汽車后包角拉延成形數(shù)值模擬及驗(yàn)證

文/潘家俊，丁斌，張科·蒙城佳仕龍機(jī)械制造有限公司

后包角是汽車中一種起裝飾與保護(hù)作用的零件。汽車包角在制造過程中容易出現(xiàn)起皺和拉裂缺陷，本文通過Dynaform軟件對汽車后包角制造過程進(jìn)行有限元模擬分析，通過不同壓邊力和板料大小對成形質(zhì)量影響的分析，確定了合適板料尺寸和壓邊力大小，獲得了無起皺和無拉裂缺陷的汽車后包角本體。

汽車后包角作為汽車上的一種起到裝飾與保護(hù)作用的零件，其成形質(zhì)量的優(yōu)劣將影響到對汽車前后杠的保護(hù)作用，另外對車身外觀也起到一定的提升作用。汽車后包角的制造過程一般可劃分為板料拉延、切邊沖孔及翻邊整形。

學(xué)者使用CAE 技術(shù)對于汽車覆蓋件制造工藝進(jìn)行了大量的研究，主要是針對于沖壓工藝參數(shù)的優(yōu)化方面。韓玉強(qiáng)通過對轎車引擎蓋沖壓成形過程模擬預(yù)測，調(diào)節(jié)壓邊力大小，實(shí)現(xiàn)起皺和拉裂等缺陷降低，分析了產(chǎn)生缺陷的原因，驗(yàn)證了CAE 技術(shù)的實(shí)用性。胡志華針對鋁合金引擎蓋外板，通過優(yōu)化工藝補(bǔ)充面、圓角、壓邊力和拉深筋等，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的引擎蓋減薄率有明顯的降低，為下一步的生產(chǎn)制造提供了參考。本文開展汽車后包角的拉延成形工藝數(shù)值模擬研究，通過不同壓邊力和板料大小對成形質(zhì)量影響的分析，試驗(yàn)驗(yàn)證并明確合適的壓邊力和板料大小。

模型的建立

幾何模型建立及工藝補(bǔ)充面

圖1 為汽車后包角模型圖。為順利完成拉延滿足后包角零件壓料、切邊等工序要求，對后包角零件進(jìn)行工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)，如圖2 所示。

圖1 汽車后包角

圖2 工藝補(bǔ)充后的拉延件

有限元分析模型建立

如圖3 所示，以導(dǎo)入的汽車后包角拉延件模型為基準(zhǔn)模，通過單元復(fù)制形式生成下模和壓邊圈，上模運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置為5000mm/s，設(shè)置全偏置間隙為2.2倍板料厚度，初始壓邊力設(shè)置為30t。初始板料使用大小為1.5mm×430mm×700mm的B250P1無間隙原子高強(qiáng)度冷軋鋼，采用BT 殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，摩擦系數(shù)為0.125。材料模型為Barlat't-3Parameter Plasticity 各向異性參數(shù)模型，真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線函數(shù)方程可表示為：σ=709.3(0.011265+ε)0.191MPa。

圖3 定位工具模型

數(shù)值模擬結(jié)果分析

初始工藝參數(shù)下的成形結(jié)果

圖4 和圖5 為初始工藝參數(shù)下的成形極限圖和厚度分布圖，可以看出在汽車后包角拉延成形過程中，后包角在邊緣和應(yīng)力集中的地方出現(xiàn)了嚴(yán)重起皺及拉裂現(xiàn)象，而且材料流動(dòng)幅度比較大，最大減薄量達(dá)到0.403mm，因此有必要對工藝參數(shù)進(jìn)一步改進(jìn)，以達(dá)到優(yōu)良的成形結(jié)果。

圖4 成形極限圖(初始工藝參數(shù))

圖5 厚度分布圖(初始工藝參數(shù))

不同板料大小

圖6 為不同板料大小對后包角的成形質(zhì)量的影響。圖6a 中板料大小為865mm×580mm，在圓角處后包角出現(xiàn)拉裂，同時(shí)后包角表面有起皺現(xiàn)象，最大減薄量為0.509mm。圖6b中板料大小為805mm×520mm，后包角圓角處局部依舊有輕微拉裂現(xiàn)象，后包角表面起皺現(xiàn)象依舊存在，最大減薄量為0.437mm。圖6c 中板料大小為765mm×520mm，少量的拉裂僅存在于成形件邊緣，機(jī)加工切除后不影響后包角本體。后包角本體表面未出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象，起皺現(xiàn)象依舊存在。后包角部分最大減薄量為0.428mm(減薄率約為28.5%)。可見，在拉延成形過程中板料大小對于后包角的表面拉裂影響明顯，因此，在后包角成形過程中需要對板料大小進(jìn)行合理的控制，通過分析此次成形后包角板料大小為765mm×520mm。

圖6 不同板料大小的成形極限圖

不同壓邊力

在控制其他參數(shù)條件不變的情況下，研究不同壓邊力對成形質(zhì)量的影響。圖7 所示為不同壓邊力下零件拉延成形極限圖，表明增大壓邊力對拉延件的起皺現(xiàn)象有明顯的改善。當(dāng)壓邊力為25t 時(shí)，出現(xiàn)局部拉裂現(xiàn)象，這是由于后包角零件四周起皺嚴(yán)重導(dǎo)致材料流動(dòng)性變差引起的。當(dāng)壓邊力增大到30t 時(shí)，起皺現(xiàn)象減少，后包角表面無拉裂現(xiàn)象，只有在后包角邊緣出現(xiàn)局部拉裂，但不在后包角表面，不影響后包角后續(xù)加工。當(dāng)壓邊力增大到35t 時(shí)，雖然起皺現(xiàn)象進(jìn)一步減少，但是后包角局部開裂趨勢明顯。這表明拉延成形過程中，在一定范圍內(nèi)隨著壓邊力增大，起皺現(xiàn)象逐漸減少，拉裂缺陷也逐漸降低，但是當(dāng)壓邊力超過這一范圍時(shí)，拉裂缺陷會(huì)顯著增加，因此，成形后包角壓邊力取值確定為30t。

圖7 成形極限圖(不同壓邊力)

試驗(yàn)驗(yàn)證

圖8所示為使用板料大小765mm×520mm和壓邊力為30t 條件下，拉延成形獲得的汽車后包角拉延件。后包角本體無拉裂和起皺，后包角邊緣出現(xiàn)少量起皺和拉裂，但不在后包角表面，不影響后包角零件后續(xù)加工。

圖8 實(shí)際生產(chǎn)的拉延件

結(jié)論

本文通過Dynaform 軟件模擬汽車后包角的成形過程，分析成形過程起皺和破裂缺陷。確定了合適的板料大小和壓邊力，試驗(yàn)驗(yàn)證了基于有限元數(shù)值模擬確定成形工藝參數(shù)的可行性，實(shí)際生產(chǎn)的后包角無拉裂和起皺等缺陷。