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薄板冲压数值模拟技术在汽车覆盖件制造中的应用 |
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作者：杨曼云 孙希平 李琦 |
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一、引言
汽车覆盖件成形加工生产目前主要依靠传统经验设计来制定冲压工艺、开发相关模具，具有相当大的随意性和不确定性。然而板料成形的力学过程及成形影响因素非常复杂，是一个集几何非线性、材料非线性、接触非线性于一体的强非线性问题，用传统的解析方法很难求解。塑性成形理论经过100多年的发展，已相当成熟。随着计算机应用技术的普及，板料塑性成形过程用有限元方法进行数值模拟已成为一项有效解决该问题的高新技术。
汽车覆盖件包括覆盖汽车发动机、底盘、构成驾驶室及车身的所有厚度3mm以下的薄钢板冲压而成的表面和内部零件，其重量占到汽车用钢材总量的50%以上。汽车覆盖件具有材料薄、形状复杂、多为复杂的空间曲面、结构尺寸大和表面质量高等特点。在冲压时毛坯的变形情况复杂，故不能按一般拉伸件那样用拉伸系数来判断和计算它的拉伸次数和拉伸可能性，且需要的拉延力和压料力都较大，各工序的模具依赖性大，模具的调整工作量也大。汽车覆盖件成形过程中板料上的应力应变分布情况非常复杂，成形质量影响因素较多。从变形方式看，板料的成形是拉延、翻边、胀形、弯曲等多种变形方式的组合过程。对一个给定的零件来说，一套合理的模具和工艺方案的确定，不仅要靠实践经验和理论计算，还往往离不开反复地试模和修模。因此汽车覆盖件模具设计的主要任务就是要解决好冲压过程中板料不同部位之间材料的协调变形问题，既要避免局部区域过分变薄甚至拉裂，又要避免起皱或在零件上留下滑移线，还要将零件的回弹量控制在允许的范围内。
目前，板料冲压过程的计算机分析与仿真技术（非线性有限元分析技术）已能在工程实际中帮助解决传统方法难以解决的模具设计和冲压工艺设计难题，如计算金属的流动、应力应变、板厚、模具受力、残余应力等，预测可能的缺陷及失效形式，如起皱、破裂、回弹等。在汽车覆盖件的设计中采用数值模拟技术能从设计阶段准确预测各种工艺参数对成形过程的影响，进而优化工艺参数和模具结构，缩短模具的设计制造周期，降低产品生产成本，提高模具和冲压件产品品质。
二、汽车覆盖件冲压数值模拟中的关键技术
汽车覆盖件冲压模拟所采用的有限元方法是弹塑性有限元法。弹塑性有限元法在板材成形数值模拟领域采用Lagrange描述，不仅能计算工件的变形和应力、应变分布，而且还能计算工件回弹和残余应力，是板材成形数值模拟的主要方法。在汽车覆盖件冲压成形过程中，坯料与模具所构成的大变形接触冲压系统都须满足弱形式的虚功原理，而方程的求解涉及到时间域的数值积分方法问题。
目前汽车覆盖件冲压分析多采用动态显式算法。在显式求解法中，用中心差分法进行动态问题的时域积分。显式求解法既没有收敛性问题，也不需求解联立方程组，但时间步长受到数值积分稳定性的限制。而在回弹模拟阶段普遍采用静态隐式算法求解。接触问题中的接触力大小则通过拉格朗日乘子法或罚函数法求解。
板料的弹塑性变形的有限元方法求解步骤：建立冲压过程的力学模型→建立相应的有限元分析模型→根据板料变形特性选定壳体单元类型并确定有关参数→根据板料变形特性选定弹塑性本构关系及有关参数→根据板料和模具的表面特性及其润滑状态选定摩擦定律及参数→对压料板的刚体运动和板料的弹塑性变形进行求解。
三、BK-6440后门内板冲压数值模拟仿真
1. 相关分析参数的确定
拉延工序采用双动压力机，主要加工参数：冲压速度V=10m/s；冲头行程L=237 mm；压边力F＝2000kN。
用于冲压的ST14钢材料性能参数：板料厚度t＝1.0mm；弹性模量E=2.10e5N/mm2；密度ρ=7.82e-6kN/mm3；泊松比υ=0.3；摩擦系数μ=0.10；材料各向异性屈服系数r0=1.77、r45=1.16、r90=1.94；材料的屈服准则，采用Hill1948各向异性屈服准则。 ST14材料的硬化曲线如图1所示。
