汽车覆盖件冲压成形的数值模拟

汽车覆盖件冲压成形的数值模拟
作者：王家昆李琦胡东勇罗英李再参
一、引言
对于制造业来说，21 世纪竞争的核心将是新产品的竞争。

围绕新产品的竞争，一场以信息技术为特征的新的制造业革命正在全球波澜壮阔地展开。

如何实现高质量、低成本、短周期的新产品开发，是赢得这场竞争的关键。

汽车覆盖件与一般薄板拉伸件相比，具有材料相对厚度小、结构尺寸大、形状复杂、尺寸精度和表面质量要求较高的特点。

其零件大多是由复杂的空间自由曲面组成，成形时，坯料上各部分的变形复杂、差别较大，各处应力也很不均匀，使零件的冲压工艺性较差，拉伸过程中容易产生起皱或破裂现象。

车身覆盖件的成形过程涉及几何非线性、材料非线性和复杂的接触与摩擦等问题，在传统的冲压生产过程中，无论是覆盖件模具的设计、制造，还是坯料形状和尺寸的确定，冲压工序、工艺参数的规划，都要设计制造原型，经过多次试生产和多次调试修正才能确定，这是一个试错逼近的过程，造成人力、物力和财力的大量消耗，生产成本高，周期长，质量不易控制。

随着计算机技术的不断发展，计算机辅助工程(CAE) 已广泛应用于板料成形过程分析，不仅可用于后期的工艺分析及模具设计，也可用于产品设计阶段，以确保零件具有较好的冲压成形工艺性。

预先在计算机上进行实际生产过程模拟，可在计算机屏幕上观察毛坯的成形过程，预示汽车覆盖件零件冲压成形的可行性，然后通过少量试模验证，就可得出较可靠的可行性结论。

现使用法国ESI 公司开发的PAM-STAMP 2G商业化专业板料冲压成形软件对汽车后盖内覆盖件进行冲压模拟分析。

二、数值模拟
1、PAM-STAMP 2G软件简介
PAM-STAMP 2G软件的新的系统框架可以在各模块之间进行无缝数据交换，还提供了可以客户化的应用程式编程界面。

PAM-DIEMAKER 通过参数迭代的方法获得实际的仿真模型，能在几分钟内生成模面和工艺补充面，并快速分析判断零件有无过切(负角) ，并计算出最佳的冲压方案，然后可非常简单地对模面和工艺补充面的几何形状进行修改，并参数化地完成所有前期模具设计的控制。

PAM-QUIKSTAMP 提供的是一个快速成形分析，在精度、计算时间、计算结果三者之间折衷出最优的方案，能让模具设计师快速检查和评估其模具设计，包括模面和工艺补充部分以及其他模具设计的合理性。

PAM-AUTOSTAMP 可为用户提供在实际工业条件下，如考虑重力影响、压料过程、多步成形、各种拉伸、切边、翻边和回弹等复杂情况下的可视化冲压成形模拟。

2、汽车覆盖件冲压成形数值模拟流程
汽车覆盖件冲压成形数值模拟流程见图1。

图1 汽车覆盖件冲压成形数值模拟流程
3、汽车覆盖件拉伸工艺及选择参数应注意的问题
(1) 选用合理、经济的覆盖件材料。

汽车覆盖件的拉伸实际就是以金属的塑性性能为基础的冲压加工，因此一般选用屈服点ζs 和屈服强度ζs/ ζb 较低，伸长率δ、厚向异性指数n 较高的薄板材料。

(2) 覆盖件的拉伸深度。

在符合产品尺寸的条件下尽可能平缓均匀，让各处的变形程度趋于一致。

(3) 拉伸方向。

覆盖件拉伸方向的确定，不但决定能否拉伸出满意的拉伸件，而且影响到工艺补充部分的多少和压料面的形状，合理的拉伸方向应从以下几方面考虑:a) 保证凸模能够进入凹模，当覆盖件有局部凹形或反拉伸要求时，覆盖件本身的凹形和反拉伸要求就决定了拉伸的方向。

a) 凸模与毛坯在开始拉伸时，应保证良好的接触状态。

拉伸开始时，凸模与毛坯保持较大的接触面积，并位于凸模中心部分，这样毛坯才不易发生局部应力集中而使零件产生破裂，而且材料能均匀地拉入凹模，不会因毛坯发生挪动而影响拉伸质量。

毛坯能完整地贴紧凸模，拉伸后可获得完整的凸模形状。

(4) 正确确定压料面的形状。

压料面是覆盖件工艺补充面的一个组成部分，即位于凹模圆角半径以外的那一部分毛坯。

拉伸前，压料圈将要拉伸的毛坯压紧在凹模压料面上，不形成皱纹或折痕，在拉伸过程中，压料面逐步进人凹模内，同时尽可能降低拉伸深度，保证进入凹模的材料不皱、不裂，获得合格的拉伸件。

因此确定压料面要做到如下几点:a) 压料面尽可能为平面、圆柱面、圆锥面或曲率很小的双曲面等可展面，当毛坯被压紧时，不应该产生皱纹或扭曲现象，以便材料向凹模内顺利流动。

b) 压料面与拉伸凸模的形状应保持一定的几何关系，保证在拉伸过程中毛坯始终处于拉胀状态，拉入凹模内的材料不会多料，也就不会产生皱纹。

(5) 合理增加工艺补充面。

工艺补充面的作用在于改善覆盖件拉伸时的工艺条件，使材料各处变形均匀，也是拉伸后修边和翻边工序的需要。

因工艺补充面在拉伸后要被修掉，所以应尽量少用工艺补充面，节约材料。

同时，在尺寸满足的情况下，应尽量采用浅拉伸，让制件容易成形。

三、实例
1、模型的建立与计算条件
在UG软件中完成汽车后盖内覆盖件的几何建模，并修改处理成拉伸工序件模型，包括冲压方向、压料面、工艺补充面等，数字模型用IGES 格式导入PAM-STAMP 软件中，利用软件中的前处理工具来对几何模型进行网格划分，建立冲压成形的有限元模型凹模。

