基于数值模拟的曲面翻边冲压工艺设计

2014-05-26龙玲王青春刘培勇

科技创新与应用 2014年16期

龙玲　王青春　刘培勇

摘要：针对汽车零件曲面翻边工艺的复杂性，研究了采用数值模拟技术在翻边工艺设计中的应用方法。以某汽车结构件为例分析了实施步骤及关键技术，对仿真结果进行了材料成形质量分析提出了工艺优化方案，通过数值模拟试验平台上得以验证，为汽车零件复杂曲面的翻边工艺制定提供了科学的依据。

关键词：汽车零件；冲压工艺；曲面翻边；数值模拟

引言

为了满足装配需要和增加零部件的刚性和强度，翻边工序是汽车零部件冲压成形最常见也是最重要的工序之一，但由于车身冲件形状多是复杂的空间曲面，材料变形机理复杂使得其成形质量很难控制，因此翻边成形性预估一直是汽车零件曲面翻边成形工艺中非常重要的课题[1-3]。

在进行类似汽车零部件这类复杂形状的翻边成形工艺设计时，由于成形特征可能会有弯曲、局部拉深或压缩变形，它们的变形没有一个固定的成形规律，需要综合分析翻边高度、翻边方向等因素对零件成形性的影响，并且在试模之前提前预测零件的成形质量，为模具设计人员和工艺人员提供一个有效的定量分析手段，若发现问题可及时改进模具结构或工艺设计。

当前，采用有限元技术进行板料的成形分析已得到广泛的应用，但大多集中在对拉深的变形模拟研究[4]，对汽车零件而言，翻边成形工序亦具有复杂的变形机理和难以预测和控制的工艺特性。因此，本文以汽车某零件为例，研究数值模拟技术在翻边工艺设计中的应用，具有较强的工程意义。

1 曲面翻边变形分析

1.1 曲面翻边变形特点

翻边是在成形坯料的曲面部分上，利用模具把板料沿一定曲线翻成竖立边缘的冲压加工方法[5]。翻边根据工件形状的不同其变形机理亦不一致，不同类型的翻边成形具有不同的变形特点，并且随着工件的复杂性其变形难度增大，特别是曲面的翻边（如图1所示），因材料在成形过程中所受的应力和产生的应变，以及不同成形区域的相互制约和影响，使它们的成形变化比平面翻边复杂得多，且影响翻边质量的因素诸多，如直边部分长度、翻边高度、圆弧部分的曲率半径以及模具的几何形状等，设计时应综合考虑各因素的影响。

1.2 翻边力的分析

通常情况下，翻边时压边圈下的坯料不会流入凹模，因此可认为该区域材料是不变形区，在设置压边力时为了保证这部分材料不产生流动和变形，可将其压边力设置得较大。但实际翻边时压边力的大小要根据要求和条件而定，当外法兰部分面积比较小，通过分析或发现这部分材料有流动的变形趋势时，压边力的计算可按拉深压边力计算，并取修正系数1.2-1.5。若外法兰部分面积越大，所需的压边力越小，甚至不需要压边，可不用压边板，这一点刚好与拉深相反。拉深时，外法兰部分面积越大，所需压边力越大，必须用压力圈。

2 翻边成形数值模拟分析

以图2所示零件为例，分析该工件的翻边工艺设计。由冲压工艺知识可判断，该零件的成形区域B属于翻边成形，但是可看出其翻边轮廓是三维立体形状，是一个集伸长、压缩以及弯曲变形的混合成形零件，不种性质的翻边变形互相影响、互相制约，使翻边变形变得非常复杂。因此需要在研究冲压变形原理的基础上，采用有限元数值分析方法对其工艺进行辅助分析。

2.1 有限元模型的建立

零件材料为HSLA250，属于汽车零部件上需要采用的高强度低合金钢，其主要力学参数为：屈服强度：250MPa；各向异性系数为：R00=0.949，R45=0.976，R90=1.209；杨氏模量：207000N/mm2，泊松比为0.28，密度为7.85E-6 N/mm3。材料厚度为2.5mm。HSLA250的应力应变曲线如图3所示。

由工艺知识和经验可知，该零件主要有拉深（A区域）和翻边成形（B区域）工序，工艺流程通常为先拉深后翻边。因此翻边工序的有限元模型不能直接在图2所示的零件基础上构建[6]。而应将前一工序（拉深工序）的成形计算结果导入模型，沿修边线进行修边得到的坯料作为本序的毛坯有限元分析模型，如图4所示。

在得到翻边的毛坯模型后，在UG里面设计出对应的凸模、凹模和压边圈的模面，提取曲面并以IGES格式导入DYNAFORM分析软件，对凸模、凹模、压边圈分别划分有限元网格，得到翻边成形的FEM模型如图5所示。

