鋁板動態摩擦沖壓成形仿真分析

鄭德兵，鮑 立

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

0 引言

汽車輕量化的需求使鋁板的應用與日俱增，鋁板的沖壓成形成為沖壓加工的重要研究方向，其模擬仿真技術對輔助沖模及沖壓加工工藝設計有重要的作用，可有效提高沖壓件的成形質量、縮短加工周期、降低加工成本[1,2]。

大型拉深模的沖壓過程包含板料的彈塑性變形、制件與模具零件的接觸碰撞與摩擦等，使沖模的設計計算較復雜[3]。隨著計算機技術和有限元理論方法的快速發展，有限元數值模擬計算成為研究金屬板材沖壓成形的重要方式[4]，在沖壓成形過程中，摩擦系數對板材沖壓成形過程中的受力狀態計算具有重要的影響，是影響沖壓成形缺陷的重要輸入參數[5]。目前，板材成形過程仿真中摩擦系數大多按常數處理，且多數采用庫倫摩擦定律仿真。在塑性成形中，正壓力一般大于制件材料的屈服應力，因此采用庫倫摩擦模型求得的摩擦應力偏高，大于制件剪切屈服應力，使庫倫摩擦模型的應用存在較大局限性。在某車型流水槽制件開發過程中，發現采用恒定摩擦系數分析時，仿真結果與實際制件不符，因此，考慮在成形仿真中采用動態摩擦系數，以提高其準確性[6,7]。

1 有限元模型

典型的沖壓成形系統由板料、壓邊圈、拉深筋、凸模和凹模組成。成形過程中模具的剛度大于板料的剛度，且主要研究板料在沖壓過程中的變形，故在數值模擬的接觸摩擦問題處理中，將模具（凸、凹模）看作剛體，而將板料看作變形體。在該系統各部件組成的接觸體系中，包括以下4個接觸對：①板料與凸模之間的接觸；②板料與凹模之間的接觸；③板料與拉深筋之間的接觸；④板料與壓邊圈之間的接觸。現研究板料與剛性凸模、凹模和拉深筋之間的接觸摩擦問題。

選取某量產車型的加強板為研究對象，此加強板材料牌號為GMW15192M-AL-S-5000-RSS-110-U鋁板，料厚為1.2 mm。沖壓有限元模面模型如圖1所示，由圖1可知，采用AutoForm R8軟件分別創建Coulomb恒定摩擦系數和TriboForm動態摩擦系數的成形CAE模型，對比研究恒定摩擦系數與動態摩擦系數下成形仿真結果與量產制件成形狀態的一致性。

圖1 加強板模面模型

2 量產數據處理

選取5個不同批次的加強板量產制件，分別測量測點位置的板料流入量及料厚，并逆向掃描加強板量產模具的凸、凹模模面，基于加強板拉深模的逆向模面數據和量產生產工藝參數重新建立CAE模型。

2.1 流入量測點布置

板料流入量是指從壓邊圈閉合到拉深過程結束，板料流入分模線的數值。板料流動狀態由板料流入量決定，板料的開裂和起皺、扭曲和回彈、沖擊線和滑移線等質量缺陷與板料流入量密切相關，后續工序的修邊模刃口和夾持器位置等也依據拉深板料流入量設計。

選取加強板板料典型位置為基點，共5個測點，并在壓邊圈閉合后，在板料和壓邊圈上用油筆畫出相應的標記，與板料拉深完畢后的輪廓比較后得到流入量分布，如圖2所示。

圖2 加強板流入量測點布置

2.2 料厚測點布置

參考前期CAE板料減薄率結果及后續料厚測量的可操作性，減薄率測點分別布置在加強板拉深工序件的縱向和橫向的中心線附近及側壁減薄率較大的區域，共5個測點，如圖3所示。

圖3 加強板料厚測點布置

2.3 量產數據處理

將每個加強板各測點的數據記錄到測量表中，加強板板料流入量如表1所示，平均料厚如表2所示。

表1 板料流入量測量記錄

表2 平均料厚測量記錄

取各測點板料流入量的平均值，將料厚轉化為減薄率數據，并取各測點減薄率的平均值，各測點數據處理結果如圖4所示。

圖4 加強板的流入量和減薄率

3 結果對比分析

基于加強板逆向模面數據及量產工藝參數創建成形CAE分析模型，完成恒定摩擦與動態摩擦設置的仿真分析，對比恒定摩擦與動態摩擦的成形極限圖，并對比加強板量產制件的板料流入量和減薄率等成形狀態。

3.1 成形極限圖

圖5所示分別為恒定摩擦和動態摩擦的成形極限圖。其中圈中區域（見圖5（b））表示該區板料有開裂的風險，該區域的模擬結果處于臨界狀態，必須優化，圈中區域模擬的準確與否將影響前期設計和工藝規劃。

圖5 成形極限圖對比

對比恒定、動態摩擦的成形極限結果，分析結論如下：①加強板成形性狀態發生變化，但均無開裂區域，與實物一致；②針對加強板CAE成形結果，相對于Coulomb恒定摩擦系數，TriboForm動態摩擦系數的開裂風險（圈中區域）比例上升0.26個百分點，主要體現在拉深最高點（最大減薄率區域）。

3.2 板料流入量

恒定摩擦和動態摩擦的板料流入量數據分析結果如圖6所示。以加強板實物流入量平均值為標準值（X軸），對比不同測點下Coulomb和TriboForm的板料流入量偏差絕對值（Y軸）。一般鈑金沖壓板料流入量與CAE分析結果相差應＜3 mm（上限USL）。

圖6 加強板流入量數據分析

對板料流入量的數據進行分析，結論如下：①根據加強板的流入量結果，TriboForm偏差絕對值較Coulomb更接近標準值，均小于2 mm；②加強板TriboForm的流入量結果平均偏差絕對值比Coulomb提升64.5%。

3.3 板料減薄率

圖7所示為恒定摩擦和動態摩擦的板料減薄率數據分析結果。以實物減薄率平均值為標準值（X軸），對比不同測點下Coulomb和TriboForm的減薄率偏差絕對值（Y軸）。

圖7 加強板減薄率數據分析

對加強板減薄率數據進行分析，結論如下：①針對加強板的減薄率結果，TriboForm偏差絕對值較Coulomb更接近標準值，最大減薄率P2測點也更接近實物狀態，偏差僅0.1個百分點（1%是Coulomb的偏差絕對值）；②加強板的TriboForm減薄率平均偏差絕對值比Coulomb提升47%。

4 結束語

通過數據分析可知，動態摩擦的鈑金沖壓CAE成形結果更接近加強板量產制件的生產狀態，且在板料流入量和料厚減薄率方面，針對所選取的加強板，動態摩擦的流入量和減薄率平均偏差絕對值比恒定摩擦分別提升了64.5%和47%，其模擬準確程度相對于恒定摩擦均有大幅度的提升。

在整車的同步成形開發中，針對鋁板制件，尤其是采用拉深工藝，有必要引入動態摩擦系數進行成形仿真分析，可進一步提升鈑金成形仿真分析的準確性，并可指導前期設計優化和工藝規劃，保證高質量的設計開發以及量產制件質量的穩定性。