龍玲　王青春　劉培勇

摘 要：針對汽車零件曲面翻邊工藝的復雜性，研究了采用數(shù)值模擬技術(shù)在翻邊工藝設(shè)計中的應用方法。以某汽車結(jié)構(gòu)件為例分析了實施步驟及關(guān)鍵技術(shù)，對仿真結(jié)果進行了材料成形質(zhì)量分析提出了工藝優(yōu)化方案，通過數(shù)值模擬試驗平臺上得以驗證，為汽車零件復雜曲面的翻邊工藝制定提供了科學的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：汽車零件；沖壓工藝；曲面翻邊；數(shù)值模擬

引言

為了滿足裝配需要和增加零部件的剛性和強度，翻邊工序是汽車零部件沖壓成形最常見也是最重要的工序之一，但由于車身沖件形狀多是復雜的空間曲面，材料變形機理復雜使得其成形質(zhì)量很難控制，因此翻邊成形性預估一直是汽車零件曲面翻邊成形工藝中非常重要的課題[1-3]。

在進行類似汽車零部件這類復雜形狀的翻邊成形工藝設(shè)計時，由于成形特征可能會有彎曲、局部拉深或壓縮變形，它們的變形沒有一個固定的成形規(guī)律，需要綜合分析翻邊高度、翻邊方向等因素對零件成形性的影響，并且在試模之前提前預測零件的成形質(zhì)量，為模具設(shè)計人員和工藝人員提供一個有效的定量分析手段，若發(fā)現(xiàn)問題可及時改進模具結(jié)構(gòu)或工藝設(shè)計。

當前，采用有限元技術(shù)進行板料的成形分析已得到廣泛的應用，但大多集中在對拉深的變形模擬研究[4]，對汽車零件而言，翻邊成形工序亦具有復雜的變形機理和難以預測和控制的工藝特性。因此，本文以汽車某零件為例，研究數(shù)值模擬技術(shù)在翻邊工藝設(shè)計中的應用，具有較強的工程意義。

1 曲面翻邊變形分析

1.1 曲面翻邊變形特點

翻邊是在成形坯料的曲面部分上，利用模具把板料沿一定曲線翻成豎立邊緣的沖壓加工方法[5]。翻邊根據(jù)工件形狀的不同其變形機理亦不一致，不同類型的翻邊成形具有不同的變形特點，并且隨著工件的復雜性其變形難度增大，特別是曲面的翻邊（如圖1所示），因材料在成形過程中所受的應力和產(chǎn)生的應變，以及不同成形區(qū)域的相互制約和影響，使它們的成形變化比平面翻邊復雜得多，且影響翻邊質(zhì)量的因素諸多，如直邊部分長度、翻邊高度、圓弧部分的曲率半徑以及模具的幾何形狀等，設(shè)計時應綜合考慮各因素的影響。

1.2 翻邊力的分析

通常情況下，翻邊時壓邊圈下的坯料不會流入凹模，因此可認為該區(qū)域材料是不變形區(qū)，在設(shè)置壓邊力時為了保證這部分材料不產(chǎn)生流動和變形，可將其壓邊力設(shè)置得較大。但實際翻邊時壓邊力的大小要根據(jù)要求和條件而定，當外法蘭部分面積比較小，通過分析或發(fā)現(xiàn)這部分材料有流動的變形趨勢時，壓邊力的計算可按拉深壓邊力計算，并取修正系數(shù)1.2-1.5。若外法蘭部分面積越大，所需的壓邊力越小，甚至不需要壓邊，可不用壓邊板，這一點剛好與拉深相反。拉深時，外法蘭部分面積越大，所需壓邊力越大，必須用壓力圈。

2 翻邊成形數(shù)值模擬分析

以圖2所示零件為例，分析該工件的翻邊工藝設(shè)計。由沖壓工藝知識可判斷，該零件的成形區(qū)域B屬于翻邊成形，但是可看出其翻邊輪廓是三維立體形狀，是一個集伸長、壓縮以及彎曲變形的混合成形零件，不種性質(zhì)的翻邊變形互相影響、互相制約，使翻邊變形變得非常復雜。因此需要在研究沖壓變形原理的基礎(chǔ)上，采用有限元數(shù)值分析方法對其工藝進行輔助分析。

