完善模具設計方案或修模提供依據(jù)。對最終產(chǎn)品的要求是不發(fā)生起皺且不存在開裂缺陷，材料利用率較高。通過對零件形狀分析，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 有限元模擬過程

利用三維建模軟件對某汽車側(cè)圍進行三維建模，并通過標準的 IGS 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口導入AUTOFORM軟件，采取軟件默認值進行網(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)沖壓工藝和模具設計的知識，完成優(yōu)選沖壓方向，壓料面形狀確定、工藝補充面的設計及拉延筋的設計與布置，以獲得最佳的材料流動[10]。模擬仿真過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，其主要力學性能參數(shù)見表1。在Process generator中，選取增量計算法(Incremental)進行模擬，根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗分別對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(潤滑條件)、Drawbead(拉延筋)、Process(凸模、凹模及壓邊圈的運動過程和壓邊力)等參數(shù)進行定義，壓邊圈行程為220 mm，壓邊力設置為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，本例采用自動展開邊界線功能獲取修邊線，在OP15中采取Laser Cut(3D)沖裁工序設置，之后在OP20、OP30、OP40工序中針對不同的位置設置翻邊、整形。最后進行回彈工序(OP50)的設定，只需指定參考幾何體，參考幾何體是不動的，回彈形式為Free，不添加約束。到此即可提交進行計算，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

在計算完成后，拉動AUTOFORM下面的進度條可觀看坯料模擬過程中成形變化情況，如圖4所示分別表示該板料在距離下死點前10 mm、5 mm、2 mm、1 mm時尾燈翻邊處的成形情況，用肉眼即可看到此處存在非常嚴重的起皺缺陷，零件在沖壓完成時會產(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在板料沖壓到底時會自動將起皺現(xiàn)象壓平，因此到底時的狀態(tài)無法完全反應板料成形過程中真實的成形狀態(tài)，文中統(tǒng)一選擇將板料到底前1.5mm時的狀態(tài)作為本文起皺的評價準則。如圖5所示，無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注區(qū)域起皺缺陷尤其嚴重，由起皺準則測得該翻邊處的起皺最大值εwc為0.024 2。

圖5 到底前1.5 mm時起皺準則評定的起皺現(xiàn)象

3 改進方案及結(jié)果

3.1 改進方案

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

3.2 改進結(jié)果

對方案一和方案二進行AUTOFORM的模擬仿真分析，其建模仿真過程與未開工藝缺口的模型設置相同。

圖6表示方案一板料在距離下死點前10mm、5mm、2mm、1mm的成形情況，圖7表示方案一到底前1.5mm時起皺準則評定的起皺現(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時起皺準則評定的起皺現(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，由起皺準則判定時的最大起皺趨勢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的起皺趨勢表明起皺缺陷已經(jīng)得到了明顯的改善，但是在到達下死點前10mm～1mm過程中，零件在翻邊處還是有比較嚴重的起皺現(xiàn)象。同原始方案一樣，這些起皺缺陷隨著成形過程的進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法壓平，在后面的工序中也無法進行修正，還是會對最終產(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前10mm、5mm、2mm、1mm的成形情況，圖9表示方案二到底前1.5mm時起皺準則評定的起皺現(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時起皺準則評定的起皺現(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，由起皺準則測定最大起皺缺陷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 實驗驗證

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時均還存在少量的起皺現(xiàn)象，位置主要集中在所開工藝缺口的邊緣區(qū)域，缺口處以外的其他區(qū)域零件由最大起皺準則測定均在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，因此認為方案二更合理。分析改進方案后發(fā)現(xiàn)還是存在起皺缺陷，這是由兩個原因引起的：一是為了避讓焊點，由于焊接涂膠的緣故吸皺不充分，無法將工藝缺口做的更大；二是因為工藝缺口沒有也沒法開在弧度最大的地方，因此在局部還是會出現(xiàn)少許的起皺。采取方案二的形狀尺寸進行試樣生產(chǎn)，生產(chǎn)線壓機噸位為2 000t，板料質(zhì)量為28.96 kg，最終模具的尺寸為長4 600 mm，寬2 420 mm，高1 200 mm，質(zhì)量為41.70 t，實際生產(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的位置不能改變，經(jīng)現(xiàn)場質(zhì)檢工程師認定，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。綜合分析后認為，增加工藝缺口達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

1) 通過以上實例，驗證了某汽車側(cè)圍尾燈翻邊處通過增加工藝缺口方案改善起皺缺陷的可行性，翻邊處增加3個工藝缺口方案比增加5個缺口方案具有更好的起皺改善效果。

2) 為了避讓焊點，工藝缺口的形狀和位置受到約束，導致翻邊上的起皺缺陷無法完全消除，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，為實際的沖壓生產(chǎn)提供了依據(jù)。

3) AUTOFORM的起皺準則對板料成形時起皺缺陷的判定準確，利用AUTOFORM對板料成形過程進行模擬，可以節(jié)省大量的人力和物力，對縮短產(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。

[1] 李英, 焦洪宇, 牛曙光. 基于Autoform-Sigma的汽車頂蓋后橫梁沖壓工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 鍛壓技術(shù)，2015，40(9):17-20.

[2] 劉權(quán). CAE 技術(shù)在校車覆蓋件拉延模設計中的應用[J]. 客車技術(shù)與研究，2013(3)：37-39.

[3] 丁友生. 金屬板料成形的計算機仿真[J]. 機械制造與自動化，2009，38(6)：76-77.

[4] Bressan J D, Cieto J C, Vieira F H, et al. A Numerical Simulation Study of Deep Drawing Testing and Experimental Results of Steel Sheets, Using a Comercial Software [J]. International Journal of Material Forming, 2010，3(3)：231-234.

[5] 楊彩紅, 馬永杰, 王紅衛(wèi). 汽車油底殼成形工藝數(shù)值模擬[J]. 機械制造與自動化, 2008, 37(5)：52-54.

[6] 肖壽仁, 周燕輝. 汽車側(cè)圍外板成形工藝問題分析及其對策研究[J]. 熱加工工藝, 2013, 42(19)：81-84.

[7] 馬妍驊，蘇紅磊. 基于Autoform的沖壓件的數(shù)值模擬及模具設計[J]. 電子測試，2014(21)：39-40.

[8] 郎利輝，孫志瑩，孔德帥. 復雜薄壁航空整體鈑金件的液壓成形技術(shù)[J]. 鍛壓技術(shù)，2014(10)：25-31.

[9] 常桂靜, 梁桂榮, 曾兵華. 汽車側(cè)圍外板成形仿真及工藝優(yōu)化[J]. 模具工業(yè), 2015(2)：73-76.

[10] 黃福天. 基于AUTOFORM的汽車覆蓋件成形仿真分析[D]. 吉林：吉林大學, 2014.