基于汽车左侧围内板拉延工艺及冲压仿真
概述：以汽车左侧围内板为例，进行拉延工艺补充及冲压成形仿真。通过调整压边力、拉延筋、摩擦系数以及开设工艺切口等，定量地给出了拉延成形过程中的工艺参数，为实际生产提供所需参数的参考值，以达到降低模具生产成本及缩短模具生产周期的作用。
一、引言
汽车覆盖件是组成汽车车身的薄板冲压件，具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大、表面质量要求高及生产成本高等特点。形状较复杂的冲压件要经过多道工序才能完成，但是覆盖件的质量好坏在很大程度上受拉延模质量的控制，因此拉延件的设计是冲出高品质冲压件的关键。如何迅速而准确地预测整个冲压成形过程可能出现的起皱、开裂以及不合要求的回弹等缺陷并确定其中的一些重要冲压参数，成为冲压技术发展的瓶颈问题。随着板料成形有限元理论的完善、计算机技术的迅速发展、对冲压过程认识的深入了解，以及板料成形有限元模拟技术的日趋成熟，使得模拟冲压成形过程成为可能，并日益成为推动冲压模具工业乃至汽车工业发展的关键技术。
本文以汽车左侧围内板为例，依据其结构特点判断材料的流动方式，利用UG软件作合理的工艺补充，借助冲压仿真软件AUTOFORM进行成形过程的模拟，获得了合理的拉延工艺参数，并用于指导生产。
二、汽车左侧围内板拉延工艺分析
图1所示为汽车左侧围内板零件图，材料为ST14，料厚1mm。从图1可以看出，该零件结构复杂，需要经过多道工序才能完成，如拉延、修边冲孔、斜楔冲孔以及翻边，这里主要侧重拉延件的设计。
为了提高材料的变形程度，在零件周围布置了一整圈的拉延筋。本次模拟采用的拉延筋为半圆形，拉延筋的深度为8mm，宽度为19mm。图2为工艺补充完成的拉延件。
1、有限元模拟的理论方法
汽车覆盖件冲压模拟所采用的有限元方法是大变形弹塑性有限元法，是在弹塑性有限元基础之上，采用Hill有限变形理论和Lagrange描述，由虚功原理导出速率平衡方程而建立的。
数值模拟采用的求解方法主要有静态隐式算法和动态显式算法。静态隐式算法是对于大多数板料成形过程中成形速度小于1m/s，假设整个过程均处于类似平衡状态，由虚功原理建立1个高阶非线性方程组，采用牛顿2拉费森迭代计算求解方程组。其优点是计算精度高，但在每一增量步中都需形成大型刚度矩阵，计算量大，时间长，适用于较简单成形分析。本文选用的冲压分析软件AUTOFROM采用的即为静态隐式算法。
2、汽车左侧围内板动态冲压仿真
冲压仿真选用的材料为ST14，厚度1mm，板坯尺寸为1700mm×1300mm，摩擦系数为0.15，压边力初定为1400kN。材料模型为各向异性弹塑性材料模型，其他力学性能参数如表1所示。
1、模拟方案的初步改进
从图4的结果分析可知，造成破裂的主要原因是材料的流入较困难。因而可以通过调整压边力、摩擦力的大小及拉延筋的高度，使材料更易于流入。采取降低拉延筋的高度，改进后的拉延筋形状仍为半圆形，宽度也不变，但深度降低为6mm；同时，压边力从1400kN降为1200kN，摩擦系数改为0.12。再次进行冲压模拟，其结果如图5所示。
从图5的模拟结果可以看出，改进后的冲压效果比第一次冲压的效果有很大的改善。拉延较充分，零件部分几乎不存在明显的起皱现象，只剩下一处拉裂，即图5所示的A处，其他破裂的部位已基本得到改善。
通过分析可知，汽车左侧围内板在冲压成形过程中，局部深拉延成形部位未被拉薄前的受力情况如图6所示。 在局部深拉延部位中近似存在一个σ3等应力场，在这个等应力场中，每条曲线中的σ3为一常数，曲线上任一点的应力σ1为x，y的函数。由平衡微分方程式简化得：σ1＝-2σ3 ∫dy/dx＝-2σ3y（x）+c[2] （1）式中：y（x）—σ3等应力曲线c—积分常数在局部深拉延部位，由于传递拉延力的截面积较小，产生的拉应力σ1较大，同时，因为在该处需要转移的材料较少，故该处材料的变形程度很小，尤其是变薄地方的最严重。此时σ1最大，σ1max＝s10，σ3≈0，σ3等应力曲线为y0＝y（x0），当σ1超过材料的强度极限时，覆盖件将在此处拉裂或变薄过于严重，以致使工件报废。
