基于DynaForm的高強鋼液壓拉深成形數值模擬研究

陳明

(東風柳州汽車有限公司，廣西柳州 545000)

0 引言

板材沖壓成形是一項十分重要的制造技術，廣泛運用于汽車、電器、航空和國防工業等行業中，通常是在室溫下進行，也稱冷沖壓[2]。但傳統的冷沖壓成形性能不佳，容易產生變薄、拉裂、起皺、回彈、尺寸精度誤差太大等問題，并且材料的強度越高，成形越困難，進而推動了許多如液壓成形等先進的成形工藝的發展[3]。液壓成形屬于一種柔性成形技術，是指采用液態的水、油或黏性物質作為傳力介質，代替剛性的凹模或凸模，使坯料在傳力介質的壓力作用下貼合凸模或凹模而成形。板料液壓成形主要分為主動式和被動式兩大類。主動式液壓成形是指液體代替凸模(見圖1)，被動式液壓成形是指液體代替凹模[4](見圖2)。被動式在成形過程中需控制的參數有壓邊力、液體壓力和凸模行程，而主動式則只需控制液體壓力和壓邊力。雖然主動式液壓成形控制參數少，但在成形時不太容易控制材料的流動，且板材變薄量較大。因此液壓成形較為常見的形式是被動式液壓成形[5]。近年來，由于結構一體化、精密化、輕量化及復合成形技術的發展，板料液壓成形技術逐漸受到國內外專家的重視，并被越來越多地應用于汽車、電器、航空和國防工業等領域中[6]，尤其針對于一些小批量、多品種、試制零件的沖壓成形以及復雜結構的板料成形[7]。

圖1 液體代替凸模(主動式)

圖2 液體代替凹模(被動式)

1 有限元模型建立

本文作者將采用DynaForm有限元軟件對零件液壓成形進行數值仿真分析，DynaForm可以預測成形過程中板料的減薄、開裂、起皺、應力、回彈情況等，可準確評估板料的成形性能，從而為板料成形工藝及模具設計提供有效的指導作用[8]。

1.1 材料參數

材料為寶鋼生產的冷軋雙相鋼DP780，其化學成分及力學性能見表1—表2[9]。板料厚度為1.6 mm，邊長為410 mm×410 mm。DP780的力學性能曲線如圖3所示。

表1 DP780高強鋼化學成分(質量分數/%)

表2 DP780高強鋼力學性能

圖3 DP780應力應變曲線圖

1.2 有限元模型

以某車型中的一個零部件為研究對象，如圖4所示。根據零件模型，利用UG軟件進行工藝面建模，在工程中該零件需進行拉延工序后翻孔，文中僅對拉延工序進行分析。由于該零件材料強度高，拉延深度大，在冷沖壓過程中經常出現開裂現象，因此文中采用數值模擬軟件DynaForm僅對板材拉延過程進行液壓成形分析，有限元模型見圖5。板材選用Belytschko-Tsay殼單元，網格單元尺寸為5 mm×5 mm，模具設置成剛體，網格大小為30 mm×30 mm，凹模和壓邊圈設為1.1倍板材壁厚。拉深成形中各接觸面假設為庫侖摩擦，冷沖壓時摩擦因數均為0.125，而液壓成形時板材和凸模之間的摩擦因數為0.125，板材和凹模、壓邊圈之間的摩擦因數為0.04，采用被動式液壓成形[10]。

圖4 零件截圖

圖5 工具體有限元模型

2 仿真結果分析對比

2.1 不同成形方式對結果的影響

圖6、圖7分別為采用冷沖壓及液壓成形工藝分析后的減薄率及最大主應力云圖，壓邊力均設為60 T，其中液壓成形的液壓力設為15 MPa。可知，兩種工藝均在零件頂部圓角處發生較大減薄。如圖6所示，在壓邊力相同的情況下，采用冷沖壓時減薄率最大達到29.076%，采用液壓成形時減薄率最大達到18.544%，兩者最大減薄率相差10%以上。對于高強鋼材料沖壓成形，減薄率達到20%以上即可認為發生了開裂。由此可見，采用液壓成形工藝對高強鋼成形性有明顯提升。

圖6 減薄率云圖

圖7 最大主應力云圖

2.2 壓邊力大小對成形結果影響

在板材成形過程中，壓邊力大小是影響成形結果的重要因素之一。壓邊力過大會使法蘭邊部分的材料無法流動，容易導致零件減薄開裂；壓邊力過小會使法蘭邊材料起皺，導致零件成形不充分或者因起皺引起的摩擦過大使零件開裂。圖8、圖9分別為兩種成形工藝下壓邊力與最大減薄率及最大主應力的關系。

圖8 不同成形工藝下壓邊力與最大減薄率關系

圖9 不同成形工藝下壓邊力與最大主應力關系

由圖8可以看出，壓邊力越大，減薄率也越大，符合一般規律；且壓邊力的改變對液壓成形的結果影響較小，減薄率均在19%以下，而冷沖壓工藝下的最大減薄率對壓邊力的變化更加敏感，最大減薄率隨壓邊力的增大顯著增大。由圖9可以看出，壓邊力越大，最大主應力也越大，采用液壓成形時零件的最大主應力明顯大于冷沖壓，并且受壓邊力影響較小；而冷沖壓下最大主應力隨壓邊力增大明顯。

2.3 液壓力大小對成形結果的影響

對于液壓成形，液壓力是除了壓邊力以外另一個主要的影響因素。液壓力越大，板材變形受到的應力也越大，并且在假定摩擦力不變的前提下，壓力越大導致凸模與板材之間的摩擦力也越大[11]，因此材料減薄率會隨液壓力增大而增大，圖10、圖11所示是壓邊力為30 T時不同液壓力下繪制的曲線圖。可知液壓力較小時，最大減薄率及最大主應力受液壓力的影響變化較大，隨著液壓力的增大逐漸趨于平緩。

圖10 液壓成形下液壓力與最大減薄率關系(30 T)

圖11 液壓成形下液壓力與最大主應力關系(30 T)

3 結論

經過分析對比可得，高強鋼在液壓成形工藝下的成形性明顯優于傳統冷沖壓。液壓成形時材料的最大減薄率與最大主應力受壓邊力的影響較小，隨壓邊力的增大緩慢增大；而冷沖壓過程中，材料的最大減薄率與最大主應力隨壓邊力的增大而顯著增大。液壓力較小時，最大減薄率及最大主應力受液壓力的影響變化較大，之后隨著液壓力增大變化趨勢逐漸趨于平緩。在進行液壓成形時，應合理選擇壓邊力及液壓力，防止成形件因過度減薄而發生開裂。