車身用鋁飾條拉彎成形面畸變缺陷形成規律

鄭高媛， 趙亦希， 崔峻輝

(上海交通大學 機械與動力工程學院； 上海市復雜薄板結構數字化制造重點實驗室， 上海 200240)

在汽車生產中，拉彎成形工藝常運用于對外形準確度要求較高的框緣零件.隨著汽車外觀的要求越來越高，出現了變截面一體化上飾條的設計，截面寬度和彎曲角度的變化使得飾條類零件開始出現局部尺寸波動，即面畸變現象，面畸變是指零件在成形中產生的局部起伏(凹凸)，起伏高度很小，一般在20～200 μm[1]，對整車外觀質量有很大的影響.面畸變的形成機理是面畸變研究中的關鍵問題，對于面畸變的預防和控制具有重要的指導意義.

國內外學者在面畸變形成機理分析方面做出了大量工作，其中薄板沖壓成形面畸變機理研究較為成熟，而拉彎成形過程中零件幾何特征和受力狀態與沖壓成形有較大差異.對于拉彎成形過程和復雜開口零件的研究多集中于影響因素分析.文獻[2]利用試驗法對AA6060 鋁合金矩形截面型材開展研究，發現在型材彎曲變形的同時有面畸變現象，面畸變與截面形狀關系密切.文獻[3]利用 Pam-stamp 軟件模擬了封閉截面鋁合金型材成形過程并通過試驗法驗證了模擬結果, 認為對于封閉截面型材，在其內部填充柔軟芯材能夠很大程度上消除截面畸變缺陷.文獻[4]對L型不銹鋼頂梁進行仿真模擬，認為模具間隙和模具設計為影響截面變形的主要原因.文獻[5]對鋼管折彎過程進行模擬和應力應變分析，發現當截面上切應力處于主導地位時，鋼管更容易發生畸變.文獻[6]對車門框上條進行仿真分析發現，彎曲角度對面畸變的影響較大.

拉彎成形多次試驗發現，等截面飾條僅發生截面整體變形，變截面飾條出現面畸變凹陷.對于不同截面形狀的拉彎零件，面畸變部位范圍、面畸變深度、畸變出現在零件的部位也不盡相同.急需準確預測面畸變位置及大小，而由于飾條類零件為半開口零件，且生產過程有上壓模具和墊料作用，不滿足平面變形條件，彎曲過程中材料流動和應力狀態復雜，使得預測工作的難度加大.

本文以半開口鋁飾條零件拉彎變形作為研究對象，開展面畸變形成機理的研究.針對拉彎試驗得到面畸變零件，對其進行表面輪廓測量.基于Abaqus平臺建立了鋁飾條零件拉彎成形及回彈仿真模型，與試驗結果對比驗證了其準確性.設計了不同特征件，分析零件及特征件局部變形和應力應變，得到了面畸變形成條件、階段及形成過程.

1 面畸變零件試驗

1.1 拉彎試驗系統

本文以某車輛鋁飾條零件為研究對象，飾條的形狀輪廓特征和截面尺寸如圖1所示，圖中R表示該處彎曲曲率半徑.該飾條整體尺寸較大，彎曲半徑逐漸由 3 500 mm減小至150 mm，截面寬度由14 mm增加至65 mm，且彎曲半徑越小，截面寬度越寬.在零件較寬處，一側存在兩根加強筋，一側為相對較寬的薄板，截面剛度分布不均勻.

圖2所示為拉彎試驗裝配方式示意圖，彎曲模具固定，固定夾頭固定零件一端100 mm部分；移動夾頭由液壓裝置驅動，帶動零件一端100 mm部分進行移動；上壓模分為兩段，初始與彎曲模具距離約300 mm，下壓后與零件貼合；兩加強筋中填入墊料進行彎曲，加強對截面的支撐作用.拉彎設備為臺灣順心張臂式數控拉彎機，如圖3所示.

圖2 零件裝配示意圖Fig.2 Assembly diagram of parts

圖3 拉彎成形試驗設備Fig.3 Stretch bending forming test equipment

試驗所用零件材料為AL6063-T4鋁合金，彈性模量E為55.45 GPa，屈服強度為92 MPa，強化系數K為418.86 MPa，硬化指數n為0.63，泊松比ν為0.33.零件與模具之間涂潤滑油.墊料為彈性體，彈性模量為 2 587 MPa.