2.1 有限元模型的建立

零件材料為HSLA250，屬于汽車零部件上需要采用的高強度低合金鋼，其主要力學參數(shù)為：屈服強度：250MPa；各向異性系數(shù)為：R00=0.949，R45=0.976，R90=1.209；楊氏模量：207000N/mm2，泊松比為0.28，密度為7.85E-6 N/mm3。材料厚度為2.5mm。HSLA250的應力應變曲線如圖3所示。

由工藝知識和經(jīng)驗可知，該零件主要有拉深（A區(qū)域）和翻邊成形（B區(qū)域）工序，工藝流程通常為先拉深后翻邊。因此翻邊工序的有限元模型不能直接在圖2所示的零件基礎(chǔ)上構(gòu)建[6]。而應將前一工序（拉深工序）的成形計算結(jié)果導入模型，沿修邊線進行修邊得到的坯料作為本序的毛坯有限元分析模型，如圖4所示。

在得到翻邊的毛坯模型后，在UG里面設(shè)計出對應的凸模、凹模和壓邊圈的模面，提取曲面并以IGES格式導入DYNAFORM分析軟件，對凸模、凹模、壓邊圈分別劃分有限元網(wǎng)格，得到翻邊成形的FEM模型如圖5所示。

2.2 翻邊高度的分析

翻邊成形高度是翻邊工序的重要尺寸之一，表面上看來它就是零件圖上的翻邊尺寸，但實際上這個尺寸是基于一次性翻邊成形且不出現(xiàn)任何質(zhì)量問題的條件下所采用的，若出現(xiàn)了質(zhì)量問題，那么翻邊工序不得不分步進行。一般情況下，翻邊輪廓變形均勻的工件，如圓孔類翻邊件，允許最大翻邊高度可通過極限翻邊系數(shù)確定，但對于不均勻輪廓或者復雜變形的翻邊件，利用公式很難準確的做出計算，因此可采用成形模擬法對其進行分析，可以較準確的分析翻邊的成形性，以判斷一次性翻邊成形的合理性。

因此，對圖5所示的一次性翻邊FEM模型設(shè)置材料、摩擦、壓力等工藝參數(shù)后，提交分析并計算，在后處理模塊打開成形極限圖（FLD），如圖6所示。

從圖中可看出，工件成形后出現(xiàn)了開裂和起皺等質(zhì)量問題，這顯然是達不到工件的成形質(zhì)量要求的。

2.3 翻邊成形的質(zhì)量分析與評價

在實際工程應用中，采用成形極限圖（FLD）和厚向應變分布圖判斷與分析板料的成形性，預測起皺、破裂和成形不足等缺陷。對于普通鋼板，一般為板料厚向增厚10%時，板料容易起皺，而厚向減薄30%時板料容易破裂。而對于深沖鋼板減薄量可以增大一些。通過圖6所示的FLD圖可初步判斷出成形質(zhì)量不合格。

2.3.1 起皺

從FLD圖和厚度分布圖中可看出，工件成形后在圖示區(qū)域輪廓邊緣出現(xiàn)了較大程度的起皺，對其進行進一步應力應變分析，如圖7所示為起皺區(qū)域部分節(jié)點的厚向應變，可以看出，最大厚向應變增厚率達到62.8%，根據(jù)翻邊變形特點分析，此區(qū)域處于曲面邊緣壓縮類變形區(qū)域，并在圓弧與直邊的相鄰位置，因此很容易受切向壓應力方向產(chǎn)生壓縮變形，從圖8看出，節(jié)點1的壓應變？著2為-0.97，其絕對值遠遠大于其主應變？著1值0.37，因此導致壓縮失穩(wěn)而起皺。

為了解決起皺問題，需綜合考慮各方面因素的影響，有些是結(jié)構(gòu)尺寸因素，有些是成形工藝參數(shù)。對于設(shè)計者而言，需找到對其質(zhì)量問題影響較大的關(guān)鍵因素，從而采取相應的工藝措施，如增大壓邊力、增加凹模圓角半徑等。

