周小靈

摘 要：汽車車身覆蓋件沖壓成形過程中時常會出現(xiàn)破裂、起皺、回彈等缺陷。本文以某汽車車身頂蓋覆蓋件為例，利用DYNAFORM板料成形數(shù)值模擬軟件模擬了其成形過程，對可能出現(xiàn)的成形缺陷進行了預(yù)測，該數(shù)值模擬結(jié)果對板料沖壓模具設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：汽車車身覆蓋件 沖壓成形 數(shù)值模擬 DYNAFORM

中圖分類號：TG386 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（a）-0027-01汽車覆蓋件是構(gòu)成汽車車身的重要組成部分，具有材料薄、形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大和表面質(zhì)量高等特點[1]。覆蓋件主要的生產(chǎn)方式是薄板沖壓成形，其過程是一個復(fù)雜的力學(xué)過程。若按照傳統(tǒng)的“試錯法”設(shè)計覆蓋件模具，由于反復(fù)的試模、修模，將導(dǎo)致覆蓋件的開發(fā)周期延長，研發(fā)成本增加，無法在市場競爭中處于領(lǐng)先地位。

板料成形數(shù)值模擬不僅能夠保證覆蓋件沖壓工藝和模具設(shè)計的合格率，還可以減少試模次數(shù)，避免修模，從而縮短覆蓋件的開發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高覆蓋件質(zhì)量和市場競爭力。本文以板料成形模擬軟件DYNAFORM為平臺，對某汽車頂蓋覆蓋件的成形過程進行研究。

1 頂蓋沖壓工藝分析

汽車頂蓋零件是遮蓋并保護車廂頂部的車身頂板，結(jié)構(gòu)為空間雙曲扁殼狀，呈流線型，尺寸較大，厚度較小，圓角半徑較小，拉延深度較淺[2]。由于頂蓋零件在裝配時與其搭接的覆蓋件零件較多，使得頂蓋成形要求外觀光順平滑，不允許有破裂、起皺、拉痕、凹陷、波紋以及其它對表面質(zhì)量有影響的缺陷。此外，還對零件的剛性有嚴(yán)格的要求。因此，擬定該零件的沖壓工藝方案為拉延、修邊沖孔側(cè)沖孔和翻邊整形3道工序。其中，最容易出現(xiàn)成形質(zhì)量問題的是頂蓋的拉延工序，其制定的是否合理關(guān)系到頂蓋零件成形的表面質(zhì)量和剛性。

1.1 沖壓方向確定

確定沖壓方向是汽車頂蓋拉延工藝設(shè)計的關(guān)鍵，即確定沖壓件在模具中的空間位置。它不但決定能否生產(chǎn)出合格的沖壓件，而且影響到工藝補充部分的多少和壓料面的形狀[3]。在確定沖壓方向時，應(yīng)保證凸模形狀能夠進入凹模，不產(chǎn)生負(fù)角；要保證拉延深度淺而均勻，凸模與板料應(yīng)接觸良好，且接觸部位處于模具中心；壓料面各處進料阻力均勻。

1.2 工藝補充設(shè)計

汽車頂蓋形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)對稱，直接成形較困難。為了適應(yīng)拉延工藝的要求，提高頂蓋的成形質(zhì)量，沖壓方向確定之后，必須設(shè)計工藝補充來改善拉延工藝性。工藝補充設(shè)計應(yīng)遵守內(nèi)孔封閉補充原則、簡化拉延件結(jié)構(gòu)形狀原則以及對后序工序有利原則[4]。工藝補充應(yīng)包括拉延部分的補充和壓料面兩部分，在Unigraphics NX（UG）軟件中可進行設(shè)計頂蓋的工藝補充。

2 頂蓋成形數(shù)值模擬

2.1 建立有限元模型

將UG中設(shè)計好的板料、帶工藝補充的拉延模型以IGES文件格式輸出，并導(dǎo)入到DYNAFORM軟件中劃分有限元網(wǎng)格。為了保證計算精度和計算效率達(dá)到平衡，在彎曲變形較大的部位單元劃分要密一些，在變形較小或沒有彎曲的部位單元劃分稀疏一些。頂蓋沖壓為單動拉延，若對凹模型進行劃分網(wǎng)格，則凸模型和壓邊圈可通過凹模型網(wǎng)格偏置得到。采用網(wǎng)格自適應(yīng)劃分功能，經(jīng)過板料重力、合攏模擬后建立的有限元模型如圖1所示，凸模、凹模、壓邊圈均視為剛體，板料視為變形體。