1.2 拉彎試驗方案

拉彎過程遵循預拉-彎曲-補拉流程，首先將墊料填入零件加強筋之間，用固定夾頭固定零件窄端，移動夾頭夾緊零件寬端，由于飾條為變截面，隨著彎曲過程的進行，未貼模部分截面面積越來越大，為減小起皺，所需拉力也需逐步增大(見圖4).總時間為16 s，預拉過程為 0～1 s，彎曲過程為1～12 s，補拉過程為12～14 s ，釋放過程(卸載力與壓型釋放)為14～16 s.由于零件窄長，為使已貼模具部分不會失穩脫模，同時減小起皺缺陷，彎曲過程中需要隨著彎曲進程的進行，上模具逐漸壓緊已貼模部分零件. 拉彎過程完成后，首先抬起上壓模，后同時松開固定夾頭和移動夾頭，零件自由回彈，取下墊料，得到成形零件.

圖4 拉彎過程拉力變化情況Fig.4 Change of tensile force during stretch bending process

1.3 試驗測量

由于面畸變的起伏高度較小，用肉眼無法準確觀測，采用探針式表面輪廓測量儀(見圖5 (a))對零件表面形貌進行精確測量.測量儀主要由測量傳感器、探針、微機、測量軟件及測量臺架構成.該設備在z軸方向的測量范圍為40 mm，測量精度為(3.5+14H/25) μm，其中H為測量高度.在進行零件表面輪廓測量時，所設定的測量速度是0.5 mm/s，設定的采樣點間距是0.5 mm.

對于鋁飾條零件，在面畸變缺陷出現部位，選擇了8個位置進行輪廓測量，各截面位置如圖5 (b)所示，圖中1～8為截面編號.所選截面方向為彎曲徑向，是因為面畸變缺陷通常長而窄，沿著彎曲方向切向呈圓弧條狀分布，徑向缺陷更容易識別.同時，零件在該方向的設計曲率小，面畸變的變化更容易被捕捉.

為了定量地分析數值模擬精度，引用了面畸變評價指標.該指標由 Shen 等[7]提出，Dzj是第j條輪廓線的面畸變評價值，定義為

min {dij|i=1, 2, …,n})

(1)

式中：dij表示第j條輪廓線上第i個點距離理想曲面的局部偏差，z為方向.Dzj度量了零件截面輪廓線的面畸變嚴重程度.Dzj越大，零件及其截面輪廓線的面畸變缺陷也越嚴重.

1.4 試驗結果

拉彎試驗結果如圖6所示，缺陷位置均位于板料彎曲部分最寬處外側，呈現窄長形態，長度約為75～90 mm，寬度約為5～7 mm.

面畸變截面表面輪廓掃描結果如表1所示，采用上述Dzj度量各個截面表面輪廓線的面畸變嚴重程度，截面編號如圖5所示.兩側畸變程度小，中間畸變程度大，最大畸變量約為0.1 mm，小于0.01 mm可認為幾乎無缺陷.

表1 鋁飾條零件各截面畸變試驗結果Tab.1 Distortion test results of aluminum trim parts

2 面畸變有限元仿真

2.1 有限元建模

采用有限元方法對零件的成形過程進行了仿真分析，以便對零件的局部變形特點及應力分布情況進行分析.圖7所示為所建立的有限元模型，主要包括零件、墊料、夾具、上壓模具和彎曲模具5個部分，原固定夾具直接由零件一端固定代替.為模擬實際拉彎過程，實現拉伸方向力控制，其他方向位移控制，在夾具上建立隨夾具移動的局部坐標系，x方向施加力約束，y、z方向施加位移約束.

圖7 有限元模型Fig.7 Finite element model

模型假設模具為剛體，零件為彈塑性材料，墊料為彈性材料，采用實體單元，板材屈服行為滿足von Mises 屈服準則，摩擦因數為0.12.數值模擬過程分為3個步驟：① 預拉過程，采用動態顯示格式求解，預拉時間為0.1 s；② 彎曲成形過程，為精準控制零件的位移，采用了16個分析步，總時長為3.6 s；③ 回彈過程，采用靜力隱式格式求解，時長為1 s.

2.2 局部網格細化

面畸變缺陷的尺度小，通常小于0.1 mm量級，為觀測面畸變形成過程，對數值模擬的精度提出了更高的要求.但是，零件成形尺度大，零件長度為1 m有余，面畸變缺陷有限元仿真除了要滿足整體零件成形過程的高效準確要求外，還需要對缺陷區域的微小彎曲變形進行精確的模擬.