2.3.2 開裂

從FLD圖6中發(fā)現(xiàn)零件轉(zhuǎn)角區(qū)域存在破裂傾向，還有個別區(qū)域已經(jīng)破裂，圖9為破裂危險區(qū)與破裂區(qū)局部放大圖和其中任選節(jié)點的應變值，從應變值上看，此區(qū)域的最小拉應變值為0.475，但是在其對應材料HSLA250的應力應變曲線（見圖3）上，對應于0.475的應力值大約為580MPa，明顯超過了HSLA250本身的抗拉強度250MPa～370MPa，并且由翻邊變形特點分析可知，該區(qū)域正好處于曲面翻邊的圓弧部分，是其翻邊成形產(chǎn)生破裂的危險區(qū)，因此在此處很容易因拉伸變形過大而造成開裂。

解決翻邊成形開裂問題的措施也需著手于其不同工藝因素的影響，對于翻邊開裂問題最常見的即是翻邊高度超過了其最大成形極限，因此通常采用分步翻邊成形的工藝步驟。

2.4 工藝改進與驗證

在前面所述有限元試驗與分析的基礎(chǔ)上，對翻邊工藝進行改進設(shè)計，如圖10所示為此工件分2步翻邊后的成形結(jié)果，可看出最終翻邊成形件沒有出現(xiàn)開裂或者開裂傾向的區(qū)域，驗證了工藝改進后的合理性。

3 結(jié)論

（1）汽車沖壓件由于裝配需要和剛性的要求，往往在曲面邊緣設(shè)置翻邊結(jié)構(gòu)。應用數(shù)值模擬與分析技術(shù)進行翻邊工藝設(shè)計是一種有效且可靠的方法。

（2）對于曲面翻邊的起皺問題，采用增大壓邊力、增加凹模圓角半徑等工藝措施能使其得到合理有效的改善。

（3）對翻邊開裂問題主要原因是翻邊高度超過了其最大成形極限，采用分步翻邊成形的工藝方法得以改善。

參考文獻

[1]曹穎，李大永，李峰等.翻邊成形性預示及修邊線位置確定[J].武漢工業(yè)大學學報，2000（4）：43-45.

[2]施于慶，張劍藤.影響內(nèi)外曲翻邊的質(zhì)量因素分析及采取的措施[J].金屬成形工藝，2000，18（2）：44-46.

[3]欒貽國，宋立彬，李輝平等.幾何參數(shù)對曲面翻邊成形的影響[J].塑性工程學報，2010，17（6）：1-8.

[4]徐偉力，林忠欽.車身覆蓋件沖壓仿真的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].機械工程學報，2000，36（7）：1-4.

[5]崔令江.汽車覆蓋件沖壓成形技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.6

[6]張曉靜，周賢賓.汽車覆蓋件多工步成形數(shù)值模擬技術(shù)研究[J].塑性工程學報，2001，8（1）：25-30.

作者簡介：龍玲（1979-），女，四川成都人，講師，博士，主要從事板料成形優(yōu)化設(shè)計、模具CAD/CAE/CAM、人工智能及應用等研究。

為了解決起皺問題，需綜合考慮各方面因素的影響，有些是結(jié)構(gòu)尺寸因素，有些是成形工藝參數(shù)。對于設(shè)計者而言，需找到對其質(zhì)量問題影響較大的關(guān)鍵因素，從而采取相應的工藝措施，如增大壓邊力、增加凹模圓角半徑等。

2.3.2 開裂

從FLD圖6中發(fā)現(xiàn)零件轉(zhuǎn)角區(qū)域存在破裂傾向，還有個別區(qū)域已經(jīng)破裂，圖9為破裂危險區(qū)與破裂區(qū)局部放大圖和其中任選節(jié)點的應變值，從應變值上看，此區(qū)域的最小拉應變值為0.475，但是在其對應材料HSLA250的應力應變曲線（見圖3）上，對應于0.475的應力值大約為580MPa，明顯超過了HSLA250本身的抗拉強度250MPa～370MPa，并且由翻邊變形特點分析可知，該區(qū)域正好處于曲面翻邊的圓弧部分，是其翻邊成形產(chǎn)生破裂的危險區(qū)，因此在此處很容易因拉伸變形過大而造成開裂。

解決翻邊成形開裂問題的措施也需著手于其不同工藝因素的影響，對于翻邊開裂問題最常見的即是翻邊高度超過了其最大成形極限，因此通常采用分步翻邊成形的工藝步驟。

2.4 工藝改進與驗證

在前面所述有限元試驗與分析的基礎(chǔ)上，對翻邊工藝進行改進設(shè)計，如圖10所示為此工件分2步翻邊后的成形結(jié)果，可看出最終翻邊成形件沒有出現(xiàn)開裂或者開裂傾向的區(qū)域，驗證了工藝改進后的合理性。

