基于Autoform汽車左后門(mén)外板工藝優(yōu)化模擬研究

姜 旭,鮑 宇,劉可寧

(黑龍江工程學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，哈爾濱 150050)

汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展推動(dòng)著汽車模具產(chǎn)業(yè)逐年增長(zhǎng)，使我國(guó)成為模具生產(chǎn)大國(guó)[1]，而CAE技術(shù)作為模具開(kāi)發(fā)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)，可以對(duì)板料沖壓全過(guò)程進(jìn)行模擬，預(yù)測(cè)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中可能發(fā)生的開(kāi)裂、起皺、回彈等質(zhì)量問(wèn)題，從而降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本、縮短開(kāi)發(fā)周期[2]。Autoform具有界面友好、適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)、計(jì)算快速且精度較高等特點(diǎn)，是一款在板料成形領(lǐng)域市場(chǎng)份額占比較高的商用軟件，全球90%以上汽車制造廠商在沖壓模具開(kāi)發(fā)過(guò)程使用[3]。

來(lái)自韓國(guó)的Lee等[4]基于實(shí)驗(yàn)和有限元模擬研究提高汽車用E-FORM 鎂合金薄板成形性因素；波蘭的Stadnicki等[5]采用Autoform和Dynaform對(duì)汽車車身零件進(jìn)行有限元模擬，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)具有較高一致性；權(quán)宏等[6]以汽車天窗加強(qiáng)環(huán)為研究對(duì)象，基于Autoform進(jìn)行數(shù)值模擬，確定了最終工藝參數(shù)壓邊力為2 400 kN、凸凹模間隙為1.2 mm、摩擦系數(shù)為0.15；王康康等[7]提出了一種Dynaform與智能算法融合的策略，并構(gòu)建GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，得出最優(yōu)參數(shù)；朱帥等[8]研究了頂蓋前邊梁加強(qiáng)板熱成形過(guò)程中工藝參數(shù)對(duì)零件質(zhì)量的影響。

文中以某主機(jī)廠一款SUV左后門(mén)外板為研究對(duì)象，通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)、拉延筋阻力系數(shù)、工藝參數(shù)等手段，解決拉延過(guò)程中局部開(kāi)裂、拉延不充分及起皺等質(zhì)量問(wèn)題。采用正交實(shí)驗(yàn)法找出工藝參數(shù)(壓邊力、凸凹模間隙、摩擦系數(shù))對(duì)拉延工序的最大減薄率和最大增厚率影響程度，得到最優(yōu)參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行全工序模擬。

1 屈服理論

采用Banablic-Balan-Comsa 2005(簡(jiǎn)稱BBC 2005)屈服準(zhǔn)則，它是通過(guò)增加權(quán)重因子的一種更為先進(jìn)的各向異性屈服準(zhǔn)則，主要描述金屬板材在平面應(yīng)力作用下的非彈性形變[9]。BBC2005屈服準(zhǔn)則已集成于Autoform商業(yè)軟件中，其公式為

(1)

Γ=Lσ11+Mσ22，

(2)

(3)

(4)

σ11=Yθcos2θ，σ22=Yθsin2θ，

σ12=σ21=Yθsinθcosθ.

(5)

2 工藝分析及實(shí)驗(yàn)方案

2.1 工藝分析

利用CATIA創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)模塊繪制某SUV左后門(mén)外板結(jié)構(gòu)，圖1為該左后門(mén)外板示意圖，零件尺寸為1 190 mm×1 045 mm×188 mm，材料厚度0.7 mm，車門(mén)外板根據(jù)主機(jī)廠要求選擇冷軋鋼DC04，其中,屈服強(qiáng)度σs=208 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm=307.4 MPa，延伸率A=38.6%，應(yīng)變硬化指數(shù)n=0.18，彈性模量2.1×105MPa，泊松比0.3。根據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，拉延成形采用單動(dòng)拉延，具體工序流程為：拉延→修邊+沖孔→側(cè)翻邊→整形+側(cè)沖孔，拉延工序有限元模型如圖2所示。

圖1 左后門(mén)外板模型

圖2 拉延工序有限元模型

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

由于該零件尺寸和高差較大，在分析過(guò)程中修邊線處易發(fā)生起皺等質(zhì)量問(wèn)題，車門(mén)把手成形處上圓角較小，容易產(chǎn)生拉裂現(xiàn)象，需要對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。文中采用數(shù)值模擬方法，通過(guò)設(shè)計(jì)工藝補(bǔ)充面、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、調(diào)整拉延筋系數(shù)以及工藝參數(shù)等手段，改善零件成形性，從而解決上述質(zhì)量問(wèn)題。