2.2 確定成形工藝參數(shù)

確定板料參數(shù)：頂蓋材質(zhì)為DC04，厚度t=0.7 mm，其性能參數(shù)為彈性模量E=207 GPa；硬化系數(shù)K=547 MPa；泊松比μ=0.30；應(yīng)變硬化指數(shù)n=0.22；屈服應(yīng)力σS=168 MPa；抗拉強度σT=303 MPa；各向異性系數(shù)r0=1.87，r45=1.30，r90=2.14。板料材料模型選用36號Barlat各向異性材料，單元類型選用BT殼單元。模具與板料之間的接觸類型為面面單向接觸，接觸算法為罰函數(shù)法。

確定模擬參數(shù)：拉延類型為單動拉延；上、下壓邊圈間隙設(shè)置為1.1 t=0.77 mm（t為板料厚度）；凸凹模間隙設(shè)置為1.1 t= 0.77 mm（t為板料厚度）；摩擦系數(shù)為0.13；定義凹模的運動曲線及壓邊圈的力曲線；沖壓速度設(shè)置為5000 mm/s（凹模和上壓邊圈運動到下壓邊圈處時的壓合速度）和2000 mm/s（凹模、上壓邊圈和下壓邊圈同時運動完成拉延的成形速度）；壓邊力設(shè)置為120T。

2.3 模擬結(jié)果與分析

提交有限元模型生成的dyn文件給LS-Dyna求解器進行求解，模擬計算采用動力顯式算法，得到頂蓋的成形極限圖如圖2所示。由成形模擬結(jié)果可知，零件塑性變形充分，中間大部分區(qū)域減薄量較小，在成形過程中不會產(chǎn)生裂紋和起皺。周邊區(qū)域減薄量較大，但未超出破裂極限，在成形過程中也不會產(chǎn)生破裂。法蘭面上有輕微皺紋形成，在后續(xù)的切邊工序會將這部分板料切去，不會影響制件的表面質(zhì)量。由主、副應(yīng)變結(jié)果可知，零件上主、副應(yīng)變值非常接近，均在0.02左右，表明零件的塑性變形均勻，保證了零件的剛性要求。因此，成形模擬結(jié)果證實頂蓋成形過程中不會出現(xiàn)質(zhì)量缺陷。

3 結(jié)論

利用板料成形模擬軟件Dynaform對某汽車頂蓋的沖壓成形過程在計算機上進行了數(shù)值模擬，直觀地預(yù)測其沖壓成形過程中可能出現(xiàn)的成形缺陷。由模擬結(jié)果可以判斷，汽車頂蓋在成形過程中不存在質(zhì)量問題。通過實際生產(chǎn)得到的頂蓋零件可以證實，板料的成形過程與DYNAFORM軟件成形模擬基本一致，這表明汽車頂蓋拉延工藝設(shè)計是合理的，材料參數(shù)、沖壓工藝參數(shù)等設(shè)置是合理的，數(shù)值模擬結(jié)果對板料沖壓模具設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

參考文獻

[1] 段磊，蔡玉俊，莫國強，等.汽車覆蓋件成形回彈仿真及模面優(yōu)化研究[J].鍛壓技術(shù)，2010（2）：34-38.

[2] 馬韌賓，段磊，張洋，等.汽車覆蓋件成形數(shù)值模擬與模具型面設(shè)計[J].2010，39（301）：102-105.

[3] 段向敏，代榮.汽車覆蓋件拉延成形過程分析[J].機械設(shè)計與制造，2013（10）：239-241.

