鋁合金車門內板成形工藝數值模擬及模具設計

劉曉晶 陳曉桐 張曉華 陳龍 趙宇桐

摘 要：在沖壓拉延過程中為了減少汽車覆蓋件產生起皺和破裂等缺陷，針對材料為AA6009鋁合金的車門內板，運用有限元軟件DYNAFORM進行拉深成形數值模擬和工藝優化。采用設置板料壓邊力，摩擦系數以及拉延筋的方法，以內板的成形極限圖（FLD）和壁厚分布圖為衡量標準，對成形缺陷產生的原因進行預測和優化，得到最佳加載方式。然后運用三維造型軟件UG進行了汽車內板的凸、凹模和壓邊圈的設計并進行了模具零部件的設計，完成了模具裝配與校核。結果表明，在凹模上設置拉延筋并且設置合理的壓邊力和摩擦系數，可以有效地提高工件的成形質量，防止起皺和破裂的產生，最后運用UG進行三維零件的繪制與裝配，減少了模具研發的時間與試模周期。

關鍵詞：汽車覆蓋件；數值模擬；汽車門內板；有限元

DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.022

中圖分類號： TG394

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）04-0118-04

Abstract：In the drawing process in order to reduce automobile wrinkling and rupture defect， In view of the material for the AA6009 aluminum alloy door inner plate， using the finite element software DYNAFORM to carry on the drawing forming numerical simulation and the craft optimization. By setting the sheet blank holder force， drawbead and friction coefficient method， the forming limit diagram （FLD） and the wall thickness distribution of the plate are measured as the standard.， prediction and optimization of the cause of forming defects， get the best loading. Then use the threedimensional modeling software UG to carry on the automobile interior board convex， concave die and the blank holder design and carried on the mold component design， completed the mold assembly and the check.. The result show that set draw bead on die and effective binder force and proper coefficient of friction may reduce the tendency of wrinkling and improve the quality of stamping product. Finally， the use of UG for threedimensional parts of the drawing and assembly， reduce the time of mold development and test mode cycle.

Keywords：automobile panel； numerical simulation； automobile door inner panel； finite element

0 引 言

鋁合金汽車覆蓋件能夠滿足汽車輕量化的特殊要求，能滿足沖壓件的強度要求，減輕對原材料的消耗及零件的重量，近年來已經成為許多人研究的熱點[1-2]。板料成形是一個非常復雜的過程，很多因素都影響著成形的結果。但由于鋁合金成形性差，汽車覆蓋件尺寸較大，壁厚分布不均勻，曲面多且形狀復雜，在普通的傳統拉深工藝中很難一次成形[3-4]。如果只依靠在生產中發現問題并進行調試的話，生產周期將會大大拉長[5-6]。而在模具制造之前對板料的成形進行計算機數值模擬，并依據模擬的結果來設計、制造模具，這將會縮短模具的調試時間從而達到短周期、高質量的設計目的[7-8]。

本文利用有限元模擬軟件DYNAFORM對車門內板做數值模擬分析[9-12]，對起皺、破裂等成形缺陷發生原因和如何預防進行具體闡述[13-16]。以車門內板為實例，通過對比成形極限圖以及壁厚減薄率，對不同壓邊力，不同拉延筋以及不同摩擦系數下板料沖壓成形有限元模擬進行了實例分析，對沖壓成形質量進行了比較[17-20]。

1 車門內板有限元模型

研究對象為車門內板，采用的材料是鋁合金AA6009。材料力學性能見表1。鋁合金AA6009具有密度小、彈性好、比強度和比剛度較高、抗沖擊性能好等優點，適用應用于汽車覆蓋件。

通過三維軟件UG建立車門內板模型，并將其以*igs格式導入到數值模擬軟件DYNAFORM中并進行網格劃分，之后對零件提取中性層后，將提取中性層后的零件的法蘭邊展開，并進行網格劃分，補全孔洞。其網格模型如圖1所示。本文采用雙動拉深成形，BT殼單元，板坯厚度1.5mm，模具行程280mm。圖2為自動對模后的有限元模型。