图1 ST14材料硬化曲线
2. 分析软件的选用
在本项目的研究中，我们采用PAM-STAMP 2G 2004软件进行数值成形计算。该软件是由法国 ESI(Engineering System Internal)开发的薄板冲压成形过程仿真的专业化软件，能够对大位移、大旋转、大应变、接触碰撞等问题进行十分精确的模拟。它可进行自动网格细化，采用等效拉延筋模型，可以模拟多工步薄板成形问题，计算精度比较高。
3. BK-6440后门内板冲压有限元分析
首先建立起BK-6440后门内板曲面模型。该模型曲面比较复杂，由于分析软件中建模工具功能的局限性，因此我们通过UG18建立覆盖件模型后用IGES接口将其导入PAM-STAMP 2G 2004中，进行模型特征检查从而发现原来设计的不合理部分（有过切现象等）。然后通过对模型在CAD及CAE中的修改，得到消除过切与缺陷的曲面模型，并在PAM-STAMP 2G 2004中进行必要的工艺补充及前处理，通过模块PAM-DIEMAKER(快速模面设计与优化模块)最后建立起凸模、凹模及压边圈分析模型(如图2所示)进行分析。
图2 BK-6440后门内板冲压CAE分析模型
图3 冲压完成后板料变薄云图
图4 冲压完成后板料FLD图
在采用周围封闭式等效拉延筋形式时，板料冲压模拟完成后计算得到的最薄壁厚为t＝0.213mm（在实际冲压过程中已经破裂），但板料大部分冲压后的厚度在0.87mm～1.03mm之间。在图4所示的FLD图中可以看到，在该冲压条件下板料的冲压在某些部位会破裂，而且角部起皱的现象比较严重，冲压效果不好。我们可以从以下分析与实物的对比中发现理论计算与实际冲压结果的吻合度是很高的。而以往对于复杂的覆盖件拉伸件，用传统设计方法难以准确计算材料的塑性流动情况，并且很难准确预测工艺条件改变后材料流动的状况。
图5 起皱与断裂模拟与试验结果对比
图6 断裂模拟与试验结果对比
为了消除拉裂现象，我们应降低拉裂区的拉应变值。可采取调整压边力，改善润滑条件等方法以改变法向接触力和切向摩擦力的分布，以改善材料的流动状况。起皱是由于局部压应力过大引起薄板失稳所致，可通过增加起皱处的法向接触力，同时考虑避免导致零件其它部位拉裂的状况下进行工艺参数调整，使材料的流动趋于合理。通过分析计算，我们对模具曲面、工艺补充面、拉延筋的形状与布置等方面重新进行了调整与修改：在材料容易流动的地方加拉延筋，使板料在拉延时进料阻力均匀。改善板料在冲压过程中的流动条件（修改工艺补充面等），使变形趋于均匀，防止板料起皱现象的发生。该工况下冲压状况得到了一些改善：特别是起皱现象得到了有效的改善，然后通过调整压边力的大小（将压边力降为800kN）与压延筋形式等冲压工艺参数使破裂状况有了显著改善。
图7 修改过后的底模和拉延筋模型
四、结论
汽车覆盖件模具制造由于其形状的复杂性及模具轮廓尺寸大的特性，生产一套冲压模的生产成本是很高的，而且通常具有特殊的工艺补充曲面，用于零件曲面定型的主模型和样架制造工艺复杂、制造周期长并且需要有大型加工设备。
覆盖件冲压工序对模具有很大的依赖性，靠传统经验设计出来的模具的调整工作量大，周期长。因此通过运用先进的科学技术手段来设计此类模具是相当有必要的。板料数值成形技术应用于汽车制造业不但可以缩短模具的设计制造及调试周期，还可大幅度降低模具生产成本。目前板料数值成形技术在汽车覆盖件制造领域的应用越来越广泛，我们通过该项目的分析计算及生产验证，证实了通过数值仿真板料成形过程优化冲压工艺参数及模具形状从而指导实际生产过程的方法是切实有效可行的。
--《CAD/CAM与制造业信息化》(end)
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(11/18/2005) |
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