汽車行李箱后蓋拉延成型的數值模擬分析研究

王春偉，方逸塵，李鳳仙

（1.廣西大學資源環境與材料學院，廣西 南寧 540004；2.昆明理工大學，云南 昆明 650093）

0 引言

在沖壓件的成型加工中，汽車行李箱后蓋結構復雜，變形抗力不均勻，沖壓質量難以保證。檢測表明，沖壓件起皺、破裂經常發生。過去在汽車行李箱后蓋的生產過程中，設計制造模具，確定毛坯結構尺寸，確定沖壓工藝文件。首先設計加工出樣板。反復進行調試加工，確保質量保證才能成型。這個過程需要投入大量的人財物，耗時耗材很大。所以，如果能在進行汽車行李箱后蓋的沖壓工藝及模具設計過程中，根據汽車行李箱后蓋的特點，模擬其成型過程的規律，找出成型缺陷的成因，采取對應得措施，就能達到提高模具設計能力，減少沖壓零件質量問題，減少成本支出的目的[1]。有限元數值模擬技術是實現這個目標的有效手段，所以本文采用數值模擬理論，研究汽車制行李箱后蓋的成型過程，對其原拉延工藝進行模擬分析，對其工藝優化進行了研究，達到了預期目的。

1 汽車行李箱后蓋的有限元模型的建立

行李箱后蓋是一類成形難度很高的曲面薄板沖壓件，該零件形狀復雜，成形深度大，具有脹形和拉深復合變形的特點。行李箱后蓋成形時，凸模頂部以脹形變形為主，而凹模邊緣主要是拉深變形。為防止懸空區成形中起皺，需要在壓邊圈上合理的設置拉延筋和施加壓邊力，這樣就可有效地控制毛坯變形。同時，要求外表面不允許有滾線、沖擊線等，這些使工藝設計成為決定其沖壓成敗的關鍵[2]。

（1）幾何模型

行李箱后蓋拉延件的幾何模型如圖1所示，該拉延件由工藝師采用CAD造型軟件UG NX手工完成拉延模具型面的幾何設計，并以通用的IGS格式文件輸出。

圖1 行李箱后蓋的幾何模型

（2）確定材料模型及單元模型

根據毛坯的結構形狀，零件的成型過程，行李箱后蓋拉延件的數值模擬選擇材料模型為第36號即3參數BARLAT[3].原因是此模型對成型過程的分析過程中，影響因素有：材料的厚向異性影響屈服面，各向異性影響拉深成形。所以采用該模型進行汽車行李箱后蓋拉深成形過程的模擬，比較準確。為了提高計算速度，提高計算準確性，采用Belytschko-Tsay行李箱后蓋殼單元開始數值模擬。選擇好單元模型，有利于提高計算速度，提高計算準確性。

（3）工藝模型

由于板料在曲面壓邊圈上受自身重力作用而發生初始變形。模擬分析采用單動拉延方式，即先由上壓邊圈以5 m/s速度下行至板料處，與下凹模一起壓住板料，完成壓邊圈閉合；然后隨凹模以3 m/s的速度下行開始拉延直到與凸模閉合為止。

（4）初始設計

對凸凹模、壓邊圈、板坯模型進行離散化。圖2為原工藝方案預成形的有限元分析模型，其成形過程的拉延模具有限元網格模型，從上至下依次為凸模、上壓邊圈、板料、下壓邊圈和凹模，并在上壓邊圈設置等效拉延筋，其中單元和節點數見表1.沖壓材料為0.8 mm厚的AL6111-T4P，材料性能參數見表2.模型中選擇冪指數硬化公式σ=Kεn；選擇Hill厚向異性屈服準則作為有限元屈服準則，因為Hill厚向異性屈服準則計算速度快。工具與板料之間使用拉延油潤滑，摩擦系數為0.125.模具各部件間與板料的摩擦系數選擇0.15.板料成型模擬沖壓速度選擇v=3000 mm/s.凸模與凹模的間隙選擇C=1.1 t（t為板料厚度）。根據經驗取原拉延工藝預成形壓邊力為200 kN，建立汽車行李箱后蓋拉延工藝方案[4]。

圖2 原工藝方案預成形的有限元分析模型

表1 成形拉深時單元和節點數

表2 材料性能參數表

2 行李箱后蓋的數值模擬結果分析與改進

2.1 行李箱后蓋的模擬結果分析

行李箱后蓋的數值模擬結果如圖3所示。由模擬結果可以看出，汽車行李箱后蓋原拉延工藝的紅色區域已經出現明顯的開裂，法蘭部分也出現了嚴重的起皺現象。

圖3 行李箱后蓋的數值模擬結果分析

由于汽車行李箱后蓋的成形需經拉延、翻邊、沖孔等多道工序，而翻邊工序可以對法蘭部分的起皺現象進行調整和改善，因此，為了提高成型質量，必須避免拉裂的形成。汽車行李箱后蓋的成形拉裂的原因如下：

（1）行李箱后蓋的成型過程包括壓延、反向拉延和脹形。這幾種變形量大，變形力達到或者超過材料的屈服強度，形成拉裂。

（2）行李箱后蓋的成型過程中，存在變形不均勻的現象。有的部分變形量大，另一部分變形量小。這種不均勻現象導致板料缺陷的形成，拉裂[5]。

2.2 行李箱后蓋的模擬結果改進

通過上面的研究，采用以下方法改善預成形工藝[4]：

（1）為了降低拉延成形時的變形量，毛坯的預成形模型選擇彎曲形狀而不是平板。

（2）毛坯在成型前，要減小壓邊圈與凸模、凹模、坯料之間的摩擦力，來改變變形的趨向，使周圍的材料向變形區流動。由于摩擦力太大，外部的材料在成形時向變形區流得過少，就會得不到及時有效的材料補充，從而使零件報廢。

（3）采用半圓形形狀的拉延筋。因為半圓形拉延筋提高凸模圓角側壁的變形均勻性。如果采用四方形結構的拉延筋會降低凸模圓角側壁的變形均勻性。降低成型質量。

在Dynaform的后處理程序中可以得出沖壓模擬后板料的成形結果圖、極限圖、厚度分布圖、應力分布圖。如圖 4（a）、（b）、（c）、（d）所示[5]：

圖4 改進工藝后行李箱后蓋的數值模擬結果分析

上面圖4中（b）模擬了板料總體的變形過程。安全區處于居中位置，皺趨區處于邊緣位置。由圖4中（c）得到：板料厚度最小為0.829 032 mm，減少了0.170 968 mm（1-0.829 032=0.170 968 mm），變薄了17.097%（0.170 968÷1.0×100%=17.097%）。板料厚度最大為1.173 571 mm，提高了0.173 571 mm（1.173 571-1.0=0.173 571 mm）；變厚了 17.357%（0.173 571÷1.0×100%=17.357 1%），超過1%，超出了尺寸的范圍。不過，因為板料厚度最大位置分布在邊緣切除區，切除后得到合格的沖壓件。

3 結束語

本文研究了常規形狀零件的拉延和脹形的變形特點；選擇汽車行李箱后蓋為研究對象，研究了汽車行李箱后蓋沖壓過程中的變形規律，分析了各個單元的變形過程；分析了變形過程中可能產生的缺陷，并對預成形工藝提出改進措施，對提高拉延質量有重要意義。