基于仿真在冲压设计参数研究汽车成员的过程.doc

基于模拟仿真的汽车冲压件成形过程设计参数的研究摘要：本文研究的是车身冲压件设计参数的定量影响。在此考虑的是影响冲压过程中金属流动的参数：压边力，拉延筋，压料面。本文所选择的成形性缺陷的指标，如拉裂，起皱和回弹量。汽车前方的内板零件的冲压工艺中是采用有限元分析模拟改变设计参数。数值计算结果表明，压边力无法控制在局部的金属流动，而是形成整体的金属流动。修改初始考虑的冲压的毛坯的大小，确保局部的起皱和降低成型后的回弹量。限制拉延力控制金属在局部流动，减少多余的金属量。据悉，参数设计的研究如压边力，毛坯尺寸和拉延筋在复杂零部件的工艺设计中是非常重要的。关键词：冲压工艺;成形性;压边力;压料面;拉延筋;金属流 1.绪论 板料冲压成形工艺被广泛用于生产汽车外板和车身结构的零部件。近年来，随着趋势发展要求增强车辆耐撞性与减少车辆的重量，高抗拉强度的钢板更广泛的用于车身结构零部件的生产。高强度钢的冲压工艺通常包括低成形断裂极限，几何形状缺陷如起皱和表面变形，回弹和模具磨损引起的低形状精度等。制造业的许多研究正在开发新的技术，以改善高强度钢板冲压产品的成形性。在冲压工艺中，各过程的变量，如毛坯的性能，模具的几何形状，摩擦特性，边界条件对产品质量有很大的影响,如图1。模具设计已经完成后需要大量的时间和成本，解决在试用阶段的例如起皱、拉裂、回弹和低表面质量的缺陷。在工厂和实验室中对影响的深冲产品质量的过程变量的分析是不定的，主要取决于经验，试验和错误，或熟练的技术人员和工程师的直觉。用数值分析可以预测一些缺陷如断裂，起皱和回弹量，但它不能充分的了解每一个过程变量对成形性的影响。在形状复杂的汽车构件的情况下，毛坯金属流入型腔对提高成形性和减少缺陷是重要的。通常情况下，压边力和拉延筋以及初使的毛坯形状控制金属流动，以确保零件的质量和避免起皱和拉裂。然而，压边力不是一个准确的工具来控制属流动，并在某些情况下，所需的压边力可能会超过毛坯的承受能力。为了有效控制金属的流动，拉延筋被用于钣金成型工艺，其机理是提供适当阻力来控制冲压过程中的毛坯金属流入模具型腔。 许多研究人员研究了压边力和拉延筋阻力来控制金属流动。Triantafyllidis等人1认为是拉延筋使用一维弹塑性壳单元和数值结果与实验结果相比较的影响。Wang 和 Shah2阐述一种圆形拉延筋和评估阻力的数学模型。利用实验，数值方法和公式理论方程进行了分析。Cao and Boyce3分析拉延筋深度方面的阻力。Choi 等人4还利用弹塑性有限元法估算了拉延筋约束力，来考虑毛坯尺寸的变化。最近，设计灵敏度分析还提出了优化在冲压过程中的压边力和拉延力。Kim 和Huh 5利用直接差方法优化压边力，以防止过度伸展、断裂，延缓起皱和通过减少回弹量获得良好的形状精度。数值模拟板料成形相当于通过施加适当的等效边界条件开展拉延形成。Mattiasson 和 Larsson 6建议考虑拉延筋形状的约束力，工具和毛坯之间的间隙和拉延的方向做为边界条件。 Huetink 等人7提出在冲压过程中不仅是阻力而且是拉延筋拉力和厚度的应变作为边界条件。 本文讲述了在冲压成形汽车前方内板过程中，控制金属流动入模具型腔的重要工艺参数的影响。前方的零部件是车身发动机仓的重要结构件。在发生意外时，它起着吸收能量和减轻变形的作用。它还可以防止发动机和传动部件进入驾驶室，并减少对乘客的伤害。虽然只考虑前部分的零件可以设计成直横梁，但把他设计成复杂的形状，以避免干扰传输和前轮胎的行驶。内面板零件的CAD三维模型如图2 。 在本文中，利用有限元模拟压边力，毛坯尺寸和拉延力，研究在冲压过程中金属流入型腔的特性参数的影响。在第一种方法中，成形分析封闭通道类型的初始毛坯的开展压边力的变化。数值分析结果产生非均匀的金属流动，导致失败，如起皱和拉裂。第二种方法为了克服这些缺陷，成形分析考虑最终产品的形状来改变初始毛坯大小的。最后，拉延筋是为了增强控制金属进入型腔的阻力。拉延筋阻力控制了金属流入局部区域，减少多余的金属量。而内面板的厚度分布，则是利用真实的产品来验证分析结果。2.冲压过程的数值模拟 本文中利用数值成形分析了在内板成形时，如压边力、毛坯初始尺寸和拉延筋阻力等设计参数的影响。