[4] 倪昀，黃亞玲，章躍洪.基于DYNAFORM汽車覆蓋件沖壓仿真分析[J].熱加工工藝，2011，40（321）：108-111.endprint

摘 要：汽車車身覆蓋件沖壓成形過程中時常會出現(xiàn)破裂、起皺、回彈等缺陷。本文以某汽車車身頂蓋覆蓋件為例，利用DYNAFORM板料成形數(shù)值模擬軟件模擬了其成形過程，對可能出現(xiàn)的成形缺陷進行了預(yù)測，該數(shù)值模擬結(jié)果對板料沖壓模具設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：汽車車身覆蓋件 沖壓成形 數(shù)值模擬 DYNAFORM

中圖分類號：TG386 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（a）-0027-01汽車覆蓋件是構(gòu)成汽車車身的重要組成部分，具有材料薄、形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大和表面質(zhì)量高等特點[1]。覆蓋件主要的生產(chǎn)方式是薄板沖壓成形，其過程是一個復(fù)雜的力學(xué)過程。若按照傳統(tǒng)的“試錯法”設(shè)計覆蓋件模具，由于反復(fù)的試模、修模，將導(dǎo)致覆蓋件的開發(fā)周期延長，研發(fā)成本增加，無法在市場競爭中處于領(lǐng)先地位。

板料成形數(shù)值模擬不僅能夠保證覆蓋件沖壓工藝和模具設(shè)計的合格率，還可以減少試模次數(shù)，避免修模，從而縮短覆蓋件的開發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高覆蓋件質(zhì)量和市場競爭力。本文以板料成形模擬軟件DYNAFORM為平臺，對某汽車頂蓋覆蓋件的成形過程進行研究。

1 頂蓋沖壓工藝分析

汽車頂蓋零件是遮蓋并保護車廂頂部的車身頂板，結(jié)構(gòu)為空間雙曲扁殼狀，呈流線型，尺寸較大，厚度較小，圓角半徑較小，拉延深度較淺[2]。由于頂蓋零件在裝配時與其搭接的覆蓋件零件較多，使得頂蓋成形要求外觀光順平滑，不允許有破裂、起皺、拉痕、凹陷、波紋以及其它對表面質(zhì)量有影響的缺陷。此外，還對零件的剛性有嚴(yán)格的要求。因此，擬定該零件的沖壓工藝方案為拉延、修邊沖孔側(cè)沖孔和翻邊整形3道工序。其中，最容易出現(xiàn)成形質(zhì)量問題的是頂蓋的拉延工序，其制定的是否合理關(guān)系到頂蓋零件成形的表面質(zhì)量和剛性。

1.1 沖壓方向確定

確定沖壓方向是汽車頂蓋拉延工藝設(shè)計的關(guān)鍵，即確定沖壓件在模具中的空間位置。它不但決定能否生產(chǎn)出合格的沖壓件，而且影響到工藝補充部分的多少和壓料面的形狀[3]。在確定沖壓方向時，應(yīng)保證凸模形狀能夠進入凹模，不產(chǎn)生負(fù)角；要保證拉延深度淺而均勻，凸模與板料應(yīng)接觸良好，且接觸部位處于模具中心；壓料面各處進料阻力均勻。

1.2 工藝補充設(shè)計

汽車頂蓋形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)對稱，直接成形較困難。為了適應(yīng)拉延工藝的要求，提高頂蓋的成形質(zhì)量，沖壓方向確定之后，必須設(shè)計工藝補充來改善拉延工藝性。工藝補充設(shè)計應(yīng)遵守內(nèi)孔封閉補充原則、簡化拉延件結(jié)構(gòu)形狀原則以及對后序工序有利原則[4]。工藝補充應(yīng)包括拉延部分的補充和壓料面兩部分，在Unigraphics NX（UG）軟件中可進行設(shè)計頂蓋的工藝補充。

2 頂蓋成形數(shù)值模擬

2.1 建立有限元模型

將UG中設(shè)計好的板料、帶工藝補充的拉延模型以IGES文件格式輸出，并導(dǎo)入到DYNAFORM軟件中劃分有限元網(wǎng)格。為了保證計算精度和計算效率達(dá)到平衡，在彎曲變形較大的部位單元劃分要密一些，在變形較小或沒有彎曲的部位單元劃分稀疏一些。頂蓋沖壓為單動拉延，若對凹模型進行劃分網(wǎng)格，則凸模型和壓邊圈可通過凹模型網(wǎng)格偏置得到。采用網(wǎng)格自適應(yīng)劃分功能，經(jīng)過板料重力、合攏模擬后建立的有限元模型如圖1所示，凸模、凹模、壓邊圈均視為剛體，板料視為變形體。

