薄板沖壓數值模擬技術在汽車覆蓋件制造中的應用
- 2008-5-29 15:27:04
- 來源：《CAD/CAM與制造業信息化》
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文獻摘要：汽車覆蓋件成形加工生產目前主要依靠傳統經驗設計來制定沖壓工藝、開發相關模具，具有相當大的隨意性和不確定性。塑性成形理論經過100多年的發展，已相當成熟。隨著計算機應用技術的普及，板料塑性成形過程用有限元方法進行數值模擬已成為一項有效解決該問題的高新技術。
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一、引言
汽車覆蓋件成形加工生產目前主要依靠傳統經驗設計來制定沖壓工藝、開發相關模具，具有相當大的隨意性和不確定性。然而板料成形的力學過程及成形影響因素非常復雜，是一個集幾何非線性、材料非線性、接觸非線性于一體的強非線性問題，用傳統的解析方法很難求解。
塑性成形理論經過100多年的發展，已相當成熟。隨著計算機應用技術的普及，板料塑性成形過程用有限元方法進行數值模擬已成為一項有效解決該問題的高新技術。
汽車覆蓋件包括覆蓋汽車發動機、底盤、構成駕駛室及車身的所有厚度3mm以下的薄鋼板沖壓而成的表面和內部零件，其重量占到汽車用鋼材總量的50%以上。汽車覆蓋件具有材料薄、形狀復雜、多為復雜的空間曲面、結構尺寸大和表面質量高等特點。在沖壓時毛坯的變形情況復雜，故不能按一般拉伸件那樣用拉伸系數來判斷和計算它的拉伸次數和拉伸可能性，且需要的拉延力和壓料力都較大，各工序的模具依賴性大，模具的調整工作量也大。汽車覆蓋件成形過程中板料上的應力應變分布情況非常復雜，成形質量影響因素較多。從變形方式看，板料的成形是拉延、翻邊、脹形、彎曲等多種變形方式的組合過程。對一個給定的零件來說，一套合理的模具和工藝方案的確定，不僅要靠實踐經驗和理論計算，還往往離不開反復地試模和修模。因此汽車覆蓋件模具設計的主要任務就是要解決好沖壓過程中板料不同部位之間材料的協調變形問題，既要避免局部區域過分變薄甚至拉裂，又要避免起皺或在零件上留下滑移線，還要將零件的回彈量控制在允許的范圍內。
目前，板料沖壓過程的計算機分析與仿真技術（非線性有限元分析技術）已能在工程實際中幫助解決傳統方法難以解決的模具設計和沖壓工藝設計難題，如計算金屬的流動、應力應變、板厚、模具受力、殘余應力等，預測可能的缺陷及失效形式，如起皺、破裂、回彈等。在汽車覆蓋件的設計中采用數值模擬技術能從設計階段準確預測各種工藝參數對成形過程的影響，進而優化工藝參數和模具結構，縮短模具的設計制造周期，降低產品生產成本，提高模具和沖壓件產品品質。
二、汽車覆蓋件沖壓數值模擬中的關鍵技術
汽車覆蓋件沖壓模擬所采用的有限元方法是彈塑性有限元法。彈塑性有限元法在板材成形數值模擬領域采用Lagrange描述，不僅能計算工件的變形和應力、應變分布，而且還能計算工件回彈和殘余應力，是板材成形數值模擬的主要方法。在汽車覆蓋件沖壓成形過程中，坯料與模具所構成的大變形接觸沖壓系統都須滿足弱形式的虛功原理，而方程的求解涉及到時間域的數值積分方法問題。
目前汽車覆蓋件沖壓分析多采用動態顯式算法。在顯式求解法中，用中心差分法進行動態問題的時域積分。顯式求解法既沒有收斂性問題，也不需求解聯立方程組，但時間步長受到數值積分穩定性的限制。而在回彈模擬階段普遍采用靜態隱式算法求解。接觸問題中的接觸力大小則通過拉格朗日乘子法或罰函數法求解。
板料的彈塑性變形的有限元方法求解步驟：建立沖壓過程的力學模型→建立相應的有限元分析模型→根據板料變形特性選定殼體單元類型并確定有關參數→根據板料變形特性選定彈塑性本構關系及有關參數→根據板料和模具的表面特性及其潤滑狀態選定摩擦定律及參數→對壓料板的剛體運動和板料的彈塑性變形進行求解。
三、BK-6440后門內板沖壓數值模擬仿真
1. 相關分析參數的確定
拉延工序采用雙動壓力機，主要加工參數：沖壓速度V=10m/s；沖頭行程L=237 mm；壓邊力F＝2000kN。
