基于AutoForm的前罩鎖銷加強(qiáng)件有限元仿真分析

黃好，岳陸游

（江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

隨著當(dāng)今世界的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)也在升級換代，汽車覆蓋件越來越多樣化。在數(shù)字化技術(shù)逐步與傳統(tǒng)生產(chǎn)方式結(jié)合的背景下，汽車覆蓋件的生產(chǎn)模式與生產(chǎn)工藝都有了很大的進(jìn)步。CAE軟件能在計算機(jī)中模擬汽車覆蓋件的成形過程，通過模擬結(jié)果能發(fā)現(xiàn)各種缺陷，及時調(diào)整工藝參數(shù)，以縮短試模修模時間，提高合格率。本文以一種汽車前罩鎖銷加強(qiáng)板為研究對象，先對其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與成形性進(jìn)行分析，再在AutoForm軟件中模擬其生產(chǎn)制造過程，并通過改進(jìn)與調(diào)試，解決各種成形缺陷，提高零件品質(zhì)，為實(shí)際生產(chǎn)確定最優(yōu)工藝參數(shù)。

1 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與成形性分析

汽車前罩鎖銷加強(qiáng)件如圖1所示，該零件厚度大約為1.2 mm，法蘭形狀為多平面法蘭，側(cè)壁形狀為斜面?zhèn)缺冢砻娼Y(jié)構(gòu)不規(guī)則，比較復(fù)雜，孔洞較多，形狀大小不一，且不在同一沖壓方向上。作為汽車的覆蓋件，要求其表面平滑，避免有起皺、開裂、劃傷、坑包等缺陷，因此選用材料為DC04的冷軋鋼板進(jìn)行沖壓模擬分析。DC04鋼屬于加磷鋁鎮(zhèn)靜鋼，因其具有屈服強(qiáng)度較低、抗拉強(qiáng)度較高、伸長率較大和塑性應(yīng)變較好等優(yōu)點(diǎn)[1]，在汽車覆蓋件等制造要求比較高的產(chǎn)品零部件中應(yīng)用廣泛，其性能參數(shù)如表1所示[2]。

圖1 汽車前罩鎖銷加強(qiáng)件三維模型

表1 DC04鋼板材料性能參數(shù)

通過分析，初步確定零件成形加工工序?yàn)椋?）剪板；2）拉深；3）修邊、沖4個小圓孔和2個異形孔；4）翻邊；5）沖最大異形孔和旁邊的小圓孔。

剪板尺寸為1.2 mm×270 mm×210 mm，該尺寸是用AutoForm軟件中的“Part-formchk”模塊參考確定的，該模塊的功能是把導(dǎo)入零件的三維數(shù)字模型在二維平面上展開，以便檢查基本零件成形性，估算最小毛坯[3]，特在此提前說明，展開效果與板料尺寸確定如圖2 所示，輪廓中間箭頭為送料方向。

圖2 零件展開效果與板料尺寸

2 成形前處理

將該零件的UG數(shù)字模型以IGES格式導(dǎo)入AutoForm軟件，AutoForm軟件的有限元分析系統(tǒng)讀取零件的數(shù)字模型并且自動進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分，本次模擬采用軟件默認(rèn)的參數(shù)設(shè)置，即擬合公差（stitching distance）為0.50，在Backdraft Limits中設(shè)置安全狀態(tài)（Safe）為3°，臨界狀態(tài)（Marginal）為0°。

2.1 拉深工序

拉深是汽車覆蓋件沖壓的關(guān)鍵工序，因?yàn)槠嚫采w件的大部分形狀是由拉深實(shí)現(xiàn)的。拉深方式一般有單動拉深和雙動拉深等，簡單來講，它們的區(qū)別在于提供壓邊力的方式：單動壓力機(jī)通過凹模下行與壓邊圈接觸擠壓產(chǎn)生反作用力，該反作用力即為壓邊力，而雙動壓力機(jī)是通過特定機(jī)構(gòu)提供壓邊力。考慮到單動拉深的結(jié)構(gòu)簡單，安全隱患少，而雙動拉深雖然壓邊力大且穩(wěn)定、精度也高，但雙動壓力機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用成本高[4]，因此本次模擬選取的拉深方式為單動拉深。

2.1.1 拉深方向的選擇

拉深方向?qū)χ萍馁|(zhì)量和模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度有直接影響。按尺寸來分，該零件屬于中型拉深件，且形狀較復(fù)雜，因此盡量使所有表面形狀能被一次拉深成形。確定拉深方向時應(yīng)保證凹模和凸模能完全貼合，避免存在凸模接觸不到的“死區(qū)”[5]。另外，拉深方向還需有利于防止零件產(chǎn)生表面缺陷。基于拉深方向的選取原則，該零件的拉深方向如圖3所示。