3 結(jié)論

（1）汽車沖壓件由于裝配需要和剛性的要求，往往在曲面邊緣設(shè)置翻邊結(jié)構(gòu)。應用數(shù)值模擬與分析技術(shù)進行翻邊工藝設(shè)計是一種有效且可靠的方法。

（2）對于曲面翻邊的起皺問題，采用增大壓邊力、增加凹模圓角半徑等工藝措施能使其得到合理有效的改善。

（3）對翻邊開裂問題主要原因是翻邊高度超過了其最大成形極限，采用分步翻邊成形的工藝方法得以改善。

參考文獻

[1]曹穎，李大永，李峰等.翻邊成形性預示及修邊線位置確定[J].武漢工業(yè)大學學報，2000（4）：43-45.

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[4]徐偉力，林忠欽.車身覆蓋件沖壓仿真的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].機械工程學報，2000，36（7）：1-4.

[5]崔令江.汽車覆蓋件沖壓成形技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.6

[6]張曉靜，周賢賓.汽車覆蓋件多工步成形數(shù)值模擬技術(shù)研究[J].塑性工程學報，2001，8（1）：25-30.

作者簡介：龍玲（1979-），女，四川成都人，講師，博士，主要從事板料成形優(yōu)化設(shè)計、模具CAD/CAE/CAM、人工智能及應用等研究。

為了解決起皺問題，需綜合考慮各方面因素的影響，有些是結(jié)構(gòu)尺寸因素，有些是成形工藝參數(shù)。對于設(shè)計者而言，需找到對其質(zhì)量問題影響較大的關(guān)鍵因素，從而采取相應的工藝措施，如增大壓邊力、增加凹模圓角半徑等。

2.3.2 開裂

從FLD圖6中發(fā)現(xiàn)零件轉(zhuǎn)角區(qū)域存在破裂傾向，還有個別區(qū)域已經(jīng)破裂，圖9為破裂危險區(qū)與破裂區(qū)局部放大圖和其中任選節(jié)點的應變值，從應變值上看，此區(qū)域的最小拉應變值為0.475，但是在其對應材料HSLA250的應力應變曲線（見圖3）上，對應于0.475的應力值大約為580MPa，明顯超過了HSLA250本身的抗拉強度250MPa～370MPa，并且由翻邊變形特點分析可知，該區(qū)域正好處于曲面翻邊的圓弧部分，是其翻邊成形產(chǎn)生破裂的危險區(qū)，因此在此處很容易因拉伸變形過大而造成開裂。

解決翻邊成形開裂問題的措施也需著手于其不同工藝因素的影響，對于翻邊開裂問題最常見的即是翻邊高度超過了其最大成形極限，因此通常采用分步翻邊成形的工藝步驟。

2.4 工藝改進與驗證

在前面所述有限元試驗與分析的基礎(chǔ)上，對翻邊工藝進行改進設(shè)計，如圖10所示為此工件分2步翻邊后的成形結(jié)果，可看出最終翻邊成形件沒有出現(xiàn)開裂或者開裂傾向的區(qū)域，驗證了工藝改進后的合理性。

3 結(jié)論

（1）汽車沖壓件由于裝配需要和剛性的要求，往往在曲面邊緣設(shè)置翻邊結(jié)構(gòu)。應用數(shù)值模擬與分析技術(shù)進行翻邊工藝設(shè)計是一種有效且可靠的方法。

（2）對于曲面翻邊的起皺問題，采用增大壓邊力、增加凹模圓角半徑等工藝措施能使其得到合理有效的改善。

（3）對翻邊開裂問題主要原因是翻邊高度超過了其最大成形極限，采用分步翻邊成形的工藝方法得以改善。

參考文獻

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[6]張曉靜，周賢賓.汽車覆蓋件多工步成形數(shù)值模擬技術(shù)研究[J].塑性工程學報，2001，8（1）：25-30.

作者簡介：龍玲（1979-），女，四川成都人，講師，博士，主要從事板料成形優(yōu)化設(shè)計、模具CAD/CAE/CAM、人工智能及應用等研究。