基于Dynaform的汽車零件沖壓成形模擬的研究*

母德強，陳 思

(長春工業大學 機電工程學院，吉林 長春 130012)

1 引言

隨著計算機的應用和發展以及有限元法的成熟，板料成形數值模擬已在汽車工業中占有舉足輕重的作用。Dynaform軟件是美國ETA公司與LSTC公司共同推出的針對板料成形數值模擬的專業軟件，是目前在航空航天、石油化工、汽車和日用五金等領域應用最為廣泛的CAE軟件之一。它可以預測板料成形過程中的破裂、起皺、減薄和回彈，從而評估板料的成形質量，為板料成形工藝及模具設計提供幫助［1］。本文利用Dynaform軟件，對某汽車沖壓件進行了模擬和分析，針對沖壓后零件質量缺陷問題，進行修改及重分析，取得了較好的效果。圖1為有限元模擬板料成形流程圖。

圖1 有限元模擬板料成形流程圖

2 數值模擬分析步驟［2］

2.1 零件模型的導入與網格的劃分

在Pro/E軟件中對零件進行三維模型的建立，導入到Dynaform軟件中。在板料成形模擬過程中，網格的劃分尤其重要。理論上，網格劃分得越細，越能得到準確的計算結果，得到的仿真結果也越趨于真實。但是，細分網格帶來的弊端是計算時間較長，使得整體模擬周期變長，在一定程度上違背了有限元模擬的初衷。所以，適當的網格劃分，不但能提高仿真計算效率，而且可以較準確的計算出結果。

2.2 確定沖壓方向

在進行沖壓成形時，首先必須確定沖壓方向。合理的沖壓方向可以提高成形后零件的質量，并且對工藝補充面及上下模的建立有所幫助。圖2為零件的沖壓方向。

圖2 零件沖壓方向示意圖

2.3 創建壓料面與工藝補充面［3］

在保證成形質量的前提下，為了減少仿真計算時間，提高據算精度，根據零件毛坯的大小，選擇適當的壓料面大小。在保證沖壓成形質量的前提下，工藝補充面的面積應盡量的小，以達到較好的經濟效益。同時也可以加快仿真計算速度，提高計算精度。圖3為創建好的工藝補充面。

圖3 壓料面與工藝補充面

2.4 參數的確定

2.4.1 材料性能參數的選取

本次實驗采用的是厚度為1 mm，類型為36的低碳鋼“DQSK”，具體的性能參數見表1。在Dynaform軟件中輸入以上性能參數。

表1 材料性能參數

2.4.2 壓邊力的計算與確定

在計算壓邊圈壓力時，可以按照下式計算:

式中:FQ為壓邊力，N;A為壓邊圈下毛坯的投影面積，mm2;q為單位壓邊力，MPa。可按表2進行選用。

表2 單位壓邊力

經過計算，取壓邊力FQ=334 269 N。

2.4.3 凹模運動速度

適當的提高凹模的虛擬模擬運動速度，不但可以提高運算效率，而且能夠保證計算精度［4］。所以，根據實驗計算機的配置，故取凸模的虛擬運動速度為8 000 mm/s。

2.5 任務的提交與運算

完成前處理過程后，就可以交由Dynaform軟件中的LS-DYNA求解器進行求解。在成形的模擬計算中，拉延類型為單動(Single action)。零件模具的有限元模型如圖4所示。

圖4 零件模具的有限元模型

3 模擬結果分析

經過求解器計算完成后，可以對零件進行質量分析。圖5為零件的極限成形圖(FLD)。

圖5 零件成形極限圖(FLD圖)

從圖中可以看到，在零件的凸緣部分出現了起皺、延伸不足甚至是裂紋，影響了零件的成形質量，在實際生產實踐中是不允許的。出現起皺主要原因是在拉深過程中，坯料在切向壓應力和徑向拉應力的共同作用下，被凹模壓入到凸模中，在零件凸緣部分受切向應力過大，產生了失穩起皺。引起裂紋的因素很多，除了與徑向拉應力有關，壓料引起的摩擦阻力、坯料在凸模圓角表面滑動所產生的摩擦阻力和彎曲變形所形成的阻力都能形成裂紋［5］。根據此零件具體情況，可能是由于徑向拉應力超過材料的抗拉強度所致。圖6為拉深厚度分布圖。如圖所示，到拉深過程結束時，最薄處達到0.398 mm。最厚處達到1.059 mm。最大減薄率為60%，最大增厚率為5.9%。

