拉延筋布置對(duì)成型的影響

某型號(hào)汽車(chē)前圍板的拉深工序進(jìn)行分析,通過(guò)對(duì)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(shù)對(duì)該零件成形質(zhì)量的影響,并根據(jù)有限元數(shù)值模擬結(jié)果 制定合理的工藝參數(shù)。

1 零件工藝分析

某型號(hào)汽車(chē)前圍板零件如圖1所示,為汽車(chē)內(nèi)覆蓋件。材料為 H220BD,是高強(qiáng)度鋼。零件的長(zhǎng)、 寬、高的尺寸為1398mmx302mmx230mm,材料厚度為1.65mm。成形工序?yàn)?落料—拉深—修 邊—沖孔—整形。零件型面復(fù)雜,局部起伏大,過(guò)渡圓角小,存在較多尖角部分,在成形時(shí)金屬變形不均 勻,容易出現(xiàn)破裂,難以達(dá)到強(qiáng)度要求。該零件在使用過(guò)程中,對(duì)于強(qiáng)度要求較高,因此在成形過(guò)程中, 拉深工序是關(guān)鍵,需要優(yōu)化拉深成形過(guò)程,使其充分成形,滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

2 有限元模型建立

2.1 幾何模型

通過(guò)三維造型建立零件的三維數(shù)模,完成工藝 面的補(bǔ)充,然后導(dǎo)入到有限元分析軟件中,以導(dǎo)入的 型面作為有限元模型中的凹模,通過(guò)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(guò)軋制而成,具有各向異性,因此,在汽車(chē)覆蓋件沖壓數(shù)值模擬過(guò)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(shù) a,c,h,p為材料常數(shù),由r0,r45,r90 來(lái)決定,材料參 數(shù)見(jiàn)表1。

2.3 壓邊力的計(jì)算

壓邊力是拉深工序中重要的工藝參數(shù)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(guò)程的順利進(jìn)行。在給定的沖壓條件下,壓 邊力存在一個(gè)最優(yōu)值,低于或者高于此值都會(huì)使得 沖壓件的開(kāi)裂和起皺程度加劇及范圍擴(kuò)大。壓邊力的理論計(jì)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(kāi)口面積;

 

    q———單位面積上的壓邊力,根據(jù)數(shù)據(jù),對(duì)于厚度大于0.5mm 的鋼板來(lái) 說(shuō),q值一般在2~2.5MPa之間。根據(jù)計(jì)算,壓邊力的理論范圍為330~410kN。2.4 拉延筋的設(shè)置

在拉深過(guò)程中,各部分金屬流動(dòng)不均勻,成形后 的覆蓋件容易出現(xiàn)起皺和拉裂現(xiàn)象。設(shè)置拉延筋 拉深成形過(guò)程中調(diào)節(jié)金屬流動(dòng)的主要控制手段。通過(guò)合理設(shè)置拉延筋,可以增加進(jìn)料阻力,調(diào)節(jié)進(jìn)料阻 力分布,增加零件的剛性等。在數(shù)值模擬過(guò)程中,拉延筋的設(shè)置存在2種方 式,即實(shí)際拉延筋及等效拉延筋。實(shí)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(duì)尺寸較小,形狀復(fù)雜。當(dāng)需要精確考慮拉延筋與板料的接觸時(shí),要求劃分的單元格足夠小,這將使得計(jì) 算效率極 大 降 低,同 時(shí) 增 加  三 維 建 模 的 復(fù) 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(shù)值模擬的計(jì)算效 率。文中采用等效拉延筋的方式進(jìn)行有限元數(shù)值模 擬。根據(jù)凹?？诘那首兓傲慵鞑糠值淖冃翁?點(diǎn),設(shè)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(jù)上述設(shè)置,并加載表2所示 的參數(shù),最終建立的有限元模型如圖3所示。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 壓邊力的影響

