侧围外板冲压成形仿真及影响因素分析

张新颖 余天明,2 栗彬琦 崔岸,2

（1.吉林大学 汽车工程学院，长春130022；2.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点试验室，长春130022）

1 前言

汽车车身覆盖件与底盘、发动机、电子电器是汽车的四大组成部分[1]，其中车身覆盖件具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大、表面质量要求高等特点[2-3]，是汽车整体性能和质量的重要决定因素之一，它的设计和生产更是汽车整个开发过程的关键，很大程度上决定了开发周期和成本[4]。

随着有限元技术和计算机技术的高速发展，尤其是冲压模拟软件的开发和应用，缩短了冲压工艺方案锁定周期，使得生产中的试验次数大大减少，降低了研发成本，缩短了生产周期，极大提高了汽车制造的生产效率[5-6]。

2 侧围外板工艺补充设计

在进行冲压工艺和模具设计时，首先必须确定冲压方向，保证覆盖件能够顺利成形。在拉深工序中，确定冲压方向应考虑能使凸模顺利进入凹模，且进入拉深件的所有角落，因此要使凸模与毛坯接触面尽量大，接触面位于冲模中心，使进料阻力均匀。本研究选择的冲压方向如图1所示。

图1 冲压方向示意

工艺补充指为了顺利拉深成形出合格的制件，在冲压件的基础上所添加的材料，用以满足拉深、压料面和修边等工序的要求。

工艺补充分为内工艺补充和外工艺补充。如图2所示，其中外工艺补充包括拉深部分的补充和压料面两部分。

图2 两种工艺补充示意

压料面是凹模圆角半径以外的部分毛坯，压边圈将拉深坯料压紧在凹模压料面上。在凸模对坯料开始拉深前，压边圈将坯料压紧在凹模压料面上。

如图3所示，在成形过程中，需要保证拉深方向和压料面的相对位置合理，这样压料面才会更好地发挥功能。

图3 压料面与成形方向的相对位置

对于拉深工艺，凸模与压料面应满足一定的长度关系，如图4所示。在成形过程中，压料面的存在会使板料在凸模接触到它时处于一种张紧的状态，从而能够很好地贴在凸模上并进入到凹模中，否则容易起皱。

图4 压料面与凸模之间的长度关系

某款商用车侧围外板本身不具有对称性，所以拉深过程中各部位受力不均匀,因此采用双件拉深的方法,将零件对称布置，采用一模俩件的生产模式,在距离外板边缘25 mm处建立对称面，将原模型对称并将对称后的两半零件连接起来，如图5所示。

图5 对称完成后的零件

工艺补充完成后，冲压后得到的工件形状如图6所示。

图6 工艺补充完成示意

3 侧围外板冲压成形仿真

侧围外板的材料为厚度1 mm的DC04，力学性能见表1。

表1 DC04材料力学性能

3.1 网格的划分

由于Dynaform对网格的质量要求比较高，为保证仿真的精度，采用专业的有限元前处理软件Hypermesh进行网格划分。

由于零件尺寸较大，为减少网格数量，网格最大尺寸设置为30 mm，并采用三角形与四边形网格联合划分。最后，凹模划分完成的网格如图7所示。凸模、压边圈、板料的网格划分步骤与凹模类似。

图7 凹模网格划分结果

3.2 基于Dynaform的侧围外板仿真前处理

首先将凹模、凸模、压边圈、板料划分完网格后的模型导入到Dynaform软件中，导入后模型如图8所示。

图8 导入模型

板料成形的设置如下。

a.板料的厚度设置为1 mm，单动拉深，凹模在上，凸模在下，凹模向下运动。

b.钢材之间的摩擦系数通常在0.1～0.15之间，本次仿真中选用软件的默认值0.125。

冲压过程分为两步，第一步是压边工序，凹模向下运动与压边圈闭合，将凹模的速度设置为2 000 mm/s。

第二步是拉深工序，凹模跟压边圈一起往下运动与凸模闭合，将凹模运动速度设置为5 000 mm/s，运用经验公式（1）计算理论压边力的值。

式中，P为压边力；A为压边圈的面积；p为单位压边力。

由CATIA计算得A=1.459 m2，查冲压手册可知，单位压边力p一般为2.5～3.0 MPa,本研究取p=2.9 MPa，经计算得理论压边力P=4 231.1 kN，依此参照，将仿真中压边力的初始值设置为略小一些的4 150 kN。

