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汽车零部件冲压成形过程仿真的设计参数研究
a School of Mechanical, Aerospace and Systems Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology,
Science Town, Daejeon 305-701, Republic of Korea
b School of Automotive, Industrial and Mechanical Engineering, Daegu University, Jillyang,
Gyeongsan, Gyeongbuk 712-714, Republic of Korea
Received 5 October 2004; received in revised form 13 April 2006; accepted 12 February 2007
Journal of Materials Processing Technology 189 (2007) 450–458
摘要
本文关注的是设计参数对冲压件的车身定量效应。本文所考虑的参数为压边力、拉深筋力和坯料尺寸，这些参数对冲压成形过程中的金属流动有很大的影响。本文选择的可成形性指标有撕裂起皱和回弹量等，采用有限元分析方法模拟了该侧面构件的冲压工艺参数。数值结果表明，在成形过程中的压边力不能控制局部的金属流动，但它控制整体的金属流动。通过初始坯料尺寸的修正，考虑了冲孔的开线和局部起皱，减少了成形后的回弹量。拉深筋的抑制力控制了局部区域的金属流动，减少了金属的过量。本文指出了设计参数，如压边力、坯料尺寸、拉深筋等参数的参数化研究，对复杂构件的工艺设计有重要的影响。
关键词：冲压成形；成形性；压边力；坯料尺寸；拉深筋；金属流动
1.介绍
板料冲压工艺被广泛用于生产外板和车身结构件。近年来，随着增强汽车的耐撞性并降低汽车重量的发展趋势，汽车结构构件广泛采用高强度钢板。高强度钢板的冲压工艺通常包括成形极限、起皱、表面变形等几何形缺陷，以及大量的回弹和模具磨损等。为了提高高强度钢冲压成形产品的成形性，进行了大量的制造技术研究。在冲压过程中，产品质量是由各种过程变量，如毛坯材料的性能、模具的几何形状、摩擦特性和边界条件所决定的，如图1所示。在模具设计完成后的试用期，它还需要大量的时间和成本来解决这些如起皱、撕裂、回弹等的麻烦。在制造工厂和实验室，影响拉深产品质量的工艺变量不是定量分析，而是由经验、试验和误差、熟练技术人员和工程师的直觉决定的。如破裂、起皱和回弹量的劣势通过数值分析方法可以预测，但这不足以了解各工艺参数对成型性的影响。
图2.一种车身部分的钣金冲压工艺参数
在复杂形状的汽车结构件的情况下，空白到模腔中的金属对于提高成形性和减少麻烦是很重要的。通常的金属流动是由压边力和拉道，以及毛坯形状控制的，以保证零件质量，避免起皱和撕裂。然而，压边力并不是一个控制金属流动的精确工具，在某些情况下所需的压边力可能超过所提供的。为了有效地控制金属流动，拉道是实现金属板材成形作为一种机制，以提供适当的抑制力来控制流入空白模腔的冲压工艺。
许多研究人员研究了金属流动的压边力控制和拉深筋阻力等。通过与实验结果的数值结果进行比较，[ 1 ]确定了使用一维弹塑性壳单元的拉延筋的影响。Wang and Shah[ 2 ]制定了一个数学模型，计算圆形拉延筋和评价抑制力。对实验、数值计算方法和理论公式进行了分析。Cao and Boyce[ 3 ]分析了关于拉深筋的深度和凸起等的抑制力。[ 4 ]还使用弹塑性有限元法考虑毛坯尺寸的变化的拉伸筋阻力的评估。最近，还使用设计灵敏度分析来优化冲压工艺中的压边力和拉深筋。 Kim and Huh[ 5 ]使用直接微分法优化了可变压边力，以防止过度拉伸断裂，延缓皱纹，并通过减少回弹量达到良好的形状精度。通过施加适当的等效边界条件，进行了数值模拟的金属板材成形的等效拉深筋。Mattiasson and Larsson [ 6 ]提出的约束考虑拉延筋的形状、刀具和毛坯与拉伸方向为等效边界条件之间的差距。Huetink 等人认为[ 7 ]由于拉深筋和壁厚的应变边界条件，在冲压过程中，既要有约束力，也要有拉伸力。
