拉延筋布置對成型的影響

某型號汽車前圍板的拉深工序進行分析,通過對壓邊力大小及拉延筋布置的模擬,探討壓邊力、拉延筋的分布等工藝參數對該零件成形質量的影響,并根據有限元數值模擬結果 制定合理的工藝參數。

1 零件工藝分析

某型號汽車前圍板零件如圖1所示,為汽車內覆蓋件。材料為 H220BD,是高強度鋼。零件的長、 寬、高的尺寸為1398mmx302mmx230mm,材料厚度為1.65mm。成形工序為:落料—拉深—修 邊—沖孔—整形。零件型面復雜,局部起伏大,過渡圓角小,存在較多尖角部分,在成形時金屬變形不均 勻,容易出現破裂,難以達到強度要求。該零件在使用過程中,對于強度要求較高,因此在成形過程中, 拉深工序是關鍵,需要優(yōu)化拉深成形過程,使其充分成形,滿足強度要求。

2 有限元模型建立

2.1 幾何模型

通過三維造型建立零件的三維數模,完成工藝 面的補充,然后導入到有限元分析軟件中,以導入的 型面作為有限元模型中的凹模,通過偏置方式生成 凸模及壓邊圈,使用一步求解器模塊確定初始坯料 尺寸為1620mmx585mm。

2.2 材料模型

板料是通過軋制而成,具有各向異性,因此,在汽車覆蓋件沖壓數值模擬過程中,選用有限元析軟件的 H220BD材料模型 。如式(1)所示。

式中:?為材料發(fā)生屈服的臨界值;各向異性常數 a,c,h,p為材料常數,由r0,r45,r90 來決定,材料參 數見表1。

2.3 壓邊力的計算

壓邊力是拉深工序中重要的工藝參數之一,合 適的壓邊力可以控制起皺和破裂的程度及范圍,保 證拉深過程的順利進行。在給定的沖壓條件下,壓 邊力存在一個最優(yōu)值,低于或者高于此值都會使得 沖壓件的開裂和起皺程度加劇及范圍擴大。壓邊力的理論計算公式為: F=Aq (3)

式中:A———壓邊面積,它等于坯料面積減去凹模型 腔開口面積;

 

    q———單位面積上的壓邊力,根據數據,對于厚度大于0.5mm 的鋼板來 說,q值一般在2~2.5MPa之間。根據計算,壓邊力的理論范圍為330~410kN。2.4 拉延筋的設置

在拉深過程中,各部分金屬流動不均勻,成形后 的覆蓋件容易出現起皺和拉裂現象。設置拉延筋 拉深成形過程中調節(jié)金屬流動的主要控制手段。通過合理設置拉延筋,可以增加進料阻力,調節(jié)進料阻 力分布,增加零件的剛性等。在數值模擬過程中,拉延筋的設置存在2種方 式,即實際拉延筋及等效拉延筋。實際拉延筋能夠較精確地模擬拉延筋各部分的變形阻力,但其相對尺寸較小,形狀復雜。當需要精確考慮拉延筋與板料的接觸時,要求劃分的單元格足夠小,這將使得計 算效率極 大 降 低,同 時 增 加  三 維 建 模 的 復 雜 程 度。

使用等效拉延筋,可以迅速便捷地修改拉延 筋的分布及阻力大小,極大提高數值模擬的計算效 率。文中采用等效拉延筋的方式進行有限元數值模 擬。根據凹?？诘那首兓傲慵鞑糠值淖冃翁?點,設置等效拉延筋分布如圖2所示。