而设计参数对内板的成形性的影响则是利用起皱、开裂及回弹量来评价的。一种商业的有限元程序LS-DYNA3D8用于成形模拟计算效率因为它需要巨大的计算时间利用隐式有限元方法来模拟成形的过程。分析中使用的材料是SPRC40，其流动应力是¯=734.7（0.01+¯）0.245MPa。最初的板材厚度为1.6mm。板料与模具之间的库仑摩擦系数是0.15。在数值模拟中为精确描述形变采用了自动划分网格的方法。在模拟中，分析步长的大小取决于弹性弹性模量，密度和坯料所划分的网格大小。缩小网格的方案是为增加坯料的密度，增加步长时间。缩小网格是为了满足在模拟过程中准静态的条件和在过多的动能下不产生任何问题。冲压仿真的有限元法中，冲床2m/s的速度是固定的，模具，冲床和装夹台构成三维CAD模型。图3显示内部面板的有限元分析。 2.1压边力的影响 假定初始的毛坯成形为封闭通道类型，压边圈和凸模的行程分析都伴随着压边力的变化。只考虑压边力对进入模具型腔金属流动的变化与控制时，使压边力分别为100KN，200KN和300KN。 图4所示的形变和随压边力变化的厚度应变分布。数值分析结果的表明，压边力为300KN时发生了拉裂，而同时在压边力未增加到300KN时起皱是没有消除的。分析结果还表明，当压边力过高时由于过度拉延，压料面和靠近凸模边沿都被拉裂；而压边力过低时产生起皱，压料面边沿出现严重的扭曲。只有当压边力用作于提高成形性的工艺参数时，才可能在冲压的过程中用简单的模具形状来控制全局范围的金属流动。因为汽车正前方的内部面板沿纵向与横向比较，有比较大的尺寸和它的形状类似矩形杯。如拉裂或起皱等失效发生在侧壁附近，因为压边力集中在凸凹模的肩角处。结果表明，只改变压边力来获得均匀的金属流动那是不够的。为了获得合格的产品，冲压的过程中还需要其他参数。 2.2坯料尺寸的影响 在上一节的分析结果表明，对封闭类型的坯料，只改变压边力是不能成功的成型，因为它会引起非均匀的金属流动，造成起皱和拉裂。作为校正，初始毛坯尺寸改变，以至于内面板形成开放的形状或半开放式。在本节中，进行数值分析研究初始毛坯尺寸对起皱和回弹的影响。在本文中，考虑用3种沿纵向方向的不同尺寸的毛坯进行模拟：例1为1250毫米;例2为1060毫米;例3为1120毫米。例1称为封闭毛坯型，内板变形为矩形杯形状同时凸缘仍然围绕整个料面;例2称为开放毛坯型，内板变形为一个像U型拉延弯曲件，沿纵向方向无凸缘; 例3称为半开毛坯型，内板沿纵向方向变形为一个拉延件，凸缘沿横向方向上的料面存在。初始毛坯尺寸的冲压分析比较如图5。 在分析施加压边力为100KN，通过自动划分网格来精确描述变形的形状。变后的形状和厚度应变分布比较如图6。数字显示，在例2和例3中压边力为100KN时既不发生凸缘起皱，也不发生近模具肩角处的拉裂。 图7指定截面的位置比较变形的形状和厚度的分布。为了精确比较例2和例3之间的成形性，检测了图7中在E-E'截面变形的形状和厚度分布。在E-E'截面上几何结构急剧变化，因为吸收多余的金属纵向方向存在浅凹坑。图8（a和b）显示了指定截面附近的变形。分析结果表明，在开放型案例2中内面板成形时，沿截面附近的毛坯侧壁倾向于褶皱；而在半开放式案例3中，有减弱的倾向。图8（c）定量比较例2和例3之间的厚度变化。在例2中侧壁附近的壁厚增至2.6mm，而在例3中侧壁附近的壁厚增至1.9mm。例2中截面的周长比例3中截面大约长了10mm 。例2与例3相比，是由于例2中沿纵向方向的阻力较小，同时沿纵向料面没有凸缘。 初始坯料大小对回弹量的影响是通过比较冲压后的形状精度来研究的。比较例2和例3，图7中截面A-A',D-D'和G-G'表示回弹后变形形状截面。在横截面面积的测量，用于回弹量比较，在例子中可以看出，在冲压产品的两端和中心，是沿纵向方向的。三个横截面的形状在变形回弹之前和之后如图9，这也解释了，在例2中凸缘形成改变了由于弹性恢复引起的严重回弹。 与例2相比，例3的弹性恢复率显着减少。回弹后沿整个料面凸缘的旋转角度，在例2中为8.4，例3中为0.7。例2中大回弹量是因为在长度方向上没有凸缘在料面的周围，从而使其在纵向上的阻力较小。 据悉，从形成安全无拉裂，起皱和良好的形状精度的角度看，冲压中采用例3的半开型的初始毛坯比例1的封闭型和例2的开放型更适合。