本文认为在RV汽车前纵梁内板的冲压成形过程中控制金属流入型腔的过程会受重要工艺参数的影响。前纵梁是一个车身发动机室的最重要结构。它在碰撞事故发生时能够通过适度的挤压变形吸收冲击能量，还可以防止发动机和变速器进入乘坐室，减少乘客的伤害程度。虽然直梁的形状是推荐的前侧构件的设计，但它被设计成复杂的形状，以避免干扰的动力的传输和前轮胎的移动轨迹。前纵梁内板的三维CAD模型如图2所示。
图2.前侧构件内板的计算机辅助设计模型
在本文中，进行了有限元分析，相对于压边力，通过控制金属进入模腔的冲压件质量来分析初始力和拉深筋力参数的影响。在第一种方法中，在封闭通道的初始坯料的成型中进行的压边力的变化的分析。数值分析结果时产生的非均匀的金属流动如起皱和撕裂等导致实验失败。在解决这些问题的第二种方法中，考虑到最终的产品形状，通过改变初始力大小，进行了成型分析。最后，拉深筋产生的影响被认为是控制金属流动进入模腔的抑制力。拉深筋的抑制力控制了局部区域的金属流动，减少了多余的金属量。在一个真实的产品中，通过内板厚度的分布比较，可以用于验证分析的结果。
2.冲压成形数值模拟
在本文中，进行了数值模拟分析，探讨了设计参数，如压边力、初始力和拉深筋抑制力在内板的成形性的影响。通过内板的成形性的设计参数的变化来评估的起皱、毛坯撕裂和回弹量的发生。由于用隐式有限元方法模拟成形过程需要巨大的计算时间，我们采用一个商业的显式有限元程序LS-DYNA3D [ 8 ]进行计算效率的模拟。在分析中使用的毛坯材料是 SPRC 40，其流动应力是sigma;macr;= 734.7表示（0.01 εmacr;）0.245MPa。初始板厚为1.6毫米。库仑摩擦系数为0.15之间的片材和工具。在数值模拟中，采用自适应网格方法对变形形状进行精确描述。在显式模拟中，从弹性模量、密度和毛坯的网格尺寸确定的分析的步长。一个大规模的缩放计划是用来增加毛坯的密度，这增加了时间步长。质量缩放方案满足准静态条件，在模拟过程中并没有产生过大的动能问题。打孔速度固定为2米/秒。采用有限元软件对冲压成形模具进行三维计算机辅助设计，建立了模具、冲压件和粘结剂等组件。图3显示了模型的内部面板有限元分析。
图3.前侧构件内板有限元模型及数值分析
2.1.压边力的影响
假定初始坯料被认为是封闭的通道类型。随着压边力的变化对包裹和成型过程进行分析。仅改变压边力为100、200和300kN，用来控制使用了粘合剂的金属流入型腔的过程进行分析。
图4显示了随压边力变化毛坯的变形形状和厚度应变分布。数值分析的结果表明，当压边力提高到300kN时，撕裂发生并且不能消除起皱。分析结果还表明，当施加高压边力和过度拉伸凸缘处的毛坯元素时，在凸模附近的毛坯元素会被撕裂，在施加低压边力时会发生起皱现象。当压边力作为提高成形的工艺参数，在具有简单形状的冲压工艺中可以控制金属流动。由于前侧构件的内板相对于横向方向具有较大的纵向方向，其形状类似于矩形杯，因为压边力集中在冲床和模具的肩部角，如撕裂或起皱等破坏主要发生在侧壁附近。结果表明，仅通过改变压边力是不足以实现均匀的金属流动。因此，为了获得成功的产品，需要另外的冲压工艺参数。
图4.带封闭式压边力变化的内板厚度应变分布：（a）100 kN压边力；（b）200 kN压边力；（c）300 kN压边力。
2.2.初始坯料尺寸的影响
前一部分的分析结果表明，在封闭的通道类型的初始坯料，与施加的压边力是不能够成功成形的，因为它引起的非均匀的金属流动，导致如起皱和撕裂的失败。作为补救，改变初始坯料的尺寸，内板形成开放式或半开放式的形状。在这一部分，通过数值分析，探讨了初始坯料尺寸对起皱和回弹的影响。在本文中，沿纵向方向的三种不同的坯料尺寸进行模拟：1250毫米的第一种情况、1060毫米的第二种情况和1120毫米的第三种情况。第一种情况称为封闭式，内面板变形为矩形杯形和在整个粘合面上仍保持凸缘；第二种情况称为开放式，内板变形为如U-拉伸弯曲形和在沿纵向方向不保持凸缘；第三种情况称为半开放式，内板变形为沿纵向方向的完全拉伸形状和在粘合面上沿横向方向保持凸缘。用于冲压分析工具的初始毛坯如图5比较。
图5.前侧构件内板初始坯料的冲压分析
图6.以100kN压边力的初始坯料尺寸变化的内板厚度应变分布——（a）情况1：封闭式；（b）情况2：开放式；（c）情况3：半开放式
在分析环境中施加100 kN的压边力和采用网格自适应方案对变形形状进行精确的描述。坯料的变形形状和分布的厚度应变比如图6所示。图中显示，在100kN的压边力下，第二种情况和第三种情况都会发生法兰起皱和凸缘处撕裂。