2.2 翻边高度的分析

翻边成形高度是翻边工序的重要尺寸之一，表面上看来它就是零件图上的翻边尺寸，但实际上这个尺寸是基于一次性翻边成形且不出现任何质量问题的条件下所采用的，若出现了质量问题，那么翻边工序不得不分步进行。一般情况下，翻边轮廓变形均匀的工件，如圆孔类翻边件，允许最大翻边高度可通过极限翻边系数确定，但对于不均匀轮廓或者复杂变形的翻边件，利用公式很难准确的做出计算，因此可采用成形模拟法对其进行分析，可以较准确的分析翻边的成形性，以判断一次性翻边成形的合理性。

因此，对图5所示的一次性翻边FEM模型设置材料、摩擦、压力等工艺参数后，提交分析并计算，在后处理模块打开成形极限图（FLD），如图6所示。

从图中可看出，工件成形后出现了开裂和起皱等质量问题，这显然是达不到工件的成形质量要求的。

2.3 翻边成形的质量分析与评价

在实际工程应用中，采用成形极限图（FLD）和厚向应变分布图判断与分析板料的成形性，预测起皱、破裂和成形不足等缺陷。对于普通钢板，一般为板料厚向增厚10%时，板料容易起皱，而厚向减薄30%时板料容易破裂。而对于深冲钢板减薄量可以增大一些。通过图6所示的FLD图可初步判断出成形质量不合格。

2.3.1 起皱

从FLD图和厚度分布图中可看出，工件成形后在图示区域轮廓边缘出现了较大程度的起皱，对其进行进一步应力应变分析，如图7所示为起皱区域部分节点的厚向应变，可以看出，最大厚向应变增厚率达到62.8%，根据翻边变形特点分析，此区域处于曲面边缘压缩类变形区域，并在圆弧与直边的相邻位置，因此很容易受切向压应力方向产生压缩变形，从图8看出，节点1的压应变？着2为-0.97，其绝对值远远大于其主应变？着1值0.37，因此导致压缩失稳而起皱。

为了解决起皱问题，需综合考虑各方面因素的影响，有些是结构尺寸因素，有些是成形工艺参数。对于设计者而言，需找到对其质量问题影响较大的关键因素，从而采取相应的工艺措施，如增大压边力、增加凹模圆角半径等。

2.3.2 开裂

从FLD图6中发现零件转角区域存在破裂倾向，还有个别区域已经破裂，图9为破裂危险区与破裂区局部放大图和其中任选节点的应变值，从应变值上看，此区域的最小拉应变值为0.475，但是在其对应材料HSLA250的应力应变曲线（见图3）上，对应于0.475的应力值大约为580MPa，明显超过了HSLA250本身的抗拉强度250MPa～370MPa，并且由翻边变形特点分析可知，该区域正好处于曲面翻边的圆弧部分，是其翻边成形产生破裂的危险区，因此在此处很容易因拉伸变形过大而造成开裂。

解决翻边成形开裂问题的措施也需着手于其不同工艺因素的影响，对于翻边开裂问题最常见的即是翻边高度超过了其最大成形极限，因此通常采用分步翻边成形的工艺步骤。

2.4 工艺改进与验证

在前面所述有限元试验与分析的基础上，对翻边工艺进行改进设计，如图10所示为此工件分2步翻边后的成形结果，可看出最终翻边成形件没有出现开裂或者开裂倾向的区域，验证了工艺改进后的合理性。

3 结论

（1）汽车冲压件由于装配需要和刚性的要求，往往在曲面边缘设置翻边结构。应用数值模拟与分析技术进行翻边工艺设计是一种有效且可靠的方法。

（2）对于曲面翻边的起皱问题，采用增大压边力、增加凹模圆角半径等工艺措施能使其得到合理有效的改善。

（3）对翻边开裂问题主要原因是翻边高度超过了其最大成形极限，采用分步翻边成形的工艺方法得以改善。

参考文献

[1]曹颖，李大永，李峰等.翻边成形性预示及修边线位置确定[J].武汉工业大学学报，2000（4）：43-45.

[2]施于庆，张剑藤.影响内外曲翻边的质量因素分析及采取的措施[J].金属成形工艺，2000，18（2）：44-46.

[3]栾贻国，宋立彬，李辉平等.几何参数对曲面翻边成形的影响[J].塑性工程学报，2010，17（6）：1-8.

[4]徐伟力，林忠钦.车身覆盖件冲压仿真的现状和发展趋势[J].机械工程学报，2000，36（7）：1-4.