采用OFFSET或者TOOLS BUILDING方式形成凸模及压边圈的有限元模型。

图2 为汽车后盖内覆盖件冲模的有限元模型。

图2 模型
2、材料参数和边界条件
汽车后盖内覆盖件材料采用宝钢ST14 ，厚0. 8mm，杨氏模量E = 206 MPa ，泊松比ν= 0. 33 ，密度ρ= 7. 8 ×106 ，硬化系数K= 0. 59 MPa ，硬化指数n =0. 249 ，各向异性指数r0 = 1. 88 ，r45 = 1. 4 ，r90 = 2. 33 ，硬化曲线ζ= k (ε0 +εP) n。

边界条件如下:确定摩擦系数为0. 12 ，压边力为2 000 kN。

3、模拟结果
模拟可显示各加载时刻板料的变形、应力、应变分布及板料厚度变化和成形极限图等，其中厚度变化和成形极限是工程界最为关心的2 个物理量。

图3～图5 所示为计算机模拟冲压成形后的板厚分布，其中最薄处减薄量达65 % ，已处于破裂范围，起皱也非常明显。

图6 所示为成形后的应变分布; 图7 为成形后的应力分布; 图8 是拉伸成形后的成形极限图( FLC) ，图中成形曲线( FLC) 由材料参数和屈服理论确定，从图中8 可看出，制件已经处于破裂期。

图3 计算机模拟冲压成形后板厚分布
图4 计算机模拟冲压成形后板厚分布左下角局部放大图
图5 计算机模拟冲压成形后板厚分布右下角局部放大图
图6 计算机模拟冲压成形后应变分布
图7 计算机模拟冲压成形后应力分布
图8 计算机模拟拉伸成形后的成形极限图(FLC)
实际冲压结果图9、图10 是实际冲压零件照片。

通过实冲，验证了计算机模拟冲压成形分析的准确性，从图中可以看出，下部两角出现破裂，与数值模拟结果比较接近。

图9 实际冲压零件照片(中心的裂口为工艺裂口)
图10 实际冲压零件照片(右下角局部)
4、模具和工艺参数的调整与优化
从模拟结果和实际冲压结果可以看出: 成形件下面两角均出现明显的破裂和起皱，说明所设定的冲压条件(模具和工艺参数) 不合理，但应该调整哪些参数才能获得满意的结果?经过多次数值模拟知，在模具系统和工艺参数中，拉伸(冲压) 方向、压料面和工艺补充面的形状、压边力、拉伸筋、入模圆角、摩擦情况、冲压速度等参数对零件工艺性和质量有很大的影响，直接影响着零件起皱、破裂、表面皱纹和回弹等。

在覆盖件成形过程中，为了防止起皱，提高产品的刚性，一般都要通过采用拉伸筋的方式来控制材料的流动。

本例中，在压料面上，距凹模口25 mm处设置了1 圈拉伸筋，统一为圆筋形式，高度为10mm，为了便于以后根据不同的部位、不同的进料程度调整拉伸筋的阻力和筋的高度，在实际生产中，可以根据模拟结果在相应部位进行修磨。

在增加了拉伸筋后的模拟结果中，周边起皱情况得到了很好的控制，零件的成形质量得到了很大的改善，但是两角处的减薄加重，因此必须通过调整压边力、拉伸筋、模面和工艺补充面形状等来解决。

两角处的破裂是由于拉伸较深，进料困难，当拉应力过大时，便产生破裂。

通过多次调试，将压边力适当减小至1 800 kN，拉伸筋的高度降低为5 mm，阻力也相应减小，两角处能够有较多的进料。

通过这种压边力和拉伸筋调整，两角处的开裂得到了一定的改善。

经过多次模拟发现，仅仅依靠调整压边力和拉伸筋的设置，很难完全消除开裂，而在此处修改模面和工艺补充面的形状，却能够很好地满足减小进料阻力的要求。

后在两角处修改了工艺补充面，使其拉应力减小，从而使零件的起皱和破裂得到了解决。

经过上述模拟优化过程，得到了合格的成形件，如图11、图12 所示(从FLC图看，虽仍有破裂趋势，但不在产品范围内) 。

图11 修改模面后计算机模拟的冲压成形板厚分布
图12 修改模面后计算机模拟的拉伸成形极限图(FLC)
四、结束语
汽车覆盖件冲压成形的数值模拟，可以修改、优化工艺参数，提高模具设计制造质量，缩短模具制造、调试周期，降低制模成本。

现对汽车后盖内覆盖件冲压成形过程进行了模拟分析及实冲验证，模拟结果和实冲结果吻合较好，表明采用PAM-STAMP软件是可靠的，采用的方法是可行，说明利用数值模拟技术所得的结果是正确的，可以准确模拟汽车覆盖件冲压成形过程。

通过对汽车后盖内覆盖件的模拟，找到了引起拉裂缺陷的原因，并找到了消除缺陷的方法，通过对模具和工艺参数的调整和优化，给出了合理的工艺参数，优化了模面和工艺补充面，模拟结果为实际生产提供了较好的依据。

(end)。