汽車右門拉延工藝的數(shù)值模擬

陳 楠，李永華

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

目前，在一些發(fā)達(dá)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(jìn)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(xué)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。現(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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dǎo)入Autoform

將零件數(shù)模導(dǎo)入Autoform中，進(jìn)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(jìn)行模擬。初始最大單元網(wǎng)格邊長20mm，網(wǎng)格容差0.5mm，細(xì)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(dāng)真實拉延筋進(jìn)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(biāo)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(fēng)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(biāo)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(fēng)險變大，并出現(xiàn)過度減薄，減薄率超過極限減薄率，達(dá)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(fēng)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(jìn)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。