薄板沖壓數(shù)值模擬技術(shù)在汽車(chē)覆蓋件制造中的應(yīng)用
- 2008-5-29 15:27:04
- 來(lái)源：《CAD/CAM與制造業(yè)信息化》
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文獻(xiàn)摘要：汽車(chē)覆蓋件成形加工生產(chǎn)目前主要依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)制定沖壓工藝、開(kāi)發(fā)相關(guān)模具，具有相當(dāng)大的隨意性和不確定性。塑性成形理論經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展，已相當(dāng)成熟。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的普及，板料塑性成形過(guò)程用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬已成為一項(xiàng)有效解決該問(wèn)題的高新技術(shù)。
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一、引言
汽車(chē)覆蓋件成形加工生產(chǎn)目前主要依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)制定沖壓工藝、開(kāi)發(fā)相關(guān)模具，具有相當(dāng)大的隨意性和不確定性。然而板料成形的力學(xué)過(guò)程及成形影響因素非常復(fù)雜，是一個(gè)集幾何非線性、材料非線性、接觸非線性于一體的強(qiáng)非線性問(wèn)題，用傳統(tǒng)的解析方法很難求解。
塑性成形理論經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展，已相當(dāng)成熟。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的普及，板料塑性成形過(guò)程用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬已成為一項(xiàng)有效解決該問(wèn)題的高新技術(shù)。
汽車(chē)覆蓋件包括覆蓋汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)、構(gòu)成駕駛室及車(chē)身的所有厚度3mm以下的薄鋼板沖壓而成的表面和內(nèi)部零件，其重量占到汽車(chē)用鋼材總量的50%以上。汽車(chē)覆蓋件具有材料薄、形狀復(fù)雜、多為復(fù)雜的空間曲面、結(jié)構(gòu)尺寸大和表面質(zhì)量高等特點(diǎn)。在沖壓時(shí)毛坯的變形情況復(fù)雜，故不能按一般拉伸件那樣用拉伸系數(shù)來(lái)判斷和計(jì)算它的拉伸次數(shù)和拉伸可能性，且需要的拉延力和壓料力都較大，各工序的模具依賴(lài)性大，模具的調(diào)整工作量也大。汽車(chē)覆蓋件成形過(guò)程中板料上的應(yīng)力應(yīng)變分布情況非常復(fù)雜，成形質(zhì)量影響因素較多。從變形方式看，板料的成形是拉延、翻邊、脹形、彎曲等多種變形方式的組合過(guò)程。對(duì)一個(gè)給定的零件來(lái)說(shuō)，一套合理的模具和工藝方案的確定，不僅要靠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算，還往往離不開(kāi)反復(fù)地試模和修模。因此汽車(chē)覆蓋件模具設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是要解決好沖壓過(guò)程中板料不同部位之間材料的協(xié)調(diào)變形問(wèn)題，既要避免局部區(qū)域過(guò)分變薄甚至拉裂，又要避免起皺或在零件上留下滑移線，還要將零件的回彈量控制在允許的范圍內(nèi)。
目前，板料沖壓過(guò)程的計(jì)算機(jī)分析與仿真技術(shù)（非線性有限元分析技術(shù)）已能在工程實(shí)際中幫助解決傳統(tǒng)方法難以解決的模具設(shè)計(jì)和沖壓工藝設(shè)計(jì)難題，如計(jì)算金屬的流動(dòng)、應(yīng)力應(yīng)變、板厚、模具受力、殘余應(yīng)力等，預(yù)測(cè)可能的缺陷及失效形式，如起皺、破裂、回彈等。在汽車(chē)覆蓋件的設(shè)計(jì)中采用數(shù)值模擬技術(shù)能從設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確預(yù)測(cè)各種工藝參數(shù)對(duì)成形過(guò)程的影響，進(jìn)而優(yōu)化工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)，縮短模具的設(shè)計(jì)制造周期，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，提高模具和沖壓件產(chǎn)品品質(zhì)。