圖6 拉深厚度分布圖

4 工藝優化及結果分析

對仿真結果出現的缺陷進行修正。針對零件兩端出現的裂紋及形成原因，對工藝補充面進行調整，采用具有圓滑特點的工藝補充面的設計思想，主要是增加主截面線與工件間過渡圓的半徑。對于零件兩側出現的起皺部分和延伸不充分部分，可以適當增加拉延筋，以增大坯料流動的阻力，使延伸更充分。另外對板料進行優化，板料沖壓成形后多余部分過大，造成了嚴重的褶皺現象，減小板料面積，達到削減實際生產成本的目的。

4.1 優化工藝補充面中主截面線

主截面線與工件過渡圓的半徑值過小，導致了圖5中成形零件工藝補充面兩端拉裂現象的出現，主要是因為材料在經過此圓角時，不僅要克服因為發生彎曲變形而產生的彎曲阻力，還要克服因相對流動而引起的摩擦阻力，所以對其圓角值適當增大，可以有效避免拉裂現象的發生。同時適當增大主截面線與工件之間的距離，主要目的是防止拉裂現象出現的同時，也為后續剪裁工序提供方便。盡量減少凹模的深度，目的在于可減少徑向拉應力作用的時間，從而減少了零件兩端出現裂紋的可能性。而且也可以減少板料的面積，節約成本。

4.2 等效拉延筋的布置

4.2.1 均勻布置等效拉延筋［6］

針對成形零件有效區域拉延不充分和褶皺部分現象的出現，在凹模上工藝補充面周圍，均勻的布置了等效拉延筋。如圖7所示。但在進行仿真計算后發現，雖然零件的拉延不足和褶皺缺陷得到了很大改善，但成形后零件兩端重新出現了拉裂現象，說明在此區域中，板料流動的阻力過大，導致徑向拉應力過大，使材料出現拉裂。解決方法是去除此部分的拉延筋布置。而且因為褶皺和拉延不充分部分出現的位置不同，使用相同的拉延筋阻力系數也是不合適的。

圖7 均勻布置等效拉延筋

4.2.2 分段式等效拉延筋

圖8為布置的分段式等效拉延筋，經過仿真計算后的FLD圖觀察，成形零件在安全區域內，無延伸不足或褶皺現象的產生。同時為不同的拉延筋設置不同的阻力系數，拉延筋A阻力系數為25%，拉延筋B阻力系數為30%，拉延筋C阻力系數為50%，拉延筋D阻力系數為30%。

圖8 分段式等效拉延筋

從圖9中可以直觀的看見，成形后的零件在安全范圍內，沒有出現裂紋、褶皺和延伸不充分的區域。零件成形質量良好，說明經修正后的工藝成形方案是可行的。

圖9 工藝優化后的零件成形極限圖(FLD圖)

圖10是工藝優化后的拉深厚度分布圖。在圖中可以清晰的看到，在零件有效成形區域內，最薄處在0.80～0.83 mm范圍內，最大減薄率為20%。最厚處為1.01 mm，最大增厚率為1%。鑒于此零件為普通件，在減薄率和增厚率指標上無特殊要求，所以符合減薄率30%，增厚率1%的一般標準要求［7］。

圖10 工藝優化后的拉深厚度分布圖

5 結論

(1)提出了帶有圓滑特點的工藝補充面的設計思想，該設計思想可以有效改善板料在凹模內流動情況，避免拉裂等缺陷情況的發生。

(2)合理的拉延筋布置的形式和位置以及根據褶皺和拉延不充分部分的分布情況來設置不同的拉延筋阻力系數，對沖壓后零件成形質量有很大影響。

(3)運用Dynaform軟件，通過反復的修改、比較、重分析和仿真計算，找出合理工藝參數，可以預測成形后零件的質量。同時為模具制造提供幫助，減少生產成本，為實際生產提供了幫助和指導。

［1］ 韓玉強，李飛舟.基于Dynaform的轎車引擎蓋板沖壓成形仿真的研究［J］.熱加工工藝，2010(39):96-97.

［2］ 陳冀東，余世浩，王 寧.基于Dynaform的汽車覆蓋件拉延模具設計［J］.現代制造工程，2007(6):72-74.

［3］ 李世云，周 杰，蔣崢嶸，等.基于Dynaform汽車前縱梁延伸件的數值模擬及優化［J］.熱加工工藝，2011(40):96-97.

［4］ 張朝志.影響板料沖壓成形因素的有限元分析［J］.遼寧省交通高等專科學校學報，2005(1):45-46.

［5］ 康俊遠，姬裕江.冷沖壓工藝與模具設計［M］.北京:北京理工大學出版社，2011.

［6］ 李海波，韓利芬，劉靜玨.基于CAE的拉延筋布置對板料成形質量的影響研究［J］.塑性工程學報，2007(5):19-21.

［7］ 時豐兵，趙學智，夏琴香，等.數值模擬的雙層金屬板拉深成形工藝研究［J］.現代制造工程，2012(2):100-104.