熊保玉

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，四川 廣元 628017）

基于CAE技術(shù)的汽車前門窗框加強板拉延成形研究

熊保玉

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，四川 廣元 628017）

以汽車前門窗框加強板為研究對象，利用Dynaform軟件對加強板的拉延成形進(jìn)行數(shù)值模擬。通過模擬產(chǎn)品在設(shè)置不同壓邊力數(shù)值及有無拉延筋情況下成形性能，預(yù)測板料成形中可能出現(xiàn)如起皺、拉裂、變薄、回彈等缺陷。通過模擬結(jié)果的研究分析，確定汽車前門窗框加強板成形所需工藝過程和技術(shù)參數(shù)，為實際產(chǎn)品沖壓成形提供科學(xué)依據(jù)。

加強板；拉延成形；數(shù)值模擬；Dynaform

汽車覆蓋件大多為復(fù)雜空間曲面，具有結(jié)構(gòu)尺寸大、變形復(fù)雜、材料薄、表面質(zhì)量要求高等特點[1]。并且這些零件的沖壓成形較困難，模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造也相對復(fù)雜。傳統(tǒng)汽車覆蓋件材料沖壓成形中模具設(shè)計與制造的周期長、難度大、成本高、試制時間久，并且對工人的技術(shù)水平和經(jīng)驗都有很高的要求。

隨著有限元技術(shù)的飛速發(fā)展，利用計算機模擬技術(shù)對沖壓成形工序進(jìn)行CAE分析得到快速應(yīng)用。利用DYNAFORM軟件能夠輕松地求解板料成形過程中和模具設(shè)計中遇到的復(fù)雜問題，能夠預(yù)測成形過程中將要發(fā)生的缺陷，評估板料成形性能，為板料成形工藝及模具設(shè)計提供幫助[2]。降低試模周期和模具制造成本，以替代實際的沖壓過程，為板料沖壓成形提供合理的工藝參數(shù)和優(yōu)化模具設(shè)計。

1 零件工藝分析

某汽車前門窗框加強板模型如圖1所示。通過分析該零件為內(nèi)板件，是左右對稱零件。對產(chǎn)品模型及成形工藝進(jìn)行優(yōu)化，由傳統(tǒng)的一模單件，改進(jìn)成一模兩件，即設(shè)計成現(xiàn)在一幅模具同時完成左右門窗加強板兩個產(chǎn)品的拉延。最終產(chǎn)品成形工藝路線為：拉延-修邊/沖孔-翻邊/整形-分離/沖孔，四道工序完成該產(chǎn)品成形。該產(chǎn)品的成形工藝中，拉延工序是第一道工序，也是成形難度最大的工序，對產(chǎn)品的后序工序的成形起著重要作用。因此產(chǎn)品的拉延成形必須考慮到如何選擇合理的沖壓方向，其次為工藝補充面和壓料面的建立，以及最后的產(chǎn)品成形是否設(shè)置拉延筋，是否會出現(xiàn)起皺、破裂、變薄等問題。

圖1 汽車前門窗框加強板的模型

2 Dynaform軟件模擬拉延成形關(guān)鍵步驟

Dynaform軟件是由美國工程技術(shù)聯(lián)合公司和Livemore軟件技術(shù)公司聯(lián)合開發(fā)的用于板料成形數(shù)值模擬的CAE軟件[3]。該軟件采用顯示動力有限元算法，并具有了強大的模型分析、前處理和后處理功能，能夠真實模擬出模具開發(fā)中的各種復(fù)雜問題。利用Dynaform對汽車覆蓋拉延成形分析及模具設(shè)計的步驟如圖2所示。

3 模型的有限元前處理

3.1 模型導(dǎo)入及網(wǎng)格劃分

汽車覆蓋件三維模型建立常用軟件有UG、CATIA、PRO/E等。利用UG建立汽車左右門窗加強板展開模型，并根據(jù)成形工藝方案建立相應(yīng)凹模、凸模、壓邊圈、毛坯的模型面。然后將建好的模型以iges格式導(dǎo)入到Dynaform中。對模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，確保網(wǎng)格相對密集，大小適當(dāng)，網(wǎng)格無重疊、無漏孔、法向一致。

圖2 板料成形過程分析流程

3.2 沖壓方案的確定

拉延工序中沖壓方向合理與否，直接決定了能否拉伸出合格產(chǎn)品。根據(jù)零件工藝和實際成形過程確定沖壓方向。在Dynaform中利用DFE（模面工程）中Tipping（傾斜）進(jìn)行產(chǎn)品沖壓方向的自動調(diào)整，確保產(chǎn)品所有網(wǎng)格單元法矢量一致，沖壓負(fù)角為零與拉延深度最小。