基于Autoform模擬左后車門(mén)外板成形過(guò)程,在分析時(shí)，三角網(wǎng)格最大邊長(zhǎng)為20 mm，網(wǎng)格總數(shù)為16 974，單元類型選擇EPS-11彈塑性殼單元。該類型單元在厚度方向上有11層積分點(diǎn)，其優(yōu)勢(shì)是厚度方向積分點(diǎn)多，可以增加對(duì)應(yīng)力的捕捉，提高計(jì)算精度。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)法研究拉延工序中工藝參數(shù)，包括壓邊力、凸凹模間隙、摩擦系數(shù)對(duì)左后車門(mén)外板最大減薄和最大起皺的影響，使用較少的分析次數(shù)，精準(zhǔn)找出較優(yōu)的因素水平組合。利用得出的最優(yōu)工藝參數(shù)再進(jìn)行全工序工藝方案分析，根據(jù)所得參數(shù)指導(dǎo)模具開(kāi)發(fā)。正交實(shí)驗(yàn)方案如表1所示，其中，壓邊力選取范圍500～800 kN，凸凹模間隙取值1.0t～1.3t(t為板材厚度，文中t=0.7 mm)。

表1 正交實(shí)驗(yàn)水平因素

3 數(shù)值模擬

3.1 車門(mén)外板拉延模初次模擬及優(yōu)化

根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)對(duì)左后門(mén)外板拉延成形過(guò)程進(jìn)行初次模擬(初次模擬壓邊力500 kN，凸凹模間隙0.7 mm，摩擦系數(shù)0.15)，拉延工序成形有限元云圖和成形極限圖(FLD)如圖3所示。依據(jù)主機(jī)廠質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，外覆蓋件修邊線以內(nèi)不允許出現(xiàn)開(kāi)裂和起皺等質(zhì)量問(wèn)題。拉延成形過(guò)程中，車門(mén)把手轉(zhuǎn)角過(guò)渡區(qū)域發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，這是由于結(jié)構(gòu)圓角較小，材料流動(dòng)阻力過(guò)大，轉(zhuǎn)角部位傳力過(guò)渡區(qū)域拉應(yīng)力增大，造成該區(qū)域成形性較差，發(fā)生開(kāi)裂問(wèn)題[10]。通過(guò)成形結(jié)果云圖可知，零件修邊線以內(nèi)區(qū)域拉延嚴(yán)重不充分，拉延不充分區(qū)域面積占比高達(dá)68.5%，這主要是由于拉延筋阻力系數(shù)和壓邊力過(guò)小造成的。修邊線附近紫色區(qū)域有明顯增厚，會(huì)引起板料起皺，主要是由于拉延筋阻力系數(shù)小、材料流入型腔過(guò)多產(chǎn)生起皺問(wèn)題[11]。

圖3 拉延模優(yōu)化前成形極限圖(FLD)及有限元云圖

如圖4所示，將車門(mén)把手上圓角半徑由1.5 mm 增加至3.5 mm，可以降低局部材料流動(dòng)阻力，減小圓角轉(zhuǎn)角區(qū)域過(guò)度減薄，解決零件局部開(kāi)裂問(wèn)題[12]；對(duì)拉延筋布置重新優(yōu)化，增大局部拉延筋阻力系數(shù)，解決零件拉延不足和修邊線附近區(qū)域起皺問(wèn)題，但拉延筋阻力系數(shù)不宜過(guò)大，過(guò)大會(huì)造成局部開(kāi)裂問(wèn)題[13-14]，重新布置后的沿周拉延筋設(shè)計(jì)如圖5所示。根據(jù)有限元云圖，優(yōu)化后修邊線內(nèi)未發(fā)生開(kāi)裂和起皺問(wèn)題，零件整體拉延不足問(wèn)題得到明顯改善，拉延工序拉延不足比例降低至35.8%，觀察成形極限圖(FLD)也可得出，拉延后未發(fā)生開(kāi)裂，起皺區(qū)域也僅出現(xiàn)在法蘭和工藝補(bǔ)充面上，后續(xù)工序該部分將切除，不影響最終零件質(zhì)量。圖6所示為優(yōu)化后有限元云圖和成形極限圖(FLD)。

圖4 模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖5 拉延筋設(shè)計(jì)

圖6 拉延模優(yōu)化后成形極限圖(FLD)及有限元云圖

3.2 車門(mén)外板拉延模正交實(shí)驗(yàn)

在重新布置拉延筋和優(yōu)化局部結(jié)構(gòu)有限元模型基礎(chǔ)上，選取壓邊力、凸凹模間隙、摩擦系數(shù)為研究對(duì)象。其中，壓邊力對(duì)板料減薄率影響較大，主要受壓邊圈和凹模在厚度方向所施加應(yīng)力控制，當(dāng)壓邊力越大，板料減薄率越高。凸凹模間隙影響板料與模具間接觸面積，從而改變板料成形應(yīng)力分布，凸凹模間隙越大板料應(yīng)力分布越小，該參數(shù)直接影響零件成形質(zhì)量。摩擦系數(shù)與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中板料和模具材料、接觸面積、潤(rùn)滑條件等有關(guān)，摩擦系數(shù)越大，摩擦力越大，板料流動(dòng)性越差，會(huì)增加模具磨損量和板料開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，需要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況合理把控[14]。