用于沖壓的ST14鋼材料性能參數：板料厚度t＝1.0mm；彈性模量E=2.10e5N/mm2；密度ρ=7.82e-6kN/mm3；泊松比υ=0.3；摩擦系數μ=0.10；材料各向異性屈服系數r0=1.77、r45=1.16、r90=1.94；材料的屈服準則，采用Hill1948各向異性屈服準則。 ST14材料的硬化曲線如圖1所示。
圖1 ST14材料硬化曲線
2. 分析軟件的選用
在本項目的研究中，我們采用PAM-STAMP 2G 2004軟件進行數值成形計算。該軟件是由法國 ESI(Engineering System Internal)開發的薄板沖壓成形過程仿真的專業化軟件，能夠對大位移、大旋轉、大應變、接觸碰撞等問題進行十分精確的模擬。它可進行自動網格細化，采用等效拉延筋模型，可以模擬多工步薄板成形問題，計算精度比較高。
3. BK-6440后門內板沖壓有限元分析
首先建立起BK-6440后門內板曲面模型。該模型曲面比較復雜，由于分析軟件中建模工具功能的局限性，因此我們通過UG18建立覆蓋件模型后用IGES接口將其導入PAM-STAMP 2G 2004中，進行模型特征檢查從而發現原來設計的不合理部分（有過切現象等）。然后通過對模型在CAD及CAE中的修改，得到消除過切與缺陷的曲面模型，并在PAM-STAMP 2G 2004中進行必要的工藝補充及前處理，通過模塊PAM-DIEMAKER(快速模面設計與優化模塊)最后建立起凸模、凹模及壓邊圈分析模型(如圖2所示)進行分析。
圖2 BK-6440后門內板沖壓CAE分析模型
圖3 沖壓完成后板料變薄云圖
圖4 沖壓完成后板料FLD圖
在采用周圍封閉式等效拉延筋形式時，板料沖壓模擬完成后計算得到的最薄壁厚為t＝0.213mm（在實際沖壓過程中已經破裂），但板料大部分沖壓后的厚度在0.87mm～1.03mm之間。在圖4所示的FLD圖中可以看到，在該沖壓條件下板料的沖壓在某些部位會破裂，而且角部起皺的現象比較嚴重，沖壓效果不好。我們可以從以下分析與實物的對比中發現理論計算與實際沖壓結果的吻合度是很高的。而以往對于復雜的覆蓋件拉伸件，用傳統設計方法難以準確計算材料的塑性流動情況，并且很難準確預測工藝條件改變后材料流動的狀況。
圖5 起皺與斷裂模擬與試驗結果對比
圖6 斷裂模擬與試驗結果對比
為了消除拉裂現象，我們應降低拉裂區的拉應變值。可采取調整壓邊力，改善潤滑條件等方法以改變法向接觸力和切向摩擦力的分布，以改善材料的流動狀況。起皺是由于局部壓應力過大引起薄板失穩所致，可通過增加起皺處的法向接觸力，同時考慮避免導致零件其它部位拉裂的狀況下進行工藝參數調整，使材料的流動趨于合理。通過分析計算，我們對模具曲面、工藝補充面、拉延筋的形狀與布置等方面重新進行了調整與修改：在材料容易流動的地方加拉延筋，使板料在拉延時進料阻力均勻。改善板料在沖壓過程中的流動條件（修改工藝補充面等），使變形趨于均勻，防止板料起皺現象的發生。該工況下沖壓狀況得到了一些改善：特別是起皺現象得到了有效的改善，然后通過調整壓邊力的大小（將壓邊力降為800kN）與壓延筋形式等沖壓工藝參數使破裂狀況有了顯著改善。
圖7 修改過后的底模和拉延筋模型
四、結論
汽車覆蓋件模具制造由于其形狀的復雜性及模具輪廓尺寸大的特性，生產一套沖壓模的生產成本是很高的，而且通常具有特殊的工藝補充曲面，用于零件曲面定型的主模型和樣架制造工藝復雜、制造周期長并且需要有大型加工設備。
覆蓋件沖壓工序對模具有很大的依賴性，靠傳統經驗設計出來的模具的調整工作量大，周期長。因此通過運用先進的科學技術手段來設計此類模具是相當有必要的。板料數值成形技術應用于汽車制造業不但可以縮短模具的設計制造及調試周期，還可大幅度降低模具生產成本。目前板料數值成形技術在汽車覆蓋件制造領域的應用越來越廣泛，我們通過該項目的分析計算及生產驗證，證實了通過數值仿真板料成形過程優化沖壓工藝參數及模具形狀從而指導實際生產過程的方法是切實有效可行的。
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