2 缺陷分析

板材變形在外力作用下開始，當承載面積的減少不能和應變強化量抵消時，則處在危險變形狀態。首先變形的是承載力弱的部位，然后從凸臺拐角處斷裂。

金屬薄板成形中，模具在對板施加外力的作用下，導致板材的塑性變形，由于受力復雜，應力應變變化復雜，在成形過程中，板厚方向極不穩定，所以容易產生起皺。

根據公式計算出的壓邊力接近100kN，對壓邊力理論計算結果100kN，摩擦系數選用默認值0.125進行模擬，結果如圖3所示。

由圖3可以看出，車內板在拉延過程中由于壓邊力過小造成了側壁起皺以及摩擦系數過大造成凸臺拉裂現象，繼續拉延使零件的破裂趨勢增大。如圖3紅色破裂區。對付拉裂和起皺的措施是改變壓料阻力水平，產生均勻脹形。因此，在其他條件不變的情況下，增大壓邊力和減小摩擦系數進行模擬，采用正交方法設置參數，結果如表2所示。

通過表2對比可以看出，壓邊力為200kN，摩擦系數為0.1的第2組相對其他組壁厚減薄率最小，達到44.4%，由圖4可以看出，第2組模擬的成形結果較好，沒有出現破裂的現象，褶皺的趨勢變小，從第1組的成形極限圖可以看出，兩個角凸臺部分有起皺，由于板料尺寸大，法蘭部分寬，受到的切向力大，所以兩個角凸臺部分抗起皺能力差，得不到良好的塑性變形，剛度小，嚴重影響了車門質量；第9組的模擬結果可以看出，當壓邊力達到250kN，摩擦系數0.15時，由于壓邊力和摩擦系數過大，由于在拉深時板料無法配合沖壓進給，拐角處變形大，使凸臺圓角處出現拉裂。

3 拉延筋對成形的影響

在未設置拉延筋時板料成形結果如圖5（a）所示。

選擇汽車車門內板的拉深筋為多截半圓的等效拉深筋，深5mm。車門內板車窗部分的內凹成形區在沖壓時形變很大，為了促進板料流動，需降低拉深筋阻力的車窗部分，所以設置單通道拉延筋。車門內板模擬結果如圖5（b）所示。

由圖5（a）可以看出，只靠壓邊力在成形時局部也會產生起皺現象同時未變形區域也明顯增大，并且在一些地方出現了裂痕，因此只依靠壓邊力無法完全保證成形質量；圖5（b）通過調整拉延筋，可以改變部分進料阻力在板料拉延成形過程中，變形區的應力及其分布可調；還可以增加板料流動穩定性得到均勻變形的件。加入拉延筋可以補充壓邊力不夠，增大進料阻力，從而避免產生由于缺乏壓邊力造成表面畸變和起皺等成形缺陷，同時提高零件的剛度。

4 車門內板拉深模設計

應用UG模具工程和模具設計兩個模塊進行了車門覆蓋件模具的三維設計。模具工程模塊將專家的設計和工藝經驗融入到模塊中，以指導設計過程中的向導一步一步完成模具設計的過程。模具設計模塊提供了一套專用工具來創建沖壓模具零件，例如凸模、凹模和壓料圈等。圖6（a）為凸模，圖6（b）為凹模，圖6（c）為壓料圈，圖6（d）為拉深模。

5 結 論

1）壓邊力和摩擦系數對成形質量有直接的影響，當壓邊力較大，在形成起皺的趨勢并不明顯，但開裂的趨勢更為明顯，當壓邊力在較小的拉深成形過程中，這種趨勢更加明顯，但開裂趨勢不明顯；當摩擦系數過大，所提供的摩擦力大，進料阻力越大，越容易產生破裂現象，摩擦系數過小，所提供的摩擦力小，進料阻力過小，容易產生褶皺現象。

2）輔助拉延筋是在對進料阻力的有效調節方法。通過調整拉延筋，可以改變部分進料阻力。在板料拉延成形過程中，這種變形區的應力及其分布可調；還可以增加板料流動穩定性得到均勻變形的件。合理選擇機床噸位和拉延筋的阻力系數，從而使缺陷大大降低，使板料的利用率上升。

3）通過對汽車內板進行數值模擬，在實際生產過程之前減少模具研發時間與試模周期，減少成本，提高效率。

4）通過汽車車門內板拉深模結構的特點以及UG良好的功能，通過車門內板的模具結構進行模板式設計過程，以此來證明模板化的設計過程不但可以實行，而且與數值模擬技術互相輔助，為其他工件的模具生產做鋪墊。

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（編輯：關 毅）