文/夏明勇，宋磊峰，馬鳴圖·中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司

基于PAM-STAMP 2G的汽車覆蓋件沖壓成形缺陷控制

文/夏明勇，宋磊峰，馬鳴圖·中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司

本文基于PAM-STAMP 2G有限元軟件，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝過(guò)程，對(duì)鋁合金汽車覆蓋件沖壓成形工序中的拉深進(jìn)行仿真分析，找出可能產(chǎn)生缺陷的原因，提出改進(jìn)解決方案，經(jīng)多次優(yōu)化后，有效解決了起皺和減薄量較大的問(wèn)題。

汽車覆蓋件應(yīng)滿足以下三點(diǎn)質(zhì)量要求：⑴具有較高的尺寸和形狀精度，以保證組裝時(shí)的準(zhǔn)確性、便于實(shí)現(xiàn)車身的組裝自動(dòng)化和無(wú)人化，也能夠確保車身外觀的一致和美觀，實(shí)現(xiàn)車身的造型風(fēng)格。⑵表面不允許有皺紋、凹痕、擦傷等，且曲線光滑呈流線型以適應(yīng)高速行駛的要求。⑶在成形過(guò)程中，材料要進(jìn)行足夠的塑性變形以保證成形零件具有足夠的剛度，在行駛過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，以保證車輛的舒適性。

汽車覆蓋件沖壓成形過(guò)程的主要缺陷有：拉裂、起皺、壓邊圈留下的滑移線、變薄等。這些缺陷是造成零件報(bào)廢、整車幾何尺寸不精確，即汽車制造質(zhì)量差的根本原因。采用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)用于產(chǎn)品生產(chǎn)的設(shè)計(jì)階段，預(yù)先在計(jì)算機(jī)上模擬可預(yù)測(cè)零件沖壓過(guò)程出現(xiàn)的缺陷并進(jìn)行改善，然后通過(guò)少量的試模得到可靠性的結(jié)論。其相比于傳統(tǒng)的“試錯(cuò)法”更節(jié)省人力物力，且周期短、易于控制。

有限元模型建立

在CATIA軟件中完成汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板的幾何建模，并修改處理成拉深工序件模型，包括沖壓方向、壓料面、工藝補(bǔ)充面等，數(shù)字模型用IGES格式導(dǎo)入PAM-STAMP 2G軟件中，利用軟件中的前處理工具對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立沖壓成形的有限元模型凹模。采用OFFSET方式形成凸模及壓邊圈的有限元模型。圖1為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板沖壓成形壓邊階段的三維有限元模型。圖2為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板沖壓成形拉深階段的有限元模型。

圖1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板壓邊有限元模型

圖2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板拉深有限元模型

材料參數(shù)和邊界條件

模擬材料選用厚度為1.2mm的6016鋁合金，其材料性能參數(shù)見(jiàn)表1。材料本構(gòu)模型采用Hill48屈服準(zhǔn)則的正交各向異性材料模型。工具和板料采用BT殼單元進(jìn)行幾何離散，網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)劃分，同時(shí)假定凸模、凹模、壓邊圈為剛體，板料采用等向指數(shù)強(qiáng)化模型。

板料自適應(yīng)網(wǎng)格為4級(jí)，坯料初始網(wǎng)格總數(shù)為7738個(gè)，剛體部分采用PAM-STAMP 2G的自動(dòng)劃分網(wǎng)格，壓邊圈共有網(wǎng)格13097個(gè)，凹模共有網(wǎng)格33415個(gè)，凸模共有網(wǎng)格20320個(gè)。

在壓邊階段的壓邊速度為3m/s，板料與凹模、板料與壓邊圈的摩擦系數(shù)均為0.12，模具間隙為1.3mm。沖壓進(jìn)程凸模的運(yùn)動(dòng)速度為0.5m/s，板料與模具的摩擦系數(shù)為0.12，模具間隙為1.3mm。

在保持其他成形參數(shù)不變的情況下，對(duì)此材料設(shè)定了多種不同的壓邊力進(jìn)行模擬，以確定合適的壓邊力。

模擬結(jié)果及分析

圖3至圖8為壓邊力為2000kN、5000kN、10000 kN時(shí)板料沖壓成形過(guò)程中變薄和成形的情況。

表1 材料性能參數(shù)

圖3顯示板料的最大減薄為37%，最大增厚為3%；從圖4中可以看出板料存在明顯的起皺現(xiàn)象，說(shuō)明板料局部拉深不充分，應(yīng)加大壓邊力。

圖3 BHF=2000kN時(shí)板料的減薄云圖

圖4 BHF=2000kN時(shí)板料安全閾度云圖

為了改善板料在上述條件下出現(xiàn)的明顯缺陷，在后續(xù)仿真中通過(guò)加大壓邊力實(shí)現(xiàn)對(duì)板料流動(dòng)的控制。圖5顯示板料最大減薄量為40%，最大增厚為2%；從圖6中可以看出板料無(wú)破裂區(qū)、起皺區(qū)域。在圖7中顯示板料的最大減薄量為43%，最大增厚量為1%；圖8顯示板料成形性良好。