3.3 工藝補充及壓料面創(chuàng)建

工藝補充面是汽車覆蓋件拉延成形工藝中不可缺少的部分，它一般又分為內(nèi)工藝補充面和外工藝補充面[4]。但是工藝補充面在拉延成形之后的工序中要剪切掉，所以在設(shè)置工藝補充面時，在滿足成形需要的情況下應(yīng)使其面積盡量小。同時要求工藝補充面盡量平滑，便于產(chǎn)品成形充分。汽車前門窗框左右加強內(nèi)板成形工序首先是沖壓成形，然后再進(jìn)行其他工序成形。因此，為保證產(chǎn)品成形質(zhì)量，需要將該產(chǎn)品內(nèi)孔及相關(guān)部位進(jìn)行工藝補充[5]。壓料面的設(shè)計是為了保證產(chǎn)品成形時毛坯不起皺、扭曲，根據(jù)實際產(chǎn)品的形狀特點，以實用、簡單、節(jié)省材料為原則，最終確定壓料面為平滑的曲面。如圖3所示為最后創(chuàng)建完成的壓料面及工藝補充面凹模模型。

圖3 工藝補充面及壓料面

3.4 毛坯尺寸的估計及毛坯生成

對產(chǎn)品及工藝補充部分進(jìn)行尺寸的展開，根據(jù)設(shè)置壓料面在X、Y方向的最大尺寸是1035mm、370mm，通過Dynaform估算產(chǎn)品的展開尺寸及在板料沖壓模擬中考慮到壓料及產(chǎn)品成形，取毛坯尺寸為925mm×330mm的矩形板料。根據(jù)毛坯尺寸的邊界，利用Dynaform軟件Tool（工具）-Blank Generator（毛坯生成器）得到劃分好的毛坯網(wǎng)格，根據(jù)實際的模擬情況，對毛坯尺寸大小進(jìn)行適當(dāng)修改。

3.5 設(shè)置模擬參數(shù)

設(shè)置好的凸模、凹模、壓邊圈、毛坯有限元模型如圖4所示。利用Dynaform自動模擬設(shè)置功能。參數(shù)設(shè)置中沖壓類型為Single action press(單動)；毛坯材料為B170P1高強度鋼板、厚度1.2mm；Dynaform材料庫中B170P1的力學(xué)性能如表1所示，凸模和凹模間隙為1.42mm；毛坯與模具間摩擦系數(shù)為0.125；工具和壓邊圈的速度為默認(rèn)設(shè)置。壓邊力初設(shè)置成100ton。 設(shè)置好模具各零件的運動和邊界條件，提交到LS-DYNA進(jìn)行計算。

圖4 汽車前門窗框加強板有限元模型

表1 材料的性能參數(shù)

4 產(chǎn)品數(shù)值模擬及優(yōu)化

4.1 數(shù)值模擬方法

Dynaform求解板料成形非線性問題數(shù)值模擬主要采用彈塑性有限元法，其計算方法以靜力隱式和動力顯式為主。靜力隱式算法因為迭代收斂問題難以穩(wěn)定處理，所以動力顯式算法的應(yīng)用較廣[6]。動力顯式計算方法避免了直接求解切線剛度矩陣，不需要平衡迭代計算；并且動力顯式計算簡單明了，計算時間步長很小[7]。所以動力顯示算法具有計算速度快、占內(nèi)存小、易于平行處理等優(yōu)點，是求解大位移、大變形、復(fù)雜型面沖壓零件問題的最有效的方法。

Dynaform軟件中數(shù)值模擬模塊LS/DYNA集成了靜力隱式和動力顯式的優(yōu)點，功能強大，計算結(jié)果準(zhǔn)確。模擬計算完成后，利用Dynaform后處理命令Post-Processor對運算結(jié)果進(jìn)行分析和判斷，得到成形極限圖，如圖5所示。由圖可知，產(chǎn)品區(qū)域沒有出現(xiàn)拉裂，但大部分區(qū)域存在嚴(yán)重的拉延變形不足，這種成形質(zhì)量不符合設(shè)計要求。

圖5 壓邊力100t成形極限圖

4.2 優(yōu)化工藝參數(shù)