分析结果表明，通过优化车身零件沿纵向方向的初始毛坯尺寸，即沿纵向方向的尺寸比沿横向方向大，可以防止起皱和减少回弹量。但局部增厚不能消除，它仍然需要在大的拉延比例处和截面突变的位置，控制局部的金属流动。2.3 拉延阻力的影响 在上一节中，压边力和初始毛坯尺寸的影响被用于评价汽车前方零件内面板的冲压仿真。低成形性的倾向如拉裂，起皱或回弹可以减少。由于局部增厚或在复杂的几何形状和拉延率大的局部的非均匀性的金属流动引起起皱，导致的缺陷仍然存在。本文中，用拉延筋增强整个料面来研究对改善金属流动的影响。 窗体顶端 拉延筋一般用于金属板材成形，主要用来增强控制毛坯流入模具型腔和冲压过程中的阻力。其尺寸远远小于其他模具尺寸较小。而且包括拉延筋几何模型的在有限元模拟是非常困难的，因为由于拉延筋周围的小元素，模拟的计算时间是大大增加。 拉延筋被描述为线元素和拉延力假定为拉延筋节点的等效力量。由于拉延筋，它在有限元节点的外力，是用拉延筋和毛坯材料的几何关系来计算的。本文中，拉延筋的等效阻力用数字计算出了，并且为了提高计算效率把边界条件的加强作用也视为拉延筋。在本文中，循环拉延筋的设置是为了给毛坯材料提供附加的阻力。图10表明了设置的拉延筋的形状和尺寸。为了获得拉延阻力，需通过有限元模拟，拉延筋分析主要有两个步骤：首先，拉延筋形成分析已经开展;其次，拉延分析已经完成。为确度要求，平面应变条件下的二维分析采取了商业代码为ABAQUS的标准9。图11和图12显示拉延筋成形过程中的变形和拉延过程。图13所示根据拉延深度计算的阻力，这表明在早期的边界条件下阻力在不断的增加。随着拉延深度的增加，阻力达到固定值因为弯曲力和坯料摩擦力与外部拉力达到平衡。利用形成的边界条件分析，结果在拉延筋处提供0.226KN/mm的阻力。 用于模拟的初始毛坯尺寸是和2.2节中例2的半开放式类型相同的，同时施加的压边力为100KN。图14用曲线表示拉延筋的位置。图15代表拉延筋成形模拟后的产品的厚度应变分布。数字显示，当拉延筋被考虑在计算中时厚度是减少的，因为拉延筋的阻力阻碍了金属的流动，同时毛坯被更多的拉伸。在图7中的截面B-B',D-D'和E-E'处均检测到厚度的变化。由于内面板拉延筋的存在，图16中比较了厚度分布。当施加拉延力时，坯料严重增厚的趋势发生在凸模的冲头D-D'截面。在E-E'截面上当只有压边力时最大的增厚量是1.9mm，然而当附加拉延筋阻力时，最大增厚量是1.76mm。这种现象表明利用拉延筋阻力可能会减小冲头处多余金属一起的起皱。比较表明，在控制复杂地区的金属流动中，拉延筋以及压边力是非常重要的。 3.实验验证 为了证明成形分析的有效性，成型的形状和厚度均来自于与真实产品的分析比较。真正的产品，是用半开放式和采取拉延筋成形的与分析的成形方法相同。变形塑造成形分析得到的是从一个几乎相同真正的产品，如图所示17，这表明在此形成分析预测毛坯的起皱和变薄。图18显示的是厚度变化的定量比较，即在图7中的截面B-B'，C-C'，D-D'，F-F'和G-G'处的真正的产品和有限元模拟结果。数字说明，计算结果与测量结果的一致性。这个比较充分体现了成形模拟的可靠性，与获得的工艺参数的可靠性 。 4.结论 本文阐述了汽车前方零件的内板在冲压成形中，重要参数对控制金属流入模具型腔的定量影响。冲压工艺的成形性研究是通过不断变化参数，如压边力，初始毛坯尺寸和拉延筋来检查发生开裂，起皱和过度的回弹量。本文概括的如下 ： （1）封闭的初始毛坯冲压分析是通过改变有效的压边力。而只改变压边力不能获得均匀的金属流动。 （2）通过改变初始毛坯的大小进行的参数研究，是为了以克服缺陷。从高成形性的观点来看，半开放式的毛坯比开放式的更合适，但它仍然需要额外的工艺参数，提高在复杂的几何形状处的金属流。 （3）拉延筋的设置是为了增加坯料的阻力，并分析了拉延筋对冲压件质量的影响。拉延筋阻力控制了局部金属流动和减少了多余的金属。 （4）据悉，设计参数的参数研究如压边力，压料面大小和拉延筋对控制金属流动和改善复杂零件的金属流动性工艺设计是非常重要。 参考文献：1 N. 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