基于ST14材料冲压工艺有限元分析应用

袁小江 张秋菊

（①无锡科技职业学院，江苏无锡214028;②江南大学，江苏 无锡214122）

大众某型号汽车的左右后门窗框前支架对称工件如图1所示。该工件是两个具有对称性结构特点的工件，工件结构不规则，具有弯曲、拉深等工艺的复杂成形特点。工件材料为ST14，该材料属于普通结构钢的冷轧钢板（冷轧板是以热轧为原料，在室温下在再结晶温度以下进行轧制而成），屈服强度220 MPa，抗拉强度270～350 MPa，硬度约为50 HRB，Mn含量≤0.4% 、C含量≤0.08%，在冲压产品材料的使用等级中，ST14材料主要是侧重于拉深性能，属于深拉深级。ST14材料和普通低碳镀锌板相比硬度高，但是可塑性和韧性差。ST14材料相当于SPCE材料，目前国内使用的ST14材料主要以宝钢生产的为主。

1 工件冲压工艺分析

图1所示的左右后门窗框前支架工件如果只针对一个工件来分析，根据经验的冲压工艺分析可知，工件在成形过程中受单边的侧向力，容易导致材料的偏移、起皱等缺陷问题，并且这些缺陷问题比较难于解决。

根据对称性工件的结构特点，如果把对称的两个工件设置在一块材料上一起进行冲压成形，则可以使两个工件所受的单边侧向力相互抵消，一定程度上克服冲压工艺的缺陷问题，最后将整体材料的工件一切为二，得到一对对称工件。

根据上述左右后门窗框前支架工件的冲压工艺分析，该工件的冲压工艺大致可以分为:落料、成形、冲孔切边、切断、弯曲五个基本工序。两个对称工件一起进行冲压成形，这也增加了成形工序的工艺难度，基于经验设计的工件成形工艺结构能否保证工件一次性合格成形，这都给设计者较高的考验［1］。

2 基于AutoForm冲压工艺有限元分析［6］

左右后门窗框前支架工件冲压工艺的重点和难点都是成形工艺，落料、切断、弯曲等工艺相对简单些，基于经验设计基本能确保产品一次性合格。但是针对深拉深级的ST14材料的成形工艺，经验设计也很难确保产品一次性合格，如果不能一次性调试合格，这种成形模具的修改是非常困难的，也容易导致产品成本的大幅增加，并拖延产品开发的周期。所以此时需要将经验设计与优秀的AutoForm冲压工艺有限元分析软件相结合，辅助设计人员进行设计，准确地把握工件冲压工艺的缺陷问题，优化结构方案设计。

2.1 压延筋工艺结构有限元分析

根据左右后门窗框前支架对称工件成形工艺的经验分析，为防止成形过程中ST14材料过快流动而起皱，经验设计之一就是在压边圈的周边设置一圈压延筋，材料经过压延筋的工艺结构由压边圈向工件内部流动成形，起到减缓材料过快流动的作用，防止工件弯曲、拉深成形的部位材料堆积而起皱。基于压延筋工艺结构的AutoForm软件模拟成形工艺如图2所，其分析结果如图3所示。

从图3基于压延筋工艺结构的有限元分析结果来看，ST14材料很明显地在拉深成形部位出现了严重的开裂现象。虽然压延筋工艺结构有效地解决了起皱问题，但是由于压延筋使材料受到较大的摩擦阻力，不能良好地向内部补充材料而出现开裂，所以压延筋工艺结构不合理。

2.2 包覆面工艺结构有限元分析

根据压延筋工艺结构所产生的问题，为了既防止材料过快流动，又能一定程度减小摩擦阻力，使材料在受控的条件下成形，采用在凸模外围周边设置包覆面的工艺结构如图4所示，其分析结果如图5所示。

从图5基于包覆面工艺结构的有限元分析结果来看，与压延筋工艺结构相比，材料开裂现象得到了较好的控制，但是局部还有些小开裂的现象（如图5所示），小开裂对应的边缘部位材料流动不顺利，从而导致两个凸起的角部材料补充不足而开裂;该处的工艺结构与压延筋工艺结构处不同，主要是由于包覆面的工艺结构增加了工件后续切边、切断的高度，为了减小后续工艺的难点，在包覆面工艺结构的两个对称工件中间设置为规则的过渡平面。包覆面工艺结构对工件成形基本是成功的，只需再进行局部的工艺修改即可。在局部开裂的对应处设置较大的圆弧，结合压延筋工艺结构该处的优点，分析结果如图6所示。

由图6的有限元工艺分析可以看出，经过局部工艺圆角的修改后，包覆面工艺结构的冲压成形结果是良好的，相关指数都没有超出安全范围。在此冲压工艺分析的基础上，再结合经验进行模具结构的优化设计，这样能够保证模具一次性调试成功。

3 不同材料的分析比较

针对ST14材料的左右后门窗框前支架对称工件冲压工艺的分析，与经验结构工艺设计取得了良好的结合效果，针对ST14材料的冲压工艺参数设置也在合理范围内。为了说明这些工艺结构设置对ST14材料成形工艺的针对性，下面将左右后门窗框前支架工件设置为日本牌号材料（冲压用）SGCD1，材料设置如图7所示。按照相同的工艺条件进行冲压工艺有限元分析，分析结果如图8所示。

针对日本牌号材料（冲压用）SGCD1的分析结果，图8中材料的空白处为成形工艺中材料的开裂位置，开裂现象比较严重，开裂缺陷出现在多个位置;这说明按照ST14材料设置的工艺结构是特定的，换成其他材料则需要不同的工艺结构。

4 结语

基于AutoForm冲压工艺有限元分析软件，针对ST14材料的左右后门窗框前支架工件工艺分析，与工程设计人员的经验相结合，根据冲压成形工艺经验结构的反复修正，分析工件冲压成形工艺过程中的缺陷问题，对比不同材料相同工件的工艺结构，最终确定合理的工艺结构，从而辅助设计人员进行模具结构的优化设计，大大提高了结构设计的科学性，降低了实际生产成本。

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