產(chǎn)品發(fā)生嚴(yán)重變形不足主要是因為板料壓邊力和拉延阻力不夠造成的，解決上述問題的方法一般是增大壓邊力。在其他模擬參數(shù)不變的情況下，將該產(chǎn)品壓邊力分別增加到200t、300t,得到如圖6、圖7所示模擬結(jié)果。從圖分析可知隨著壓力的增大，變形不足得到改善，但在產(chǎn)品邊緣仍有變形不足，并且開始出現(xiàn)拉裂趨勢。顯然通過繼續(xù)增加壓邊力已經(jīng)不能使產(chǎn)品成形達(dá)到要求，必須進(jìn)行調(diào)整，即設(shè)置拉延筋來增加金屬流動阻力來提高零件成形質(zhì)量。

圖6 壓邊力200t成形極限圖

圖7 壓邊力300t成形極限圖

設(shè)置拉延筋的作用是調(diào)節(jié)板料成形時進(jìn)入模具中阻力的大小和分布，同時降低壓料面作用力和改善板料的起皺，有利于變形區(qū)板料的順利成形。Dynaform中拉延筋的設(shè)置分為兩種，即等效拉延筋和真實拉延筋。數(shù)值模擬中真實拉延筋能更好地反映實際生產(chǎn)中拉延筋部位的材料流動阻力狀態(tài)[8]。本文采用真實方形拉延筋，拉延筋的尺寸及分布情況如圖8、圖9所示。通過設(shè)置拉延筋及在其他模擬參數(shù)不變時設(shè)置不同壓邊力進(jìn)行數(shù)值模擬。在150t壓邊力時得到成形極限圖，如圖10所示。從設(shè)置拉延筋成形極限圖對比結(jié)果看，板料成形質(zhì)量得到很大改善，在大幅降低壓邊力的同時得到較好的產(chǎn)品成形質(zhì)量，表現(xiàn)為材料得到有效變形，產(chǎn)品區(qū)域無變形不足，起皺和破裂現(xiàn)象得到較大改善。變形區(qū)域有破裂趨勢和拉裂現(xiàn)象，在后面的修邊和分離工序中去除，不影響產(chǎn)品成形質(zhì)量。證明所設(shè)置的模擬參數(shù)和產(chǎn)品形狀設(shè)計是合理的。實際中產(chǎn)品可以安全沖出。

圖8 拉延筋尺寸

圖9 壓料面模型

圖10 壓邊力150ton成形極限圖

5 結(jié)論

利用板料成形Dynaform軟件對汽車前門窗框左右加強內(nèi)板拉延成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，可預(yù)測實際沖壓成形可能出現(xiàn)的產(chǎn)品缺陷，提高模具設(shè)計效率。通過對模擬沖壓參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，確定了實際產(chǎn)品成形工藝參數(shù)和拉延筋設(shè)置，降低了現(xiàn)場實際試模量。對類似汽車覆蓋件產(chǎn)品模具設(shè)計與制造具有重要的參考價值。

[1]李福祿.汽車覆蓋件沖模結(jié)構(gòu)分析與沖壓成形數(shù)值模擬[D].青島：青島理工大學(xué)，2007.

[2]劉長位，胡春蓮，畢 彥.基于DYNAFORM仿真模擬的拉深工藝方案確定[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2014，49（2）：58-61.

[3]龔紅英.板料沖壓成形CAE實用教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[4]聞 瑤，甘國強，王成國.基于數(shù)值模擬的隔熱板零件沖壓工藝研究[J].精密成形工程，2014，6（4）：41-45.

[5]奚建勝.基于DYNAFORM的汽車發(fā)動機消音器成形模擬[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2008，43（4）：63-65.

[6]張寶貴，陳 軍，王曉方.基于板料成形數(shù)值模擬的沖壓模具結(jié)構(gòu)分析方法[J].機械工程學(xué)報，2008，（8）：174-179.

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Study on drawing forming process of reinforcing plate for automobile front door frame based on CAE technology

XIONG Baoyu
（Mechanical&Engineering Department,Sichuan Information Technology College,Guangyuan 628017,Sichuan China）

Taking the reinforcing plate for automobile front door frame as the research object,the numerical simulation has been carried to its drawing forming process by use of Dynaform software.By simulation of the forming performance under different magnitude of blank holder force and with or without draw-bead condition,the defects including wrinkle,fracture,thinning and rebound have been predicted.By research analysis of the simulation result,the required technical process and parameters during forming process for reinforcing plate of the automobile front door frame have been confirmed.It provides a scientific basis for the actual forming production.

Reinforcing plate;Numerical simulation;Drawing forming;Dynaform

TG386.1；TH162

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.02.022

1672-0121（2016）02-0084-04

2015-03-20；

2015-05-08

廣元市科技支撐計劃資助項目（14KJZCZC006）

熊保玉（1980-），男，碩士，講師，從事材料成形及模具CAD/CAE技術(shù)研究。E-mail:xbywr@163.com