边界条件：y0＝y（x0），σ3＝0，代入式（1），可得：c＝σ10＝P （2）P＝ms （3）式中：P—覆盖件拉延成形时的最大变形抗力m—反映工件受力状态的无因次系数s—变形条件下材料的真实应力将式（2）、式（3）代入式（1）中，得：σ1＝-2σ3y（x）+ms （4）依H Tresca准则，塑性方程式可为：σ1+σ3＝σs将上式代入（4）后，整理得： （5）式中：σs—材料的屈服点从式（5）可以看出，在σ3等应力曲线上，最大主应力σ1max与变形抗力成正比。即只有在此处降低其变形抗力，才能使局部深拉延部位不被拉裂。而降低变形抗力的唯一办法——即开设工艺切口。
该零件在拉延的过程中，凸模的A、B、C三部分首先和毛坯接触，随着板料向下运动，坯料通过塑性变形沿凹模四周被拉进。当凸模的D部分与板料完全接触成形时，由于进料阻力过大，坯料无法流入，首先在A、B、C的圆角处产生最大的拉应力σ1max，该处成为覆盖件最薄弱的部位。
当在零件容易发生局部变形的部位开设了工艺孔后，其具体形状和位置如图7所示。压边力和拉延筋的形状和尺寸都保持不变，再次进行冲压仿真，其结果如图8所示。从图中可以看出，零件冲得比较理想。
一、引言
汽车覆盖件是组成汽车车身的薄板冲压件，具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大、表面质量要求高及生产成本高等特点。形状较复杂的冲压件要经过多道工序才能完成，但是覆盖件的质量好坏在很大程度上受拉延模质量的控制，因此拉延件的设计是冲出高品质冲压件的关键。如何迅速而准确地预测整个冲压成形过程可能出现的起皱、开裂以及不合要求的回弹等缺陷并确定其中的一些重要冲压参数，成为冲压技术发展的瓶颈问题。随着板料成形有限元理论的完善、计算机技术的迅速发展、对冲压过程认识的深入了解，以及板料成形有限元模拟技术的日趋成熟，使得模拟冲压成形过程成为可能，并日益成为推动冲压模具工业乃至汽车工业发展的关键技术。
本文以汽车左侧围内板为例，依据其结构特点判断材料的流动方式，利用UG软件作合理的工艺补充，借助冲压仿真软件AUTOFORM进行成形过程的模拟，获得了合理的拉延工艺参数，并用于指导生产。
二、汽车左侧围内板拉延工艺分析
图1所示为汽车左侧围内板零件图，材料为ST14，料厚1mm。从图1可以看出，该零件结构复杂，需要经过多道工序才能完成，如拉延、修边冲孔、斜楔冲孔以及翻边，这里主要侧重拉延件的设计。
图1 汽车左侧围内板零件图
为了提高材料的变形程度，在零件周围布置了一整圈的拉延筋。本次模拟采用的拉延筋为半圆形，拉延筋的深度为8mm，宽度为19mm。图2为工艺补充完成的拉延件。
图2 零件的工艺补充图
1、有限元模拟的理论方法
汽车覆盖件冲压模拟所采用的有限元方法是大变形弹塑性有限元法，是在弹塑性有限元基础之上，采用Hill有限变形理论和Lagrange描述，由虚功原理导出速率平衡方程而建立的。
数值模拟采用的求解方法主要有静态隐式算法和动态显式算法。静态隐式算法是对于大多数板料成形过程中成形速度小于1m/s，假设整个过程均处于类似平衡状态，由虚功原理建立1个高阶非线性方程组，采用牛顿2拉费森迭代计算求解方程组。其优点是计算精度高，但在每一增量步中都需形成大型刚度矩阵，计算量大，时间长，适用于较简单成形分析。本文选用的冲压分析软件AUTOFROM采用的即为静态隐式算法。