各项参数设定完成后预览模具的运动情况，观察凸凹模之间是否完全闭合，从而检查设定过程有无错误。

4 冲压工艺参数对仿真结果的影响

利用Dynaform的后处理软件打开*.d3plot形式的结果文件，将凸模、凹模、压边圈隐藏，观看板料在成形过程中的动画及成形极限图与厚度分布图，如图9所示。

图9 第1次仿真结果

从成形极限图中可以看出，拉深过程中在外板下侧的两个尖角处已经出现了破裂区，且在厚度图中显示最薄处厚度为0.547 mm，减薄率45.3%，不能满足零件的使用要求。

出现上述问题的原因主要是此部分拉深深度较大，而且处于凸凹模的直角处，进料阻力较大，所以板料被过分拉深直至拉裂。

为解决拉裂的问题，需要重新选取工艺参数。

a.为减小进料阻力，将压边力减小至3 000 kN，仿真结果如图10所示。减小压边力后仍存在拉裂，但还未起皱。

图10 压边力3 000 kN仿真结果

b.继续减小压边力至2 000 kN，仿真结果如图11所示。减小压边力并未改善拉裂问题，且如果继续减小压边力可能会导致起皱。

图11 压边力2 000 kN仿真结果

c.由于压边力的减小对拉裂情况的改善不是很明显，且压边力不能过小，所以将压边力设置为初始值，在压边圈上设置四段等效拉深筋，拉深筋分布图如图12a所示，采用半圆形拉深筋，该拉深筋的高度设置为4 mm，圆角半径为4 mm，根据板料厚度和材料计算出阻力大小的经验值，这个力是完全锁模力值，为435.0 N，拉深筋的阻力系数值为20%，仿真结果如图12b、图12c所示。可以看出增设拉深筋之后，进料情况得到改善，拉裂部分面积减小。

图12 增设拉延筋后压边力4 150 kN仿真结果

d.继续将压边力减小至3 000 kN，仿真结果如图13所示，从成形极限图可以看出冲压结果得到改善，但是在零件的边角部分仍有破损，从厚度分布图看到，变形后最薄处的厚度为0.609 mm，减薄率为39.1%，根据经验判断这部分在生产中会出现破裂现象，最厚处厚度为1.145 mm，增厚率14.5%，增厚的部分基本为工艺补充部分，在拉深和整形之后会修边去掉。

图13 压边力3 000 kN仿真结果

e.由于第5次仿真零件最薄处为0.609 mm，超过合理的最大减薄率30%，将压边力减小为1 800 kN,仿真结果如图14所示。

图14 压边力1 800 kN仿真结果

这次仿真结果显示在压边力减小之后，不仅没有了拉裂的部分，且零件最薄处为0.704 mm，减薄率也得到了改善，少量起皱部分分布在法兰区域，满足生产要求。

通过上述多次仿真，可以看出工艺参数对冲压成形仿真结果的影响，单纯的减小压边力对拉裂情况的改善不大，而且由于压料面形状特殊，压边力过大会导致板料产生褶皱，增设拉深筋可以改善材料的流动状况以及板料的成形情况。

5 结束语

侧围外板是车身大型外覆盖件，对冲压成形要求比较高，利用Dynaform软件对侧围外板进行冲压成形仿真，通过选取合适的压边力、增设拉深筋，避免了生产过程中可能出现的拉裂、起皱的问题。

有限元数值仿真技术在车身上的应用已经越来越广泛，数值仿真技术可以模拟零件冲压成形过程，检查可能发生的缺陷，从而进行改良设计，减少了试验时间与设计成本，对实际的生产过程具有指导作用。