采用三因素四水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，制定規(guī)格為L(zhǎng)16(43)表格，正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析結(jié)果如表2所示。根據(jù)外覆蓋件質(zhì)量要求，最大減薄率應(yīng)小于板料厚度30%，最大增厚率小于板料厚度3%[15]，部分序列實(shí)驗(yàn)結(jié)果最大減薄率和最大增厚率超過(guò)目標(biāo)值，且超過(guò)部分多集中于工藝補(bǔ)充面上。

表2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析結(jié)果

根據(jù)16組數(shù)據(jù)結(jié)果，采用較為便捷有效的極差分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析[16]，其結(jié)果如表3、表4所示。根據(jù)極差分析結(jié)果，工藝參數(shù)對(duì)左后門(mén)外板拉伸成形后最大減薄率和最大增厚率影響程度由大到小順序皆為：摩擦系數(shù)>壓邊力>凸凹模間隙。對(duì)于最大減薄率，結(jié)果越小表明零件成形性越優(yōu)，其最優(yōu)組合為A1B3C1，即壓邊力500 kN、凸凹模間隙0.84 mm、摩擦系數(shù)0.13；對(duì)于最大增厚率，結(jié)果越小表明零件成形效果越好，發(fā)生起皺問(wèn)題可能性越低，其最優(yōu)組合為A4B1C4，即壓邊力800 kN、凸凹模間隙0.7 mm、摩擦系數(shù)0.19。

表3 最大減薄率極差分析結(jié)果

表4 最大增厚率極差分析結(jié)果

3.3 車門(mén)外板全工序模擬

根據(jù)兩組拉延模最優(yōu)組合成形結(jié)果可知，最優(yōu)參數(shù)A1B3C1最大增厚率為3.3%，雖略超過(guò)目標(biāo)值3%，但是其最大增厚區(qū)域在工藝補(bǔ)充面上，后續(xù)工藝將會(huì)被切除，不影響最終整體零件質(zhì)量。最優(yōu)參數(shù)A4B1C4最大減薄率為39.1%，超過(guò)目標(biāo)值30%，且減薄區(qū)域已經(jīng)發(fā)生拉裂問(wèn)題，這是拉延工序生產(chǎn)過(guò)程中不允許發(fā)生的質(zhì)量問(wèn)題[17-18]，所以選擇工藝參數(shù)A1B3C1(壓邊力500 kN、凸凹模間隙0.84 mm、摩擦系數(shù)0.13)為最終參數(shù)進(jìn)行拉延工序分析?；谠搮?shù)進(jìn)行左后門(mén)外板全工序模擬，分析結(jié)果如圖7所示。根據(jù)云圖可知，經(jīng)過(guò)落料、沖孔、修邊等工序后，該零件優(yōu)化前后拉延不足問(wèn)題得到明顯改善，整形后安全區(qū)域由10.85%提高至77.38%，優(yōu)化后無(wú)明顯增厚趨勢(shì)，最大減薄率由優(yōu)化前39.7%降低至24.5%，局部開(kāi)裂問(wèn)題得到解決，成形性較好，如圖8所示。

圖7 優(yōu)化前成形極限圖(FLD)、有限元云圖及厚度云圖

圖8 優(yōu)化后成形極限圖(FLD)、有限元云圖及厚度云圖

4 結(jié) 論

1)通過(guò)增加門(mén)把手成形區(qū)域上圓角半徑尺寸至3.5 mm，可以有效降低局部材料流動(dòng)阻力，防止拉延過(guò)程中局部開(kāi)裂問(wèn)題。

2)通過(guò)重新布置拉延筋分布，調(diào)節(jié)拉延筋阻力系數(shù)，可以改善修邊線周圍起皺問(wèn)題。

3)左后門(mén)拉伸模工藝參數(shù)對(duì)最大減薄率和最大增厚率影響程度由大到小順序皆為：摩擦系數(shù)>壓邊力>凸凹模間隙。根據(jù)外覆蓋件質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，拉延模最佳工藝參數(shù)組合為壓邊力500 kN、凸凹模間隙0.84 mm、摩擦系數(shù)0.13。

4)經(jīng)過(guò)全工序模擬結(jié)果可知，汽車左后門(mén)外板最終成形質(zhì)量較好，整形后板料處于安全狀態(tài)區(qū)域達(dá)77.38%，最大減薄率為24.5%，零件拉延充分，無(wú)局部開(kāi)裂和過(guò)度減薄、起皺等質(zhì)量問(wèn)題，滿足設(shè)定的目標(biāo)要求，可以用于指導(dǎo)后續(xù)模具設(shè)計(jì)。