圖5 BHF=5000kN時(shí)板料的減薄云圖

圖6 BHF=5000kN時(shí)板料安全閾度云圖

圖7 BHF=10000kN時(shí)板料的減薄云圖

圖8 BHF=10000kN時(shí)板料安全閾度云圖

由圖7可知，10000kN的壓邊力過(guò)大，導(dǎo)致壓邊圈上的板料沒(méi)有向凹模內(nèi)流動(dòng)，減薄率很大；5000kN的壓邊力下板料成形后質(zhì)量較好，而當(dāng)壓邊力為2000kN時(shí)，板料成形后有部分區(qū)域出現(xiàn)了起皺現(xiàn)象。這說(shuō)明板料成形時(shí)壓邊力的大小對(duì)其成形質(zhì)量影響很大，針對(duì)壓邊力的優(yōu)化情況，選擇5000kN的壓邊力是比較合適的。

優(yōu)化拉延筋設(shè)計(jì)

通過(guò)上述討論進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，僅通過(guò)調(diào)整壓邊力的大小并不能完全改善板料成形缺陷，而為了改善在壓邊力為5000kN時(shí)沖壓成形出現(xiàn)的減薄量較大(40%)的問(wèn)題，采用調(diào)整拉延筋布置方案，重新分配拉延筋的方式來(lái)控制板料的流動(dòng)情況。選擇圓形虛擬拉延筋，具體形狀尺寸見(jiàn)圖9，其參數(shù)為：R1=6mm，R2=2mm，L2=15mm，D=6mm。

圖9 虛擬拉延筋尺寸參數(shù)

兩角處的減薄量較大是由于拉深較深，進(jìn)料困難，當(dāng)拉應(yīng)力過(guò)大時(shí)，便產(chǎn)生破裂。對(duì)于存在起皺的部位，應(yīng)該布置重筋，以增加進(jìn)料阻力；對(duì)于減薄率較大和拉裂的區(qū)域應(yīng)該去掉拉延筋，以減小阻力讓板料順利流入。通過(guò)多次調(diào)試, 將壓邊力適當(dāng)減小至2800kN，阻力也相應(yīng)減小，兩角處能夠有較多的進(jìn)料。改善后的板料減薄情況如圖10所示。

從圖10可以看出，其最大減薄量為31%，最大增厚量不到1%。這說(shuō)明在增加了拉延筋后，板料的流動(dòng)性得到了很大的改善，周邊起皺和減薄的情況得到了很好的控制。

圖10 優(yōu)化拉延筋后板料的減薄云圖

優(yōu)化拉延筋位置及沖壓參數(shù)后的板料成形狀況如圖11所示，成形極限圖FLD如圖12所示。

圖11 優(yōu)化拉延筋后板料安全閾度云圖

圖12 優(yōu)化拉延筋后板料成形極限FLD

在較復(fù)雜的沖壓零件拉深工序中通常出現(xiàn)破裂、起皺等缺陷?？梢栽诎寄５目诓吭O(shè)置不同的拉延筋。拉延筋的工藝參數(shù)對(duì)板料的成形質(zhì)量有著顯著的影響。在此例中拉延筋的設(shè)置經(jīng)多次優(yōu)化后，得到了合乎要求的沖壓成形結(jié)果。再將壓邊力調(diào)整為2800kN后，消除了起皺缺陷，減薄量也比之前5000kN得到改善。拉延筋外的壓邊部位起皺明顯，但在修邊工序中會(huì)將其切除，不會(huì)影響零件的成形效果。

結(jié)束語(yǔ)

沖壓CAE技術(shù)目前已廣泛的應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的沖壓工藝驗(yàn)證以及工裝開(kāi)發(fā)階段的沖壓工藝設(shè)計(jì)驗(yàn)證，本文利用專業(yè)的板材成形數(shù)值模擬軟件PAM-STAMP 2G的快速模面設(shè)計(jì)和虛擬成形過(guò)程功能，分析沖壓虛擬故障診斷可以很好的分析故障原因，并找到更簡(jiǎn)單、更有效的解決方案。

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板成形工藝模擬其實(shí)際工作狀態(tài)，通過(guò)采取不同的壓邊力，最后確定了合理的工藝參數(shù)。通過(guò)模擬仿真發(fā)現(xiàn)，在壓邊力為5000kN時(shí)該工件的成形質(zhì)量比較好，但減薄量到40%，說(shuō)明僅僅靠改變壓邊力大小不能完全解決覆蓋件成形時(shí)的質(zhì)量缺陷。

在此基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整拉延筋的形狀及其分布的設(shè)計(jì)，對(duì)于存在起皺的部位，布置重筋，以增加進(jìn)料阻力；對(duì)于減薄率較大和拉裂的區(qū)域去掉拉延筋，以減小阻力讓板料順利流入。經(jīng)過(guò)多次調(diào)試最終確定壓邊力大小為2800kN，拉延筋選取圓形，其參數(shù)為：R1=6mm，R2=2mm，L2=15mm，D=6mm。此時(shí)板料的減薄量為31%，得到了很大改善。

夏明勇，碩士研究生，主要從事汽車用鋁合金板材開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究。