基于AutoForm的前罩锁销加强件有限元仿真分析

2021-12-22黄好岳陆游

机械工程师 2021年12期

黄好，岳陆游

（江苏大学机械工程学院，江苏镇江 212013）

0 引言

随着当今世界的经济发展，汽车产业也在升级换代，汽车覆盖件越来越多样化。在数字化技术逐步与传统生产方式结合的背景下，汽车覆盖件的生产模式与生产工艺都有了很大的进步。CAE软件能在计算机中模拟汽车覆盖件的成形过程，通过模拟结果能发现各种缺陷，及时调整工艺参数，以缩短试模修模时间，提高合格率。本文以一种汽车前罩锁销加强板为研究对象，先对其结构特点与成形性进行分析，再在AutoForm软件中模拟其生产制造过程，并通过改进与调试，解决各种成形缺陷，提高零件品质，为实际生产确定最优工艺参数。

1 零件结构特点与成形性分析

汽车前罩锁销加强件如图1所示，该零件厚度大约为1.2 mm，法兰形状为多平面法兰，侧壁形状为斜面侧壁，表面结构不规则，比较复杂，孔洞较多，形状大小不一，且不在同一冲压方向上。作为汽车的覆盖件，要求其表面平滑，避免有起皱、开裂、划伤、坑包等缺陷，因此选用材料为DC04的冷轧钢板进行冲压模拟分析。DC04钢属于加磷铝镇静钢，因其具有屈服强度较低、抗拉强度较高、伸长率较大和塑性应变较好等优点[1]，在汽车覆盖件等制造要求比较高的产品零部件中应用广泛，其性能参数如表1所示[2]。

图1 汽车前罩锁销加强件三维模型

表1 DC04钢板材料性能参数

通过分析，初步确定零件成形加工工序为：1）剪板；2）拉深；3）修边、冲4个小圆孔和2个异形孔；4）翻边；5）冲最大异形孔和旁边的小圆孔。

剪板尺寸为1.2 mm×270 mm×210 mm，该尺寸是用AutoForm软件中的“Part-formchk”模块参考确定的，该模块的功能是把导入零件的三维数字模型在二维平面上展开，以便检查基本零件成形性，估算最小毛坯[3]，特在此提前说明，展开效果与板料尺寸确定如图2 所示，轮廓中间箭头为送料方向。

图2 零件展开效果与板料尺寸

2 成形前处理

将该零件的UG数字模型以IGES格式导入AutoForm软件，AutoForm软件的有限元分析系统读取零件的数字模型并且自动进行三角形网格划分，本次模拟采用软件默认的参数设置，即拟合公差（stitching distance）为0.50，在Backdraft Limits中设置安全状态（Safe）为3°，临界状态（Marginal）为0°。

2.1 拉深工序

拉深是汽车覆盖件冲压的关键工序，因为汽车覆盖件的大部分形状是由拉深实现的。拉深方式一般有单动拉深和双动拉深等，简单来讲，它们的区别在于提供压边力的方式：单动压力机通过凹模下行与压边圈接触挤压产生反作用力，该反作用力即为压边力，而双动压力机是通过特定机构提供压边力。考虑到单动拉深的结构简单，安全隐患少，而双动拉深虽然压边力大且稳定、精度也高，但双动压力机结构复杂，使用成本高[4]，因此本次模拟选取的拉深方式为单动拉深。

2.1.1 拉深方向的选择

拉深方向对制件的质量和模具结构的复杂程度有直接影响。按尺寸来分，该零件属于中型拉深件，且形状较复杂，因此尽量使所有表面形状能被一次拉深成形。确定拉深方向时应保证凹模和凸模能完全贴合，避免存在凸模接触不到的“死区”[5]。另外，拉深方向还需有利于防止零件产生表面缺陷。基于拉深方向的选取原则，该零件的拉深方向如图3所示。

图3 拉深方向

2.1.2 拉深工序的工艺补充、压边圈及压料面的设计

工艺补充部分就是对拉深件额外增加的形状部分，它能合理地控制材料的流向，进行形状过渡，降低拉深难度，提高零件的成型质量。设计时应考虑以下方面：1）应将所有内孔封闭；2）易于塑性变形；3）对后续工序有利，比如提供形状定位，尽量避免侧切边等。另外，因为外部工艺补充部分会在修边工序中被切除，所以其结构形状应尽量简单，减少材料浪费，提高材料利用率，降低生产成本。该零件的工艺补充设置为如图4所示。

图4 工艺补充

在拉深工序中，压边圈的参数设定非常重要：1）压边圈行程。它会影响到板材放到压边圈上的形态和板材接触模具时的状态，在实际生产中，在压边圈抬起时刚好与凸模的最高点平齐[6]，这里将其设置为100 mm。2）压边力。在初始模拟时，压边力可以设置成压强（3 MPa），调整优化完成后根据计算的压边力设置成1000 kN，如图5所示。同时，压料面直接影响到板料流动的方向和速度、变形的分布与大小等问题，所以其形状应尽量简单，使得阻力变化相对容易控制，有利于调模。另外压料面应尽量方便板料的送进和取出。由于采用单动拉深，在单动压力机上，模具的安装方式一般为“倒装”，即凹模在上面，压边圈和凸模在下面，中间放置板料，因此拉深工具体初始位置如图6所示。拉深时，压力机启动，凸模固定不动，上滑块下行带动凹模下行，使得板料与压边圈接触，直至将板料压紧到设置的压边力，接着凹模、板料和压边圈作为整体向下运动与凸模贴合，拉深完成。

图5 压边圈参数设置

图6 拉深工具体初始位置

2.2 修边及冲部分孔

修边是保证零件尺寸的重要工序，其主要内容是将拉深件修边线以外的部分切除掉。修边方向应尽量与拉深方向相同，如此可以省去换向操作或者减少模具数量。为保证模具的使用寿命，一般要求修边方向与制件型面的法线方向间的夹角不超过15°，冲孔方向与型面法线方向间的夹角也不超过15°，如图7所示，零件的左下部分最小角度为67.5°，最大角度为88.51°，因此可以将4个小圆孔、2个异形孔及部分修边同时进行，此时软件自动计算出冲压方向为81.78°，而右上部分的修边角度与左下部分冲压方向的夹角超过15°，需要另外设置冲压方向为42.75°（模具设计时使用斜楔机构修边），修边及冲部分孔工具体如图8所示。

图7 修边及冲孔角度

图8 修边及冲部分孔工具体设置

3 模拟结果分析

板料成形过程如图9所示。如图10所示，成形极限图（Forming Limit Diagram，FLD）能直观反映出在冲压过程中，板料在两个主应变的共同作用下，局部区域厚度发生变化时的最大应变量，经常被用来判断和评定成型时的起皱或破裂问题[7]。其中，红色表示开裂区域，绿色表示安全区域，黄色表示临界过渡区域，蓝色及紫色表示增厚起皱区域。