二、汽車(chē)覆蓋件沖壓數(shù)值模擬中的關(guān)鍵技術(shù)
汽車(chē)覆蓋件沖壓模擬所采用的有限元方法是彈塑性有限元法。彈塑性有限元法在板材成形數(shù)值模擬領(lǐng)域采用Lagrange描述，不僅能計(jì)算工件的變形和應(yīng)力、應(yīng)變分布，而且還能計(jì)算工件回彈和殘余應(yīng)力，是板材成形數(shù)值模擬的主要方法。在汽車(chē)覆蓋件沖壓成形過(guò)程中，坯料與模具所構(gòu)成的大變形接觸沖壓系統(tǒng)都須滿(mǎn)足弱形式的虛功原理，而方程的求解涉及到時(shí)間域的數(shù)值積分方法問(wèn)題。
目前汽車(chē)覆蓋件沖壓分析多采用動(dòng)態(tài)顯式算法。在顯式求解法中，用中心差分法進(jìn)行動(dòng)態(tài)問(wèn)題的時(shí)域積分。顯式求解法既沒(méi)有收斂性問(wèn)題，也不需求解聯(lián)立方程組，但時(shí)間步長(zhǎng)受到數(shù)值積分穩(wěn)定性的限制。而在回彈模擬階段普遍采用靜態(tài)隱式算法求解。接觸問(wèn)題中的接觸力大小則通過(guò)拉格朗日乘子法或罰函數(shù)法求解。
板料的彈塑性變形的有限元方法求解步驟：建立沖壓過(guò)程的力學(xué)模型→建立相應(yīng)的有限元分析模型→根據(jù)板料變形特性選定殼體單元類(lèi)型并確定有關(guān)參數(shù)→根據(jù)板料變形特性選定彈塑性本構(gòu)關(guān)系及有關(guān)參數(shù)→根據(jù)板料和模具的表面特性及其潤(rùn)滑狀態(tài)選定摩擦定律及參數(shù)→對(duì)壓料板的剛體運(yùn)動(dòng)和板料的彈塑性變形進(jìn)行求解。
三、BK-6440后門(mén)內(nèi)板沖壓數(shù)值模擬仿真
1. 相關(guān)分析參數(shù)的確定
拉延工序采用雙動(dòng)壓力機(jī)，主要加工參數(shù)：沖壓速度V=10m/s；沖頭行程L=237 mm；壓邊力F＝2000kN。
用于沖壓的ST14鋼材料性能參數(shù)：板料厚度t＝1.0mm；彈性模量E=2.10e5N/mm2；密度ρ=7.82e-6kN/mm3；泊松比υ=0.3；摩擦系數(shù)μ=0.10；材料各向異性屈服系數(shù)r0=1.77、r45=1.16、r90=1.94；材料的屈服準(zhǔn)則，采用Hill1948各向異性屈服準(zhǔn)則。 ST14材料的硬化曲線如圖1所示。
圖1 ST14材料硬化曲線
2. 分析軟件的選用
在本項(xiàng)目的研究中，我們采用PAM-STAMP 2G 2004軟件進(jìn)行數(shù)值成形計(jì)算。該軟件是由法國(guó) ESI(Engineering System Internal)開(kāi)發(fā)的薄板沖壓成形過(guò)程仿真的專(zhuān)業(yè)化軟件，能夠?qū)Υ笪灰啤⒋笮D(zhuǎn)、大應(yīng)變、接觸碰撞等問(wèn)題進(jìn)行十分精確的模擬。它可進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格細(xì)化，采用等效拉延筋模型，可以模擬多工步薄板成形問(wèn)題，計(jì)算精度比較高。
3. BK-6440后門(mén)內(nèi)板沖壓有限元分析
首先建立起B(yǎng)K-6440后門(mén)內(nèi)板曲面模型。該模型曲面比較復(fù)雜，由于分析軟件中建模工具功能的局限性，因此我們通過(guò)UG18建立覆蓋件模型后用IGES接口將其導(dǎo)入PAM-STAMP 2G 2004中，進(jìn)行模型特征檢查從而發(fā)現(xiàn)原來(lái)設(shè)計(jì)的不合理部分（有過(guò)切現(xiàn)象等）。然后通過(guò)對(duì)模型在CAD及CAE中的修改，得到消除過(guò)切與缺陷的曲面模型，并在PAM-STAMP 2G 2004中進(jìn)行必要的工藝補(bǔ)充及前處理，通過(guò)模塊PAM-DIEMAKER(快速模面設(shè)計(jì)與優(yōu)化模塊)最后建立起凸模、凹模及壓邊圈分析模型(如圖2所示)進(jìn)行分析。
