基于Dynaform的汽车零件冲压成形模拟的研究*

2013-06-28母德强

机械研究与应用 2013年3期

母德强，陈思

(长春工业大学机电工程学院，吉林长春 130012)

1 引言

随着计算机的应用和发展以及有限元法的成熟，板料成形数值模拟已在汽车工业中占有举足轻重的作用。Dynaform软件是美国ETA公司与LSTC公司共同推出的针对板料成形数值模拟的专业软件，是目前在航空航天、石油化工、汽车和日用五金等领域应用最为广泛的CAE软件之一。它可以预测板料成形过程中的破裂、起皱、减薄和回弹，从而评估板料的成形质量，为板料成形工艺及模具设计提供帮助［1］。本文利用Dynaform软件，对某汽车冲压件进行了模拟和分析，针对冲压后零件质量缺陷问题，进行修改及重分析，取得了较好的效果。图1为有限元模拟板料成形流程图。

图1 有限元模拟板料成形流程图

2 数值模拟分析步骤［2］

2.1 零件模型的导入与网格的划分

在Pro/E软件中对零件进行三维模型的建立，导入到Dynaform软件中。在板料成形模拟过程中，网格的划分尤其重要。理论上，网格划分得越细，越能得到准确的计算结果，得到的仿真结果也越趋于真实。但是，细分网格带来的弊端是计算时间较长，使得整体模拟周期变长，在一定程度上违背了有限元模拟的初衷。所以，适当的网格划分，不但能提高仿真计算效率，而且可以较准确的计算出结果。

2.2 确定冲压方向

在进行冲压成形时，首先必须确定冲压方向。合理的冲压方向可以提高成形后零件的质量，并且对工艺补充面及上下模的建立有所帮助。图2为零件的冲压方向。

图2 零件冲压方向示意图

2.3 创建压料面与工艺补充面［3］

在保证成形质量的前提下，为了减少仿真计算时间，提高据算精度，根据零件毛坯的大小，选择适当的压料面大小。在保证冲压成形质量的前提下，工艺补充面的面积应尽量的小，以达到较好的经济效益。同时也可以加快仿真计算速度，提高计算精度。图3为创建好的工艺补充面。

图3 压料面与工艺补充面

2.4 参数的确定

2.4.1 材料性能参数的选取

本次实验采用的是厚度为1 mm，类型为36的低碳钢“DQSK”，具体的性能参数见表1。在Dynaform软件中输入以上性能参数。

表1 材料性能参数

2.4.2 压边力的计算与确定

在计算压边圈压力时，可以按照下式计算:

式中:FQ为压边力，N;A为压边圈下毛坯的投影面积，mm2;q为单位压边力，MPa。可按表2进行选用。

表2 单位压边力

经过计算，取压边力FQ=334 269 N。

2.4.3 凹模运动速度

适当的提高凹模的虚拟模拟运动速度，不但可以提高运算效率，而且能够保证计算精度［4］。所以，根据实验计算机的配置，故取凸模的虚拟运动速度为8 000 mm/s。

2.5 任务的提交与运算

完成前处理过程后，就可以交由Dynaform软件中的LS-DYNA求解器进行求解。在成形的模拟计算中，拉延类型为单动(Single action)。零件模具的有限元模型如图4所示。

图4 零件模具的有限元模型

3 模拟结果分析

经过求解器计算完成后，可以对零件进行质量分析。图5为零件的极限成形图(FLD)。

图5 零件成形极限图(FLD图)

从图中可以看到，在零件的凸缘部分出现了起皱、延伸不足甚至是裂纹，影响了零件的成形质量，在实际生产实践中是不允许的。出现起皱主要原因是在拉深过程中，坯料在切向压应力和径向拉应力的共同作用下，被凹模压入到凸模中，在零件凸缘部分受切向应力过大，产生了失稳起皱。引起裂纹的因素很多，除了与径向拉应力有关，压料引起的摩擦阻力、坯料在凸模圆角表面滑动所产生的摩擦阻力和弯曲变形所形成的阻力都能形成裂纹［5］。根据此零件具体情况，可能是由于径向拉应力超过材料的抗拉强度所致。图6为拉深厚度分布图。如图所示，到拉深过程结束时，最薄处达到0.398 mm。最厚处达到1.059 mm。最大减薄率为60%，最大增厚率为5.9%。

图6 拉深厚度分布图

4 工艺优化及结果分析

对仿真结果出现的缺陷进行修正。针对零件两端出现的裂纹及形成原因，对工艺补充面进行调整，采用具有圆滑特点的工艺补充面的设计思想，主要是增加主截面线与工件间过渡圆的半径。对于零件两侧出现的起皱部分和延伸不充分部分，可以适当增加拉延筋，以增大坯料流动的阻力，使延伸更充分。另外对板料进行优化，板料冲压成形后多余部分过大，造成了严重的褶皱现象，减小板料面积，达到削减实际生产成本的目的。

4.1 优化工艺补充面中主截面线

主截面线与工件过渡圆的半径值过小，导致了图5中成形零件工艺补充面两端拉裂现象的出现，主要是因为材料在经过此圆角时，不仅要克服因为发生弯曲变形而产生的弯曲阻力，还要克服因相对流动而引起的摩擦阻力，所以对其圆角值适当增大，可以有效避免拉裂现象的发生。同时适当增大主截面线与工件之间的距离，主要目的是防止拉裂现象出现的同时，也为后续剪裁工序提供方便。尽量减少凹模的深度，目的在于可减少径向拉应力作用的时间，从而减少了零件两端出现裂纹的可能性。而且也可以减少板料的面积，节约成本。

4.2 等效拉延筋的布置

4.2.1 均匀布置等效拉延筋［6］

针对成形零件有效区域拉延不充分和褶皱部分现象的出现，在凹模上工艺补充面周围，均匀的布置了等效拉延筋。如图7所示。但在进行仿真计算后发现，虽然零件的拉延不足和褶皱缺陷得到了很大改善，但成形后零件两端重新出现了拉裂现象，说明在此区域中，板料流动的阻力过大，导致径向拉应力过大，使材料出现拉裂。解决方法是去除此部分的拉延筋布置。而且因为褶皱和拉延不充分部分出现的位置不同，使用相同的拉延筋阻力系数也是不合适的。