2.2 確定成形工藝參數(shù)

確定板料參數(shù)：頂蓋材質(zhì)為DC04，厚度t=0.7 mm，其性能參數(shù)為彈性模量E=207 GPa；硬化系數(shù)K=547 MPa；泊松比μ=0.30；應(yīng)變硬化指數(shù)n=0.22；屈服應(yīng)力σS=168 MPa；抗拉強度σT=303 MPa；各向異性系數(shù)r0=1.87，r45=1.30，r90=2.14。板料材料模型選用36號Barlat各向異性材料，單元類型選用BT殼單元。模具與板料之間的接觸類型為面面單向接觸，接觸算法為罰函數(shù)法。

確定模擬參數(shù)：拉延類型為單動拉延；上、下壓邊圈間隙設(shè)置為1.1 t=0.77 mm（t為板料厚度）；凸凹模間隙設(shè)置為1.1 t= 0.77 mm（t為板料厚度）；摩擦系數(shù)為0.13；定義凹模的運動曲線及壓邊圈的力曲線；沖壓速度設(shè)置為5000 mm/s（凹模和上壓邊圈運動到下壓邊圈處時的壓合速度）和2000 mm/s（凹模、上壓邊圈和下壓邊圈同時運動完成拉延的成形速度）；壓邊力設(shè)置為120T。

2.3 模擬結(jié)果與分析

提交有限元模型生成的dyn文件給LS-Dyna求解器進行求解，模擬計算采用動力顯式算法，得到頂蓋的成形極限圖如圖2所示。由成形模擬結(jié)果可知，零件塑性變形充分，中間大部分區(qū)域減薄量較小，在成形過程中不會產(chǎn)生裂紋和起皺。周邊區(qū)域減薄量較大，但未超出破裂極限，在成形過程中也不會產(chǎn)生破裂。法蘭面上有輕微皺紋形成，在后續(xù)的切邊工序會將這部分板料切去，不會影響制件的表面質(zhì)量。由主、副應(yīng)變結(jié)果可知，零件上主、副應(yīng)變值非常接近，均在0.02左右，表明零件的塑性變形均勻，保證了零件的剛性要求。因此，成形模擬結(jié)果證實頂蓋成形過程中不會出現(xiàn)質(zhì)量缺陷。

3 結(jié)論

利用板料成形模擬軟件Dynaform對某汽車頂蓋的沖壓成形過程在計算機上進行了數(shù)值模擬，直觀地預(yù)測其沖壓成形過程中可能出現(xiàn)的成形缺陷。由模擬結(jié)果可以判斷，汽車頂蓋在成形過程中不存在質(zhì)量問題。通過實際生產(chǎn)得到的頂蓋零件可以證實，板料的成形過程與DYNAFORM軟件成形模擬基本一致，這表明汽車頂蓋拉延工藝設(shè)計是合理的，材料參數(shù)、沖壓工藝參數(shù)等設(shè)置是合理的，數(shù)值模擬結(jié)果對板料沖壓模具設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

參考文獻

[1] 段磊，蔡玉俊，莫國強，等.汽車覆蓋件成形回彈仿真及模面優(yōu)化研究[J].鍛壓技術(shù)，2010（2）：34-38.

[2] 馬韌賓，段磊，張洋，等.汽車覆蓋件成形數(shù)值模擬與模具型面設(shè)計[J].2010，39（301）：102-105.

[3] 段向敏，代榮.汽車覆蓋件拉延成形過程分析[J].機械設(shè)計與制造，2013（10）：239-241.