為了保證仿真速度和缺陷模擬精度符合要求，對零件進行分段網格細化處理，厚度方向均為3層網格，每層0.5 mm.使用Hypermesh軟件劃分網格，網格長寬比一般不大于10，網格寬度最大選取5 mm.為保證仿真效率，首先用5 mm網格進行仿真，結果如圖8所示，圖中σs為von Mises 應力.彎曲半徑較小處發生一些網格扭曲畸變，不能反應局部面畸變. 根據文獻[6]結論和試驗結果，面畸變多出現于彎曲半徑較小、應力較大處，將圖8中拉彎方向外側明顯應力增大區域設為潛在面畸變區域，對其進行網格細化.

如圖9所示，飾條類零件出現的窄長面的畸變寬度約為10 mm數量級，為保證面畸變區域內有10個以上網格以準確反應面畸變形態，細化區域網格尺寸小于1 mm.由于彎曲過程中零件存在徑向流動，將潛在面畸變區域寬度方向零件均進行網格細化.其中對潛在面畸變區域，網格細化為0.5 mm，與厚度網格尺寸相同，接近正方體網格有利于提高有限元計算精度，零件其他部分進行均勻網格過度.

圖8 初始網格仿真結果Fig.8 Initial mesh simulation results

圖9 零件網格劃分(mm)Fig.9 Part meshing (mm)

2.3 仿真結果及模型驗證

由于面畸變尺度小，難以用肉眼觀察，而仿真所得節點坐標是間斷的，更增加的觀察難度，對仿真所得面畸變進行了可視化.Abaqus中提取面畸變及周圍部位表面節點坐標，由于鋁飾條上表面為曲面而非平面，用MATLAB對表面節點坐標進行標準差最小的多項式擬合，此處為五階多項式擬合.計算節點距擬合曲面的距離d，通過云圖的形式表現在節點坐標位置上，如圖10所示.

為了驗證有限元模型的有效性，采用上述Dzj度量各個截面表面輪廓線的面畸變嚴重程度，截面編號如圖5所示.對試驗和數值模擬結果進行了比較.圖11所示為面畸變區域各截面的面畸變情況的試驗和仿真結果的比較，仿真的平均誤差為0.016 mm，最大誤差為0.035 mm，試驗與仿真結果基本一致，所建的有限元模型是準確和有效的.

圖10 面畸變仿真結果可視化Fig.10 Visualization of surface distortion simulation results

圖11 鋁飾條零件各截面面畸變情況比較Fig.11 Comparison of distortion of aluminum trim parts

3 面畸變形成機理分析

3.1 面畸變形成必要條件

圖12所示為鋁飾條零件試驗及仿真所得面畸變分布情況對比結果.面畸變凹陷位于零件外側加強筋附近，且通常出現在零件寬度寬、彎曲半徑小的部位.

圖12 鋁飾條零件面畸變分布Fig.12 Surface distortion distribution of aluminum trim parts

為驗證面畸變的形成條件，通過對鋁飾條零件進行簡化，設計了如圖13所示特征件進行分析.由于零件寬度方向曲率小，遠小于零件彎曲曲率，可以簡化為平直面.零件主要截面上有兩根加強筋，特征件保留兩根加強筋，簡化為垂直與板料F形.零件扭轉角度約為5°，對成形結果影響可忽略，故將原零件的空間彎曲特征簡化為平面彎曲.為研究不同曲率半徑對面畸變的影響，將模具設置為恒定曲率半徑.將特征件仿真模擬實際零件彎曲情況，板料設為15 mm～65 mm寬度變截面，模具曲率半徑設為150 mm時，仿真所得結果如圖14所示.

圖13 特征件裝配及截面Fig.13 Feature assembly and section diagram

圖14 特征件仿真結果Fig.14 Feature simulation results

在截面寬度較寬處，彎曲方向外側，出現了寬度約為1.5 mm的窄長形面畸變，面畸變處最大凹陷量約為0.1 mm，與鋁飾條零件缺陷情況基本一致.特征件的幾何特征與鋁飾條零件相似，具有零件尺寸比實際零件小、能夠穩定出現面畸變缺陷的特點，便于對面畸變缺陷展開研究，通過改變特征件的幾何特征，驗證面畸變形成條件.現有研究表明，面畸變的形成與零件彎曲角度、截面特征、填充物及模具設計有著密切的關系[6]，綜合考慮鋁飾條零件的成形工況及幾何特征，從以下角度分析面畸變形成的必要條件：① 零件寬度和彎曲半徑；② 零件有無加強筋；③ 是否具有上壓模具；④ 是否具有墊料.