根據(jù)理論計(jì)算所得的壓邊力數(shù)值范圍,在該范 圍取值進(jìn)行有限元數(shù)值模擬。具體設(shè)置壓邊力數(shù)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(shí),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(shí),該 破 裂 區(qū) 域 消 失。整體而言,隨著壓邊力的降低,破裂趨勢(shì)降低,但起皺程度有所升高,因此在選擇壓邊力大小時(shí),需要考慮破裂和起皺的綜合影響。在保證無(wú)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(shí),沒(méi)有出現(xiàn)破裂區(qū)域,同時(shí)零件內(nèi)部起皺區(qū)域相對(duì)較少,主要起皺區(qū)域可以在后續(xù)的修邊工序切除。此時(shí)的壓邊力取值相對(duì)比較合理, 但零件內(nèi)部大部分區(qū)域強(qiáng)度未曾滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,需 要通過(guò)拉延筋對(duì)零件內(nèi)部的局部金屬流動(dòng)進(jìn)行調(diào) 整。

3.2 拉延筋的影響

通過(guò)添加拉延筋,可以改善金屬流動(dòng)不均勻的現(xiàn) 象,提高零件內(nèi)部強(qiáng)度。過(guò)高的等效拉延筋阻力將會(huì)加劇零件的破裂程度,而過(guò)低的等效拉延筋阻力則 對(duì)零件內(nèi)部變形情況起到的作用相對(duì)較小,達(dá)不到設(shè) 計(jì)強(qiáng)度要求,因此需要合理布置拉延筋。在壓邊力為350kN時(shí),設(shè)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(jìn)行設(shè)置,分6組模擬,部分模擬結(jié)果如圖6所示。

在拉深過(guò)程中,金屬的流動(dòng)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(nèi)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(diǎn)的減少,相對(duì)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(dòng)同時(shí)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(duì)對(duì) 稱(chēng),第2段拉延筋分布于第1,3段拉延筋之間。為 了滿(mǎn)足圖5所示尖角部分的成形效果,將第1,3段 等效阻力設(shè)置為完全鎖模力的40%時(shí)將會(huì)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(shè) 置為完全鎖模力的22%時(shí)剛好可以滿(mǎn)足直邊部分 的變形(如圖6所示)。當(dāng)?shù)?,2,3段拉延筋阻力分 別取鎖模力的40%,22%,40%時(shí),3段拉延筋的共 同作用將會(huì)使得尖角部分出現(xiàn)破裂。通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn) 在第 1,2,3 段 拉 延 筋 阻 力 分 別 取 值 為 鎖 模 力 的 38%,20%,38%時(shí),可以使得該處破裂消失。由此 可見(jiàn),在設(shè)置拉延筋阻力時(shí)需要根據(jù)金屬的流動(dòng)綜 合考慮各段拉延筋的等效阻力。

3.3 工藝參數(shù)優(yōu)化后結(jié)果

根據(jù)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(shí),該零件的成形效果最好。按照分析結(jié)果,重新進(jìn) 行有限元數(shù)值模擬,模擬結(jié)果如圖7所示。由圖7可見(jiàn),經(jīng)過(guò)綜合分析后通過(guò)數(shù)值模擬,優(yōu)化后的汽車(chē)前圍板零件拉深工序無(wú)破裂區(qū)域,少量起皺區(qū)域可以通過(guò)修邊工序切除,整體零件強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該工藝參數(shù)比較合理,可以指導(dǎo)生產(chǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)使用數(shù)值模擬軟件對(duì)汽車(chē)前圍板零件的數(shù)值模擬,研究了不同壓邊力及拉延筋阻力對(duì)汽車(chē)前圍板零件成形效果的影響。通過(guò)對(duì)各段拉延筋對(duì)金屬流動(dòng)影響的綜合考慮,較為快速的找出合適的工藝參數(shù)組合,成形效果符合設(shè)計(jì)要求。通過(guò)有限元數(shù)值模擬技術(shù),可以改變以往僅憑工程師經(jīng)驗(yàn)的試模方式,極大降低生產(chǎn)成本,提高工作效率,加快工藝設(shè)計(jì),在汽車(chē)覆蓋件生產(chǎn)中可以有效地指導(dǎo)生產(chǎn)。