圖3 拉深方向

2.1.2 拉深工序的工藝補(bǔ)充、壓邊圈及壓料面的設(shè)計

工藝補(bǔ)充部分就是對拉深件額外增加的形狀部分，它能合理地控制材料的流向，進(jìn)行形狀過渡，降低拉深難度，提高零件的成型質(zhì)量。設(shè)計時應(yīng)考慮以下方面：1）應(yīng)將所有內(nèi)孔封閉；2）易于塑性變形；3）對后續(xù)工序有利，比如提供形狀定位，盡量避免側(cè)切邊等。另外，因?yàn)橥獠抗に囇a(bǔ)充部分會在修邊工序中被切除，所以其結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)盡量簡單，減少材料浪費(fèi)，提高材料利用率，降低生產(chǎn)成本。該零件的工藝補(bǔ)充設(shè)置為如圖4所示。

圖4 工藝補(bǔ)充

在拉深工序中，壓邊圈的參數(shù)設(shè)定非常重要：1）壓邊圈行程。它會影響到板材放到壓邊圈上的形態(tài)和板材接觸模具時的狀態(tài)，在實(shí)際生產(chǎn)中，在壓邊圈抬起時剛好與凸模的最高點(diǎn)平齊[6]，這里將其設(shè)置為100 mm。2）壓邊力。在初始模擬時，壓邊力可以設(shè)置成壓強(qiáng)（3 MPa），調(diào)整優(yōu)化完成后根據(jù)計算的壓邊力設(shè)置成1000 kN，如圖5所示。同時，壓料面直接影響到板料流動的方向和速度、變形的分布與大小等問題，所以其形狀應(yīng)盡量簡單，使得阻力變化相對容易控制，有利于調(diào)模。另外壓料面應(yīng)盡量方便板料的送進(jìn)和取出。由于采用單動拉深，在單動壓力機(jī)上，模具的安裝方式一般為“倒裝”，即凹模在上面，壓邊圈和凸模在下面，中間放置板料，因此拉深工具體初始位置如圖6所示。拉深時，壓力機(jī)啟動，凸模固定不動，上滑塊下行帶動凹模下行，使得板料與壓邊圈接觸，直至將板料壓緊到設(shè)置的壓邊力，接著凹模、板料和壓邊圈作為整體向下運(yùn)動與凸模貼合，拉深完成。

圖5 壓邊圈參數(shù)設(shè)置

圖6 拉深工具體初始位置

2.2 修邊及沖部分孔

修邊是保證零件尺寸的重要工序，其主要內(nèi)容是將拉深件修邊線以外的部分切除掉。修邊方向應(yīng)盡量與拉深方向相同，如此可以省去換向操作或者減少模具數(shù)量。為保證模具的使用壽命，一般要求修邊方向與制件型面的法線方向間的夾角不超過15°，沖孔方向與型面法線方向間的夾角也不超過15°，如圖7所示，零件的左下部分最小角度為67.5°，最 大 角 度 為88.51°，因此可以將4個小圓孔、2個異形孔及部分修邊同時進(jìn)行，此時軟件自動計算出沖 壓 方 向 為81.78°，而右上部分的修邊角度與左下部分沖壓方向的夾角超過15°，需要另外設(shè)置沖壓方向?yàn)?2.75°（模具設(shè)計時使用斜楔機(jī)構(gòu)修邊），修邊及沖部分孔工具體如圖8所示。

圖7 修邊及沖孔角度

圖8 修邊及沖部分孔工具體設(shè)置

3 模擬結(jié)果分析

板料成形過程如圖9所示。如圖10所示，成形極限圖（Forming Limit Diagram，F(xiàn)LD）能直觀反映出在沖壓過程中，板料在兩個主應(yīng)變的共同作用下，局部區(qū)域厚度發(fā)生變化時的最大應(yīng)變量，經(jīng)常被用來判斷和評定成型時的起皺或破裂問題[7]。其中，紅色表示開裂區(qū)域，綠色表示安全區(qū)域，黃色表示臨界過渡區(qū)域，藍(lán)色及紫色表示增厚起皺區(qū)域。

圖9 零件成型過程

圖10 成型極限圖

由圖8所示可知，成形結(jié)果大部分在安全區(qū)，成形性能良好，沒有開裂區(qū)域，說明板料流動均勻，拉深充足，雖然有部分區(qū)域發(fā)生拉深不足，存在壓應(yīng)力，紫色增厚區(qū)域?yàn)榉厱r圓角內(nèi)側(cè)受擠壓應(yīng)力所產(chǎn)生，對零件沒有較大影響。

圖11所示為零件的厚度變化云圖，隨機(jī)選取某些點(diǎn)進(jìn)行厚度變化率的計算，即計算材料厚度的變化值與料厚的比值，可以看到，材料的最大厚度值為1.186 mm，此時最小減薄率為1.1%；最小厚度值為1.053 mm，其最大減薄率為12.3%，在材料減薄率的允許范圍（15%）之內(nèi)。

圖11 厚度分布云圖

4 結(jié)語

通 過AutoForm 軟件對前罩鎖銷加強(qiáng)件進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果預(yù)測制件開裂和起皺等表面質(zhì)量缺陷，分析產(chǎn)生缺陷的原因，通過調(diào)整模面、壓邊力等參數(shù)，消除表面缺陷，改善制件質(zhì)量，減少試模與修模的次數(shù)，縮短模具開發(fā)時間，對實(shí)際生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。