圖15 特征件更改后仿真結果Fig.15 Simulation results after feature changes

圖16 更改上壓模、墊料的仿真結果Fig.16 Simulation results after changing the upper die and padding

為研究特征件寬度和彎曲半徑是否決定面畸變的產生，分別進行窄特征件和大彎曲半徑的仿真.特征件寬度改變示意及其所得仿真結果如圖15(a)所示，特征件僅保留外側10 mm部分，并以150 mm為半徑進行彎曲，零件上最大凹陷量小于0.01 mm.彎曲半徑為950 mm的仿真結果如圖15(b)所示，零件上最大凹陷量也小于0.01 mm，且幾乎沒有起皺等缺陷產生.表明這兩種工況下，特征件上幾乎沒有明顯面畸變缺陷，較大的零件寬度和較小的彎曲半徑是面畸變產生的必要條件.

實際零件寬度均勻增大，彎曲半徑均勻減小，約在55 mm寬，半徑150 mm處開始產生面畸變缺陷.變截面特征件彎曲半徑恒定為150 mm，也約在55 mm處產生面畸變.結合上述分析可知，減小零件寬度、增加彎曲半徑均可減小面畸變缺陷，故認為面畸變缺陷產生于零件寬度和彎曲半徑的比值有關，當寬度、半徑比值大于35%時，易產生面畸變缺陷.

改變特征件幾何特征，將F形零件變為平面板材，采用較大彎曲寬度和較小彎曲半徑所得仿真結果如圖15(c)所示.當零件兩個加強筋被去除后，零件上最大凹陷量小于0.01 mm.這表明，若加強筋被去除，則沒有面畸變缺陷產生.

去除上壓模所得仿真結果如圖16(a)所示.去除上壓模后，零件發生明顯翹曲，不能貼模，截面形狀呈現整體凹陷而非局部畸變.這表明，上壓模具在生產過程中不可省略，而整體凹陷與局部畸變不同，無比較意義，需要進一步研究面畸變的產生是否與整體凹陷趨勢有關.

去除墊料后的仿真結果如圖16(b)所示，由于缺少墊料支撐，側向加強筋貼膜后，隨著彎曲過程的進行，加強筋發生嚴重變形.對于飾條類零件結構，當彎曲半徑小、零件寬度寬時，厚度方向加強筋不足以支撐零件貼模后模具產生的反作用力，必須添加墊料輔助彎曲.

以上研究表明，為保證鋁飾條零件的正常成形，上壓模和墊料不可缺，缺少上壓模或墊料會導致嚴重截面變形.而保留加強筋的窄零件、平面板材和大彎曲半徑零件均不產生局部面畸變.彎曲半徑和零件寬度主要影響零件應力應變大小和中性層移動，加強筋對零件結構的影響較為復雜，上壓模和墊料雖可以解決整體變形缺陷，但對局部面畸變的作用還不明確，為進一步研究這些因素引起面畸變缺陷的原因，對面畸變形成階段和形成過程進行具體分析.

3.2 面畸變形成階段

文獻[7]表明，在沖壓成形工況下，面畸變的產生與零件的回彈有著密切的關系，或多為回彈過程中產生的.對比成形前、回彈前、回彈后的零件仿真結果，如圖17所示，成形前仿真擬合結果良好，無明顯凹陷.回彈前零件彎曲方向外側有著明顯的面畸變區域，長約80 mm，寬約5 mm，最大凹陷量約為0.13 mm.回彈后面畸變區域減小至長約55 mm，寬約2 mm，最大凹陷量減小至0.1 mm.回彈前后仿真結果的對比說明了拉彎成形中零件面畸變缺陷形成于零件成形過程中，在回彈過程中略有減小.

圖17 面畸變隨成形過程的變化情況Fig.17 Variation of surface distortion in forming process

圖18所示為鋁型材零件面畸變區域內一點P相對于零件表面擬合曲面在z軸方向的距離隨時間的變化情況, 圖中t為分析步時間,λ表示面畸變點距離曲面的相對距離.在自由彎曲階段中，z小于0.01 mm，尚未到達面畸變的尺度.在模具下壓階段，z逐步增加至0.1 mm以上，這表明面畸變形成于上模具下壓階段.而在回彈階段，z逐漸減小，回彈階段由于應力釋放，面畸變得以減輕.