2、汽车左侧围内板动态冲压仿真
冲压仿真选用的材料为ST14，厚度1mm，板坯尺寸为1700mm×1300mm，摩擦系数为0.15，压边力初定为1400kN。材料模型为各向异性弹塑性材料模型，其他力学性能参数如表1所示。
表1 ST14材料的力学性能参数表
图3 有限元网格模型
图4 模拟结果
1、模拟方案的初步改进
从图4的结果分析可知，造成破裂的主要原因是材料的流入较困难。因而可以通过调整压边力、摩擦力的大小及拉延筋的高度，使材料更易于流入。采取降低拉延筋的高度，改进后的拉延筋形状仍为半圆形，宽度也不变，但深度降低为6mm；同时，压边力从1400kN降为1200kN，摩擦系数改为0.12。再次进行冲压模拟，其结果如图5所示。
从图5的模拟结果可以看出，改进后的冲压效果比第一次冲压的效果有很大的改善。拉延较充分，零件部分几乎不存在明显的起皱现象，只剩下一处拉裂，即图5所示的A处，其他破裂的部位已基本得到改善。
图5 初步改进后的模拟结果
通过分析可知，汽车左侧围内板在冲压成形过程中，局部深拉延成形部位未被拉薄前的受力情况如图6所示。 在局部深拉延部位中近似存在一个σ3等应力场，在这个等应力场中，每条曲线中的σ3为一常数，曲线上任一点的应力σ1为x，y的函数。由平衡微分方程式简化得：σ1＝-2σ3 ∫dy/dx＝-2σ3y（x）+c[2] （1）式中：y（x）—σ3等应力曲线c—积分常数在局部深拉延部位，由于传递拉延力的截面积较小，产生的拉应力σ1较大，同时，因为在该处需要转移的材料较少，故该处材料的变形程度很小，尤其是变薄地方的最严重。此时σ1最大，σ1max＝s10，σ3≈0，σ3等应力曲线为y0＝y（x0），当σ1超过材料的强度极限时，覆盖件将在此处拉裂或变薄过于严重，以致使工件报废。
边界条件：y0＝y（x0），σ3＝0，代入式（1），可得：c＝σ10＝P （2）P＝ms （3）式中：P—覆盖件拉延成形时的最大变形抗力m—反映工件受力状态的无因次系数s—变形条件下材料的真实应力将式（2）、式（3）代入式（1）中，得：σ1＝-2σ3y（x）+ms （4）依H Tresca准则，塑性方程式可为：σ1+σ3＝σs将上式代入（4）后，整理得： （5）式中：σs—材料的屈服点从式（5）可以看出，在σ3等应力曲线上，最大主应力σ1max与变形抗力成正比。即只有在此处降低其变形抗力，才能使局部深拉延部位不被拉裂。而降低变形抗力的唯一办法——即开设工艺切口。
该零件在拉延的过程中，凸模的A、B、C三部分首先和毛坯接触，随着板料向下运动，坯料通过塑性变形沿凹模四周被拉进。当凸模的D部分与板料完全接触成形时，由于进料阻力过大，坯料无法流入，首先在A、B、C的圆角处产生最大的拉应力σ1max，该处成为覆盖件最薄弱的部位。
当在零件容易发生局部变形的部位开设了工艺孔后，其具体形状和位置如图7所示。压边力和拉延筋的形状和尺寸都保持不变，再次进行冲压仿真，其结果如图8所示。从图中可以看出，零件冲得比较理想。
依据模拟所提供的工艺参数，实际生产出的零件如图9所示。
四、结论
通过对汽车左侧围内板的多次冲压模拟，定性地判断了冲压件的危险区域，并定量地给出了拉延成形过程中的工艺参数，较为准确地预测了整个冲压成形过程中可能出现的起皱、开裂等缺陷，模拟结果为实际生产提供了较好的依据。
参考文献：
[1] 唐行虎.基于数值模拟的覆盖件冲压成形工艺研究
[J] .新技术新工艺,2004,(9):38～39.
[2] 吴建国.工艺切口在汽车覆盖件拉深成形中的应用
[J] .锻压机械,1999,(5):14～16.
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