[4] 倪昀，黃亞玲，章躍洪.基于DYNAFORM汽車覆蓋件沖壓仿真分析[J].熱加工工藝，2011，40（321）：108-111.endprint

摘 要：汽車車身覆蓋件沖壓成形過程中時常會出現(xiàn)破裂、起皺、回彈等缺陷。本文以某汽車車身頂蓋覆蓋件為例，利用DYNAFORM板料成形數(shù)值模擬軟件模擬了其成形過程，對可能出現(xiàn)的成形缺陷進行了預(yù)測，該數(shù)值模擬結(jié)果對板料沖壓模具設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：汽車車身覆蓋件 沖壓成形 數(shù)值模擬 DYNAFORM

中圖分類號：TG386 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（a）-0027-01汽車覆蓋件是構(gòu)成汽車車身的重要組成部分，具有材料薄、形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大和表面質(zhì)量高等特點[1]。覆蓋件主要的生產(chǎn)方式是薄板沖壓成形，其過程是一個復(fù)雜的力學(xué)過程。若按照傳統(tǒng)的“試錯法”設(shè)計覆蓋件模具，由于反復(fù)的試模、修模，將導(dǎo)致覆蓋件的開發(fā)周期延長，研發(fā)成本增加，無法在市場競爭中處于領(lǐng)先地位。

板料成形數(shù)值模擬不僅能夠保證覆蓋件沖壓工藝和模具設(shè)計的合格率，還可以減少試模次數(shù)，避免修模，從而縮短覆蓋件的開發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高覆蓋件質(zhì)量和市場競爭力。本文以板料成形模擬軟件DYNAFORM為平臺，對某汽車頂蓋覆蓋件的成形過程進行研究。

1 頂蓋沖壓工藝分析

汽車頂蓋零件是遮蓋并保護車廂頂部的車身頂板，結(jié)構(gòu)為空間雙曲扁殼狀，呈流線型，尺寸較大，厚度較小，圓角半徑較小，拉延深度較淺[2]。由于頂蓋零件在裝配時與其搭接的覆蓋件零件較多，使得頂蓋成形要求外觀光順平滑，不允許有破裂、起皺、拉痕、凹陷、波紋以及其它對表面質(zhì)量有影響的缺陷。此外，還對零件的剛性有嚴(yán)格的要求。因此，擬定該零件的沖壓工藝方案為拉延、修邊沖孔側(cè)沖孔和翻邊整形3道工序。其中，最容易出現(xiàn)成形質(zhì)量問題的是頂蓋的拉延工序，其制定的是否合理關(guān)系到頂蓋零件成形的表面質(zhì)量和剛性。

1.1 沖壓方向確定

確定沖壓方向是汽車頂蓋拉延工藝設(shè)計的關(guān)鍵，即確定沖壓件在模具中的空間位置。它不但決定能否生產(chǎn)出合格的沖壓件，而且影響到工藝補充部分的多少和壓料面的形狀[3]。在確定沖壓方向時，應(yīng)保證凸模形狀能夠進入凹模，不產(chǎn)生負(fù)角；要保證拉延深度淺而均勻，凸模與板料應(yīng)接觸良好，且接觸部位處于模具中心；壓料面各處進料阻力均勻。

1.2 工藝補充設(shè)計

汽車頂蓋形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)對稱，直接成形較困難。為了適應(yīng)拉延工藝的要求，提高頂蓋的成形質(zhì)量，沖壓方向確定之后，必須設(shè)計工藝補充來改善拉延工藝性。工藝補充設(shè)計應(yīng)遵守內(nèi)孔封閉補充原則、簡化拉延件結(jié)構(gòu)形狀原則以及對后序工序有利原則[4]。工藝補充應(yīng)包括拉延部分的補充和壓料面兩部分，在Unigraphics NX（UG）軟件中可進行設(shè)計頂蓋的工藝補充。

2 頂蓋成形數(shù)值模擬

2.1 建立有限元模型

將UG中設(shè)計好的板料、帶工藝補充的拉延模型以IGES文件格式輸出，并導(dǎo)入到DYNAFORM軟件中劃分有限元網(wǎng)格。為了保證計算精度和計算效率達(dá)到平衡，在彎曲變形較大的部位單元劃分要密一些，在變形較小或沒有彎曲的部位單元劃分稀疏一些。頂蓋沖壓為單動拉延，若對凹模型進行劃分網(wǎng)格，則凸模型和壓邊圈可通過凹模型網(wǎng)格偏置得到。采用網(wǎng)格自適應(yīng)劃分功能，經(jīng)過板料重力、合攏模擬后建立的有限元模型如圖1所示，凸模、凹模、壓邊圈均視為剛體，板料視為變形體。