圖2 BK-6440后門(mén)內(nèi)板沖壓CAE分析模型
圖3 沖壓完成后板料變薄云圖
圖4 沖壓完成后板料FLD圖
在采用周?chē)忾]式等效拉延筋形式時(shí)，板料沖壓模擬完成后計(jì)算得到的最薄壁厚為t＝0.213mm（在實(shí)際沖壓過(guò)程中已經(jīng)破裂），但板料大部分沖壓后的厚度在0.87mm～1.03mm之間。在圖4所示的FLD圖中可以看到，在該沖壓條件下板料的沖壓在某些部位會(huì)破裂，而且角部起皺的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，沖壓效果不好。我們可以從以下分析與實(shí)物的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算與實(shí)際沖壓結(jié)果的吻合度是很高的。而以往對(duì)于復(fù)雜的覆蓋件拉伸件，用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法難以準(zhǔn)確計(jì)算材料的塑性流動(dòng)情況，并且很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)工藝條件改變后材料流動(dòng)的狀況。
圖5 起皺與斷裂模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
圖6 斷裂模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
為了消除拉裂現(xiàn)象，我們應(yīng)降低拉裂區(qū)的拉應(yīng)變值。可采取調(diào)整壓邊力，改善潤(rùn)滑條件等方法以改變法向接觸力和切向摩擦力的分布，以改善材料的流動(dòng)狀況。起皺是由于局部壓應(yīng)力過(guò)大引起薄板失穩(wěn)所致，可通過(guò)增加起皺處的法向接觸力，同時(shí)考慮避免導(dǎo)致零件其它部位拉裂的狀況下進(jìn)行工藝參數(shù)調(diào)整，使材料的流動(dòng)趨于合理。通過(guò)分析計(jì)算，我們對(duì)模具曲面、工藝補(bǔ)充面、拉延筋的形狀與布置等方面重新進(jìn)行了調(diào)整與修改：在材料容易流動(dòng)的地方加拉延筋，使板料在拉延時(shí)進(jìn)料阻力均勻。改善板料在沖壓過(guò)程中的流動(dòng)條件（修改工藝補(bǔ)充面等），使變形趨于均勻，防止板料起皺現(xiàn)象的發(fā)生。該工況下沖壓狀況得到了一些改善：特別是起皺現(xiàn)象得到了有效的改善，然后通過(guò)調(diào)整壓邊力的大小（將壓邊力降為800kN）與壓延筋形式等沖壓工藝參數(shù)使破裂狀況有了顯著改善。
圖7 修改過(guò)后的底模和拉延筋模型
四、結(jié)論
汽車(chē)覆蓋件模具制造由于其形狀的復(fù)雜性及模具輪廓尺寸大的特性，生產(chǎn)一套沖壓模的生產(chǎn)成本是很高的，而且通常具有特殊的工藝補(bǔ)充曲面，用于零件曲面定型的主模型和樣架制造工藝復(fù)雜、制造周期長(zhǎng)并且需要有大型加工設(shè)備。
覆蓋件沖壓工序?qū)δ＞哂泻艽蟮囊蕾?lài)性，靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出來(lái)的模具的調(diào)整工作量大，周期長(zhǎng)。因此通過(guò)運(yùn)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段來(lái)設(shè)計(jì)此類(lèi)模具是相當(dāng)有必要的。板料數(shù)值成形技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)制造業(yè)不但可以縮短模具的設(shè)計(jì)制造及調(diào)試周期，還可大幅度降低模具生產(chǎn)成本。目前板料數(shù)值成形技術(shù)在汽車(chē)覆蓋件制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，我們通過(guò)該項(xiàng)目的分析計(jì)算及生產(chǎn)驗(yàn)證，證實(shí)了通過(guò)數(shù)值仿真板料成形過(guò)程優(yōu)化沖壓工藝參數(shù)及模具形狀從而指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的方法是切實(shí)有效可行的。
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