文/孫曉，陸滕君，韓永志，黃永生·安徽江淮汽車股份有限公司

某轎車橫梁沖壓成形的回彈仿真

文/孫曉，陸滕君，韓永志，黃永生·安徽江淮汽車股份有限公司

本文通過對車門外板的沖壓工藝性進行分析，利用CAE軟件進行有限元仿真模擬，并根據(jù)數(shù)值模擬情況進行產品數(shù)模修正，優(yōu)化數(shù)值模擬工藝參數(shù)及工藝造型，消除零件在工藝設計初期可能存在的缺陷，極大地降低了模具開發(fā)的風險，進而通過模具現(xiàn)場調試，成功制造出合格的沖壓件。

近年來，汽車行業(yè)的激烈競爭和大眾環(huán)保意識的提高，汽車輕量化成了熱點。因此，高強度鋼板和鋁合金板材在汽車零件中開始大量使用。然而，特殊材料的回彈問題更為突出，直接影響到沖壓件的尺寸精度。為提高沖壓件的產品質量及生產效率，從20世紀70年代起，人們開始利用有限元法對板料成形過程進行模擬，本文主要討論某轎車橫梁沖壓成形的回彈仿真。

覆蓋件沖壓成形的特點

頂蓋前橫梁是典型的覆蓋件，覆蓋件沖壓成形有以下特點：⑴表面質量要求高、形狀復雜且生產批量大。由于成形模具結構復雜，一般采用單動(或雙動)沖床一次成形。⑵一般零件在拉延成形時，開裂是成形過程的主要問題，主要原因是由于變形區(qū)(凸緣區(qū))的變形抗力超出了傳力區(qū)(側壁與底部過渡區(qū))危險斷面強度。但對于有些覆蓋件，成形時由于成形深度淺(如汽車外門板)，材料則得不到充分的拉深變形，不僅容易起皺，且剛性也不夠，這時就需采用拉延檻來加大壓邊圈下材料的牽引力，從而增大塑性變形程度，保證零件在修邊后彈性畸變小、剛性好，但價格較高。在普通帶氣墊的單動沖床上，不僅壓邊力小，而且調節(jié)的可能性也小，故不適合復雜零件的成形，但價格相對便宜。

覆蓋件沖壓生產過程一般要經過落料(或剪切下料)、成形修邊、沖孔、翻邊等多道工序完成，成形過程主要以拉深(拉延)為主，局部包含脹形、翻邊以及彎曲等工藝。覆蓋件材料薄，結構尺寸大，型面變化多，在拉深過程中常常出現(xiàn)開裂、起皺等缺陷。有限元模擬技術的發(fā)展，為分析板料成形過程的成形缺陷提供了一種比較有效的工具。運用CAE技術則可及時預測成形風險，通過及時優(yōu)化拉深模面來保證制件成形的質量。

基于DYNAFORM的有限元建模及CAE模擬

圖1為某轎車頂蓋前橫梁三維數(shù)模，制件材質為B210P1（屈服強度ReL為300 MPa、抗拉強度Rm為440MPa、楊氏模量E為207GPa、硬化指數(shù)n為0.18)，料厚為0.8mm，壓邊力為40t，摩擦系數(shù)為0.15。在模擬之前首先要進行模面設計，可利用DYNAFORM中DFE模面進行直接設計，并以此為基礎，設計UG版模面，UG數(shù)據(jù)可直接用來進行加工，UG版模面如圖2所示。建立有限元模型基本格式：⑴將圖2所示三維模型轉化成.igs格式，導入DYNAFORM，特別提示在CAE成形仿真過程中，拉延筋是用虛擬筋來表示的，所以UG版模面中的實體筋要刪除，并用平面來補充，后期模擬中在相應位置添加虛擬筋模擬即可；⑵進行網(wǎng)格劃分，并檢查修補網(wǎng)格；⑶ 定義凸模、凹模、壓邊圈、毛坯、拉延筋。所建立模型如圖3所示 。

具體操作過程如下：

⑴創(chuàng)建DYNAFORM數(shù)據(jù)庫,設定為單動成形SINGLEACTION，單位為M.TOM.SEC.N.導入凸模、毛坯模型,對凹模DIE、毛坯BLANK曲面進行網(wǎng)格劃分；由凹模DIE偏距出凸模PUNCH零件網(wǎng)格,在PUNCH網(wǎng)格的基礎上分離BINDER壓邊圈單元。

⑵定義工具。將上步的單元分別定義為對應的工具,分別為DIE、PUNCH和DER；定義毛坯BLANK,并設置材料屬性,設置加載速度和壓邊力。利用系統(tǒng)的自動定位工具安排工具與毛坯之間的合理位置。