本文中的图7指定了变形形状和厚度分布比较横截面的位置。在情况2和情况3的精确的比较下，我们可以检查如图7所示变形的形状和厚度分布横截面情况。在E-E截面上我们可以观察到急剧变化的几何形状和存储多余金属的深槽。如图8（a-b）展示了指定截面的变形形状。分析结果表明，当面板形成开放式的第二种情况时，在侧壁附近的坯料趋于折叠，当面板形成半开放式的第三种情况时，这些倾向减弱。图8（c）显示了情况2和情况3之间的厚度变化的定量比较。在情况2下，侧壁附近的壁厚增加至2.6密码，在情况3下，侧壁附近的壁厚增加至1.9mm。在情况2中的截面周长大约比情况3的截面周长长10mm。情况2与情况3产生差异的原因是在情况2中粘结剂沿凸缘的纵向方向，从而沿纵向方向产生的较小的抑制力引起的。
图7.在变形时用作厚度分布和回弹量比较的横截面位置
图8.在E-E处的变形形状和厚度与初始坯料的形状比较：（a）情况1；（b）情况2；（c）厚度分布比较
我们研究了初始坯料尺寸对回弹量的影响，并对冲压成形精度进行了比较。在图7中的情况2和情况3的比较可以了解横截面A–A、 D–D 和 G–G的回弹变形形状。通过测量截面的面积，用于回弹量的比较，可以观察在各个情况下沿纵向方向的冲压产品的中心和两端。三个横截面的回弹前后的变形形状如图9所示，这说明在引起弹性回复的情况下，情况2下引起的凸缘处的形状改变很严重。比较情况2、情况3引起的弹性回复明显降低。在回弹后，相对于平板的粘合剂，情况2法向旋转8.4°，情况3法向旋转0.7°。由于在纵向方向上没有多余材料留在粘合剂中从而在纵向方向上产生较小的抑制力使情况2具有较大的回弹量。
图9.初始坯料回弹前后的对比：（a）截面A-A；（b）截面D-D；（c）截面G-G
值得注意的是，从无撕裂、无起皱和良好的形状精度上来看，采用半开放型情况3初始毛坯的冲压方式比封闭型的情况1和开放型的情况2更加合适。分析结果表明，通过优化沿纵向方向尺寸较大的车身构件的坯料尺寸，可以有效地减少回弹量和防止起皱。但这并不能去除局部增加，因此在大的拉伸比和突变截面变化的情况下，仍然需要控制局部金属的流动。
2.3.拉深筋约束力的影响
在前一部分中，使用冲压仿真对前侧构件的压边力和初始坯料尺寸的影响进行了评估。他们可以有效减小如撕裂、起皱或者回弹等低成形性的情况。由于复杂的几何形状和较大的拉伸比从而使金属流动不均匀，多余的金属仍然能够造成局部增厚或者起皱的情况。在本文中，加强筋被强加在粘合剂表面上，以调查它对改善金属流动性的影响。
在金属板料成形过程中，通常采用拉深筋施加约束力来控制压模腔中坯料的流动和冲压工艺过程。拉深筋的尺寸比其他模具尺寸小得多。由于拉深筋周围小的单元模型回事会使计算时间大大增加，因此使用有限元模拟拉深筋是十分困难的。拉深筋被描述成线元件并且产生的抑制力被假设为拉深筋中点的等效力。通过在有限元节点的空白处施加外力，从筋片和空白材料之间的几何关系可以计算出拉深筋的等效力。在本文中，可以计算拉深筋的等效约束力，将其作为拉深筋的边界条件可以提高计算的效率。
在这项研究中，采用圆形的拉深筋给毛坯材料提供额外的抑制力。拉深筋的形状和尺寸如图10所示。为了通过有限元模拟实现拉深筋的约束力，采用2个步骤进行了拉深筋的分析：首先进行了拉深筋的成形分析，然后进行了拉深图形分析。使用商业软件ABAQUS /标准[ 9 ]进行来保证平面应变条件下二维分析的准确性。图11和图12在筋成型过程和绘图过程中毛坯的变形情况。图13显示了拉伸距离与抑制力的相互关系，图形表明，在早期阶段的边界条件的限制力是增加的。随着拉伸距离的增加，由于其弯曲力和摩擦力与外部力的平衡作用的作用，其抑制力有固定的值。0.226牛顿/毫米的结果是由拉延筋区域的抑制力提供的，它用于作为成形分析的边界条件。
图10.在分析中所用的圆的形状和尺寸
图11.成型过程中初始坯料的变形：（a）冲击0毫米；（b）冲击1毫米；（c）冲击2毫米；（d）冲击3毫米
图12.拉深成型过程中初始坯料的变形：（a）0毫米的拉伸距离；（b）拉伸距离为5毫米；（c）拉伸距离为10毫米
图13.拉深成型过程中计算出的拉深筋约束力
用于模拟的初始坯料的尺寸，与在2.2节中半开放式的施加100 kN压边力的情况2相同。图14表示拉深筋的位置与所用的粘合剂的曲线。图15表示在冲压件拉深筋成形后所形成的冲压件的厚度应变分布。计算结果表明，由于金属流动受拉深筋的抑制力约束，使其在计算过程中厚度减小，拉伸性能提高。厚度变化在截面B–B、D–D和E–E的检验如图7所示。在图
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