圖18 λ與時間的關系Fig.18 λ versus t

圖19 面畸變形成過程示意圖Fig.19 Schematic diagram of surface distortion formation

3.3 形成過程分析

面畸變的形成過程如圖19所示，可分為如下幾個階段：

① 零件一側加強筋隨著夾具的移動逐漸貼膜，在拉力作用下，板料外側出現減薄，內側出現起皺，外側產生翹曲現象；② 上模具逐漸下壓，翹曲和起皺現象隨著模具下壓得到緩解，而兩加強筋間的凹陷逐漸產生；③ 模具基本合模，在合模力作用下，翹曲和起皺基本壓合，而面畸變部位由于下方為墊料填充，不與彎曲模具直接接觸，無法被壓合.

圖20所示為拉彎過程中零件厚度橫向變化量分布情況, 圖中Δδ為零件厚度變化量，w為零件沿寬度方向坐標.在面畸變發生區域，材料向彎曲方向內側流動，外側板料減薄，內側增厚看，面畸變部位減薄率約為5%.其中由于外側板料的減薄，導致外側剛度降低，同時加強筋已與彎曲模具貼合，隨著彎曲過程繼續進行，在沒有上模具支撐的情況下，導致第1階段板料外側翹曲現象產生.

圖20 成形前后零件厚度變化量Fig.20 Thickness variation of parts before and after forming

在模具下壓階段，由于板料發生翹曲，兩端首先觸碰到上模具，中間保持凹陷狀態而未接觸上模具.缺陷區域的次應力分布情況如圖21所示，該區域次應力為負值，這意味著缺陷區域處于平面拉壓的應力狀態.

圖21 次應力分布Fig.21 Distribution of secondary stress

圖22 矩形薄板平面拉壓模型Fig.22 Plane tension compression model of rectangular thin plate

Wang等[8]則基于局部失穩的假設對面畸變缺陷進行了預測，認為面畸變產生是由于局部板料發生失穩.為探究板料是否發生屈曲失穩，對上模具給予零件的壓力進行分解，可以發現上模具下壓過程中將對凹陷區域施加橫向壓力，同時該區域依然受夾頭拉力，根據該區域的應力特點，建立如圖22所示的矩形薄板平面拉壓模型假設面畸變區域為矩形薄板，板為各向同性彈性體.圖中：a為長度；b為寬度；σx為矩形薄板在x方向受面內壓縮應力；σy為矩形薄板在y方向所受拉應力.

由板殼理論和解的不唯一性可獲得該模型發生屈曲失穩的應力：

(2)

式中：δ為板厚；m、n為正整數，當m=n=1時，σx有最小值(臨界應力)：

(3)

圖21中的壓應力分布呈現出由外向內逐步增加的趨勢.因此，以不同的壓應力值作為邊界應力，壓縮區的大小是不同的，相應的局部屈曲的臨界載荷也不同.但通過式(3)可以發現，當a約為2 mm時，σx約為 60 000 MPa，遠大于邊界實際所受壓應力.因此，板料并未由于壓應力產生屈曲失穩.

在模具下壓前，板料已經產生翹曲，缺陷區域一直處于凹陷狀態.模具下壓后，兩加強筋間零件無法直接與模具接觸，而墊料無法提供足夠的支撐力，缺陷區域板料由于模具的下壓，一直處于拉壓應力狀態，故凹陷無法消除.這是該區域產生面畸變缺陷的主要原因.

4 結論

(1) 面畸變形成的必要條件為： 對于變截面飾條類零件，當截面寬度、彎曲半徑比值大于35%時，隨著拉彎過程的進行，零件外側減薄率達到5%左右，內側增厚導致零件產生翹曲趨勢，加強筋、上模具和墊料的共同作用導致局部面畸變的產生.缺乏加強筋進行平面彎曲時只有起皺缺陷而沒有局部畸變.缺乏上模具時，零件產生嚴重翹曲.缺乏墊料時，零件剛度不足發生嚴重變形.

(2) 面畸變形成于拉彎成形過程中，在回彈過程中得以減小.在自由彎曲過程中，幾乎沒有面畸變產生.當該區域貼模、上模具逐漸下壓，面畸變逐漸產生并增加.回彈過程中面畸變隨著應力釋放逐漸減小.

(3) 面畸變的形成過程為：板料局部貼模后，開始產生翹曲，缺陷區域處于整體凹陷狀態.隨著模具下壓，由于兩加強筋間零件無法直接與彎曲模具接觸，而墊料無法提供足夠的支撐力，缺陷區域板料處于拉壓應力狀態，無法回復到平直狀態.周圍材料處于拉伸狀態，隨著周圍材料逐漸被模具壓實，局部面畸變逐步形成.