2.2 確定成形工藝參數(shù)

確定板料參數(shù)：頂蓋材質(zhì)為DC04，厚度t=0.7 mm，其性能參數(shù)為彈性模量E=207 GPa；硬化系數(shù)K=547 MPa；泊松比μ=0.30；應(yīng)變硬化指數(shù)n=0.22；屈服應(yīng)力σS=168 MPa；抗拉強度σT=303 MPa；各向異性系數(shù)r0=1.87，r45=1.30，r90=2.14。板料材料模型選用36號Barlat各向異性材料，單元類型選用BT殼單元。模具與板料之間的接觸類型為面面單向接觸，接觸算法為罰函數(shù)法。

確定模擬參數(shù)：拉延類型為單動拉延；上、下壓邊圈間隙設(shè)置為1.1 t=0.77 mm（t為板料厚度）；凸凹模間隙設(shè)置為1.1 t= 0.77 mm（t為板料厚度）；摩擦系數(shù)為0.13；定義凹模的運動曲線及壓邊圈的力曲線；沖壓速度設(shè)置為5000 mm/s（凹模和上壓邊圈運動到下壓邊圈處時的壓合速度）和2000 mm/s（凹模、上壓邊圈和下壓邊圈同時運動完成拉延的成形速度）；壓邊力設(shè)置為120T。

2.3 模擬結(jié)果與分析

提交有限元模型生成的dyn文件給LS-Dyna求解器進行求解，模擬計算采用動力顯式算法，得到頂蓋的成形極限圖如圖2所示。由成形模擬結(jié)果可知，零件塑性變形充分，中間大部分區(qū)域減薄量較小，在成形過程中不會產(chǎn)生裂紋和起皺。周邊區(qū)域減薄量較大，但未超出破裂極限，在成形過程中也不會產(chǎn)生破裂。法蘭面上有輕微皺紋形成，在后續(xù)的切邊工序會將這部分板料切去，不會影響制件的表面質(zhì)量。由主、副應(yīng)變結(jié)果可知，零件上主、副應(yīng)變值非常接近，均在0.02左右，表明零件的塑性變形均勻，保證了零件的剛性要求。因此，成形模擬結(jié)果證實頂蓋成形過程中不會出現(xiàn)質(zhì)量缺陷。

3 結(jié)論

利用板料成形模擬軟件Dynaform對某汽車頂蓋的沖壓成形過程在計算機上進行了數(shù)值模擬，直觀地預(yù)測其沖壓成形過程中可能出現(xiàn)的成形缺陷。由模擬結(jié)果可以判斷，汽車頂蓋在成形過程中不存在質(zhì)量問題。通過實際生產(chǎn)得到的頂蓋零件可以證實，板料的成形過程與DYNAFORM軟件成形模擬基本一致，這表明汽車頂蓋拉延工藝設(shè)計是合理的，材料參數(shù)、沖壓工藝參數(shù)等設(shè)置是合理的，數(shù)值模擬結(jié)果對板料沖壓模具設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

參考文獻

[1] 段磊，蔡玉俊，莫國強，等.汽車覆蓋件成形回彈仿真及模面優(yōu)化研究[J].鍛壓技術(shù)，2010（2）：34-38.

[2] 馬韌賓，段磊，張洋，等.汽車覆蓋件成形數(shù)值模擬與模具型面設(shè)計[J].2010，39（301）：102-105.

[3] 段向敏，代榮.汽車覆蓋件拉延成形過程分析[J].機械設(shè)計與制造，2013（10）：239-241.

[4] 倪昀，黃亞玲，章躍洪.基于DYNAFORM汽車覆蓋件沖壓仿真分析[J].熱加工工藝，2011，40（321）：108-111.endprint