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，結合實際生產工藝過程，對鋁合金汽車覆蓋件沖壓成形工序中的拉深進行仿真分析，找出可能產生缺陷的原因，提出改進解決方案，經多次優化后，有效解決了起皺和減薄量較大的問題。

汽車覆蓋件應滿足以下三點質量要求：⑴具有較高的尺寸和形狀精度，以保證組裝時的準確性、便于實現車身的組裝自動化和無人化，也能夠確保車身外觀的一致和美觀，實現車身的造型風格。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高速行駛的要求。⑶在成形過程中，材料要進行足夠的塑性變形以保證成形零件具有足夠的剛度，在行駛過程中不會產生較大的噪聲，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廢、整車幾何尺寸不精確，即汽車制造質量差的根本原因。采用計算機輔助工程(CAE)用于產品生產的設計階段，預先在計算機上模擬可預測零件沖壓過程出現的缺陷并進行改善，然后通過少量的試模得到可靠性的結論。其相比于傳統的“試錯法”更節省人力物力，且周期短、易于控制。

有限元模型建立

在CATIA軟件中完成汽車發動機蓋外板的幾何建模，并修改處理成拉深工序件模型，包括沖壓方向、壓料面、工藝補充面等，數字模型用IGES格式導入PAM-STAMP 2G軟件中，利用軟件中的前處理工具對幾何模型進行網格劃分，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為汽車發動機蓋外板沖壓成形壓邊階段的三維有限元模型。圖2為汽車發動機蓋外板沖壓成形拉深階段的有限元模型。

圖1 汽車發動機蓋外板壓邊有限元模型

圖2 汽車發動機蓋外板拉深有限元模型

材料參數和邊界條件

模擬材料選用厚度為1.2mm的6016鋁合金，其材料性能參數見表1。材料本構模型采用Hill48屈服準則的正交各向異性材料模型。工具和板料采用BT殼單元進行幾何離散，網格進行自適應劃分，同時假定凸模、凹模、壓邊圈為剛體，板料采用等向指數強化模型。

板料自適應網格為4級，坯料初始網格總數為7738個，剛體部分采用PAM-STAMP 2G的自動劃分網格，壓邊圈共有網格13097個，凹模共有網格33415個，凸模共有網格20320個。

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均為0.12，模具間隙為1.3mm。沖壓進程凸模的運動速度為0.5m/s，板料與模具的摩擦系數為0.12，模具間隙為1.3mm。

在保持其他成形參數不變的情況下，對此材料設定了多種不同的壓邊力進行模擬，以確定合適的壓邊力。

模擬結果及分析

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

表1 材料性能參數

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象，說明板料局部拉深不充分，應加大壓邊力。

圖3 BHF=2000kN時板料的減薄云圖

圖4 BHF=2000kN時板料安全閾度云圖

為了改善板料在上述條件下出現的明顯缺陷，在后續仿真中通過加大壓邊力實現對板料流動的控制。圖5顯示板料最大減薄量為40%，最大增厚為2%；從圖6中可以看出板料無破裂區、起皺區域。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時板料的減薄云圖

圖6 BHF=5000kN時板料安全閾度云圖

圖7 BHF=10000kN時板料的減薄云圖

圖8 BHF=10000kN時板料安全閾度云圖

由圖7可知，10000kN的壓邊力過大，導致壓邊圈上的板料沒有向凹模內流動，減薄率很大；5000kN的壓邊力下板料成形后質量較好，而當壓邊力為2000kN時，板料成形后有部分區域出現了起皺現象。這說明板料成形時壓邊力的大小對其成形質量影響很大，針對壓邊力的優化情況，選擇5000kN的壓邊力是比較合適的。

優化拉延筋設計

通過上述討論進一步發現，僅通過調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時沖壓成形出現的減薄量較大(40%)的問題，采用調整拉延筋布置方案，重新分配拉延筋的方式來控制板料的流動情況。選擇圓形虛擬拉延筋，具體形狀尺寸見圖9，其參數為：R1=6mm，R2=2mm，L2=15mm，D=6mm。

圖9 虛擬拉延筋尺寸參數

兩角處的減薄量較大是由于拉深較深，進料困難，當拉應力過大時，便產生破裂。對于存在起皺的部位，應該布置重筋，以增加進料阻力；對于減薄率較大和拉裂的區域應該去掉拉延筋，以減小阻力讓板料順利流入。通過多次調試, 將壓邊力適當減小至2800kN，阻力也相應減小，兩角處能夠有較多的進料。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%。這說明在增加了拉延筋后，板料的流動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 優化拉延筋后板料的減薄云圖

優化拉延筋位置及沖壓參數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 優化拉延筋后板料安全閾度云圖

圖12 優化拉延筋后板料成形極限FLD

在較復雜的沖壓零件拉深工序中通常出現破裂、起皺等缺陷。可以在凹模的口部設置不同的拉延筋。拉延筋的工藝參數對板料的成形質量有著顯著的影響。在此例中拉延筋的設置經多次優化后，得到了合乎要求的沖壓成形結果。再將壓邊力調整為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，但在修邊工序中會將其切除，不會影響零件的成形效果。

結束語

沖壓CAE技術目前已廣泛的應用于產品設計階段的沖壓工藝驗證以及工裝開發階段的沖壓工藝設計驗證，本文利用專業的板材成形數值模擬軟件PAM-STAMP 2G的快速模面設計和虛擬成形過程功能，分析沖壓虛擬故障診斷可以很好的分析故障原因，并找到更簡單、更有效的解決方案。

針對發動機蓋外板成形工藝模擬其實際工作狀態，通過采取不同的壓邊力，最后確定了合理的工藝參數。通過模擬仿真發現，在壓邊力為5000kN時該工件的成形質量比較好，但減薄量到40%，說明僅僅靠改變壓邊力大小不能完全解決覆蓋件成形時的質量缺陷。

在此基礎上，通過調整拉延筋的形狀及其分布的設計，對于存在起皺的部位，布置重筋，以增加進料阻力；對于減薄率較大和拉裂的區域去掉拉延筋，以減小阻力讓板料順利流入。經過多次調試最終確定壓邊力大小為2800kN，拉延筋選取圓形，其參數為：R1=6mm，R2=2mm，L2=15mm，D=6mm。此時板料的減薄量為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發及應用研究。