2.5 有限元模型

在幾何模型中,根據上述設置,并加載表2所示 的參數,最終建立的有限元模型如圖3所示。

3 模擬結果分析

3.1 壓邊力的影響

根據理論計算所得的壓邊力數值范圍,在該范 圍取值進行有限元數值模擬。具體設置壓邊力數值 為340~390kN,采用不同壓邊力所獲得的成形極 限如圖4所示。從成形極限圖上看,在壓邊力大于等于370kN 時,前圍板零件的尖角處存在破裂區(qū)域(如圖5所示),在壓邊力 小 于 360kN 時,該 破 裂 區(qū) 域 消 失。整體而言,隨著壓邊力的降低,破裂趨勢降低,但起皺程度有所升高,因此在選擇壓邊力大小時,需要考慮破裂和起皺的綜合影響。在保證無破裂的情況 下,使得起皺區(qū)域盡量小。由成形極限圖可知,在壓邊力為350kN 時,沒有出現破裂區(qū)域,同時零件內部起皺區(qū)域相對較少,主要起皺區(qū)域可以在后續(xù)的修邊工序切除。此時的壓邊力取值相對比較合理, 但零件內部大部分區(qū)域強度未曾滿足設計要求,需 要通過拉延筋對零件內部的局部金屬流動進行調 整。

3.2 拉延筋的影響

通過添加拉延筋,可以改善金屬流動不均勻的現 象,提高零件內部強度。過高的等效拉延筋阻力將會加劇零件的破裂程度,而過低的等效拉延筋阻力則 對零件內部變形情況起到的作用相對較小,達不到設 計強度要求,因此需要合理布置拉延筋。在壓邊力為350kN時,設置完全鎖模力為1000N,拉延筋的不同等效摩擦阻力按照表3所示的百分比進行設置,分6組模擬,部分模擬結果如圖6所示。

在拉深過程中,金屬的流動受到多種因素的共同作用。如圖6所示,隨著等效阻力的減小,金屬內部的破裂情況有所降低,在成形極限圖中可以觀察 到破裂點的減少,相對而言起皺區(qū)域有所增加,因此 需要合理控制拉延筋的等效阻力大小。同一部位的 金屬流動同時受到多段拉延筋的共同作用。在圖2 的拉延筋分布中可以看到第1,3段拉延筋相對對 稱,第2段拉延筋分布于第1,3段拉延筋之間。為 了滿足圖5所示尖角部分的成形效果,將第1,3段 等效阻力設置為完全鎖模力的40%時將會使得尖角部位不發(fā)生破裂,而第2段拉延筋的等效阻力設 置為完全鎖模力的22%時剛好可以滿足直邊部分 的變形(如圖6所示)。當第1,2,3段拉延筋阻力分 別取鎖模力的40%,22%,40%時,3段拉延筋的共 同作用將會使得尖角部分出現破裂。通過模擬實驗 在第 1,2,3 段 拉 延 筋 阻 力 分 別 取 值 為 鎖 模 力 的 38%,20%,38%時,可以使得該處破裂消失。由此 可見,在設置拉延筋阻力時需要根據金屬的流動綜 合考慮各段拉延筋的等效阻力。

3.3 工藝參數優(yōu)化后結果

根據上述方式,分析壓邊力及等效拉延筋阻力 的綜合效果,在壓邊力為350kN,各段拉延筋阻力為完全鎖模力的38%,20%,38%,25%,15%,25% 時,該零件的成形效果最好。按照分析結果,重新進 行有限元數值模擬,模擬結果如圖7所示。由圖7可見,經過綜合分析后通過數值模擬,優(yōu)化后的汽車前圍板零件拉深工序無破裂區(qū)域,少量起皺區(qū)域可以通過修邊工序切除,整體零件強度達到設計要求。該工藝參數比較合理,可以指導生產。

4 結語

通過使用數值模擬軟件對汽車前圍板零件的數值模擬,研究了不同壓邊力及拉延筋阻力對汽車前圍板零件成形效果的影響。通過對各段拉延筋對金屬流動影響的綜合考慮,較為快速的找出合適的工藝參數組合,成形效果符合設計要求。通過有限元數值模擬技術,可以改變以往僅憑工程師經驗的試模方式,極大降低生產成本,提高工作效率,加快工藝設計,在汽車覆蓋件生產中可以有效地指導生產。