⑶提交分析。設置分析參數(shù)，提交處理器進行分析。

圖1 某頂蓋前橫梁數(shù)模

圖2 UG版模面

圖4 FLD圖

⑷系統(tǒng)計算。

成形仿真結果分析

有限元網(wǎng)格模型設置完成后，設置適當參數(shù)，可將數(shù)據(jù)提交給軟件求解器LS-DYNA進行求解。得到仿真結果成形極限圖FLD圖（圖4）和減薄率分布圖（圖5）。圖中可看出：板料在工藝補充壓料面上的部位有少量起皺，其他部分均在安全區(qū)域，起皺的部位在后序的修邊工序中都將被切除；板料的拉深變形均勻充分，大部分區(qū)域減薄率在4%～12%之間，最大減薄率為22% [減薄率為21%的鋼牌號有：B140H1、B180H1、B180H2（BH340）、B240、390DP；減薄率為23%的鋼牌號有：B170P1、B180P2（BP340）、B210P1、B220P2（BH380）、B250P1、DC01、DC03、DC04/、DC51D+ZF、DC52D+ZF、DC53D+ZF、DC54D+ZF；減薄率為25%的鋼牌號有DC05；減薄率為28%的鋼牌號有DC06]，不會發(fā)生破裂；與初始厚度相差很少，變形量少，主次應變值雖都在安全曲線以下，但數(shù)值較大，必然會導致回彈量大。因此，必須對頂蓋前橫梁進行回彈仿真模擬，預測回彈量，以采取適當?shù)幕貜椏刂拼胧?，保證零件的成形質量和成形精度。

回彈仿真設置與結果分析

回彈仿真設置

⑴定義變形后板料。缺省情況下，變形后的板料（以Dynain文件格式）讀入到eta/DYNAFORM數(shù)據(jù)庫；需要修剪的情況下，將修邊線的igs文件導入到DYNAFORM中，選擇裁剪線后可以單擊裁剪板料按鈕進行裁剪操作。一般修邊模擬過程可以簡化為材料分離過程，保留了板料成形后的應力一應變關系。裁剪后的板料將被自動指定為本次分析模型的板料。

⑵定義板料屬性。修改分析類型為回彈(Springback)，用戶可選擇單步(缺省設置)或多步隱式算法，前者不能得到收斂的回彈結果，后者可進行回彈分析。在回彈分析之前，將激活粗化（Coarsening）選項來合并上一工序中重劃分的單元，該功能使eta/DYNAFORM求解器能夠合并角度小于指定角度（缺省為8°）的鄰近單元。粗化網(wǎng)格可以減小計算的不穩(wěn)定性，有助于回彈模型收斂，本文選擇單步隱式算法。

⑶添加約束點（Constraint）。選擇合適的約束點來防止零件在回彈分析中的剛體運動，約束點施加部位對模擬結果影響較大。3個約束點不能在一條直線上，節(jié)點應當互相隔開并且遠離零件的邊緣和較軟的區(qū)域。第一個約束點將約束該點三個方向平動自由度并定義為回彈模型的參考點，在該節(jié)點處，回彈的位移為零；第二個約束點將約束Y和Z方向的移動；第三個約束點將消除Z方向的移動。通常對于成形仿真過程中已施加對稱面約束的零件而言，只需要在原來對稱面約束的基礎上再施加兩個點的約束即可。但為了保證零件回彈計算的結果與實際回彈接近，提高回彈計算精度，約束點施加的部位應當與零件在檢具上被夾持的部位一致（圖6）。

圖5 減薄率圖

圖6 施加的約束點

圖7 回彈趨勢

圖8 三種不同材質的CAE回彈結果

圖9 三種不同料厚的CAE回彈結果

回彈結果分析

將建立好的回彈仿真模型提交給LS-DYNA求解器進行求解，得到零件的回彈趨勢（圖7）。從圖7可看出：零件兩端沿縱向垂直方向發(fā)生了比較明顯的回彈現(xiàn)象，數(shù)值為3.9,大大超過零件所允許的精度，需采取措施控制；靠近中心對稱面的零件有稍微翹曲，回彈量不大，在允許的誤差范圍內，可不必采取措施。

材料對回彈的影響

⑴力學性能。三種材料SPCC、SPCD、SPCE(日本材料標準)的屈服強度依次降低，回彈量總體呈減少的趨勢（圖8）。這是由于在相同外載作用下,屈服強度越低的材料越容易產生塑性變形。

⑵厚度。板料厚度越大,回彈角越?。▓D9）。這是由于相同彎曲角,厚度大的板料表面應變和應力值較大,發(fā)生塑性變形的材料較多,因而回彈量會減少。

結束語

以往對拉延成形件的回彈控制問題研究得不多，實際工程中，通?；诮涷灪头磸驮囼瀬斫档突蛳貜椀挠绊?。20世紀90年代以來，隨著起皺和開裂問題的逐步解決，回彈控制問題則成為研究重點，CAE仿真技術也為回彈控制研究提供了支持?；貜椓坎粌H隨材料的強度和料厚的變化呈規(guī)律性變化，還隨模具間隙及彎曲半徑的增加而增加，另外，材料的各向異性也將導致各處的回彈量有所不同。要保證產品的尺寸合格,還必須在模具設計時適當?shù)匮a償回彈。