| 标题 | 铝合金车门内板成形工艺数值模拟及模具设计 |
| 范文 | 刘晓晶 陈晓桐 张晓华 陈龙 赵宇桐 摘 要：在冲压拉延过程中为了减少汽车覆盖件产生起皱和破裂等缺陷，针对材料为AA6009铝合金的车门内板，运用有限元软件DYNAFORM进行拉深成形数值模拟和工艺优化。采用设置板料压边力，摩擦系数以及拉延筋的方法，以内板的成形极限图（FLD）和壁厚分布图为衡量标准，对成形缺陷产生的原因进行预测和优化，得到最佳加载方式。然后运用三维造型软件UG进行了汽车内板的凸、凹模和压边圈的设计并进行了模具零部件的设计，完成了模具装配与校核。结果表明，在凹模上设置拉延筋并且设置合理的压边力和摩擦系数，可以有效地提高工件的成形质量，防止起皱和破裂的产生，最后运用UG进行三维零件的绘制与装配，减少了模具研发的时间与试模周期。 关键词：汽车覆盖件；数值模拟；汽车门内板；有限元 DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.022 中图分类号： TG394 文献标志码： A 文章编号： 1007-2683（2018）04-0118-04 Abstract：In the drawing process in order to reduce automobile wrinkling and rupture defect， In view of the material for the AA6009 aluminum alloy door inner plate， using the finite element software DYNAFORM to carry on the drawing forming numerical simulation and the craft optimization. By setting the sheet blank holder force， drawbead and friction coefficient method， the forming limit diagram （FLD） and the wall thickness distribution of the plate are measured as the standard.， prediction and optimization of the cause of forming defects， get the best loading. Then use the threedimensional modeling software UG to carry on the automobile interior board convex， concave die and the blank holder design and carried on the mold component design， completed the mold assembly and the check.. The result show that set draw bead on die and effective binder force and proper coefficient of friction may reduce the tendency of wrinkling and improve the quality of stamping product. Finally， the use of UG for threedimensional parts of the drawing and assembly， reduce the time of mold development and test mode cycle. Keywords：automobile panel； numerical simulation； automobile door inner panel； finite element 0 引 言 鋁合金汽车覆盖件能够满足汽车轻量化的特殊要求，能满足冲压件的强度要求，减轻对原材料的消耗及零件的重量，近年来已经成为许多人研究的热点[1-2]。板料成形是一个非常复杂的过程，很多因素都影响着成形的结果。但由于铝合金成形性差，汽车覆盖件尺寸较大，壁厚分布不均匀，曲面多且形状复杂，在普通的传统拉深工艺中很难一次成形[3-4]。如果只依靠在生产中发现问题并进行调试的话，生产周期将会大大拉长[5-6]。而在模具制造之前对板料的成形进行计算机数值模拟，并依据模拟的结果来设计、制造模具，这将会缩短模具的调试时间从而达到短周期、高质量的设计目的[7-8]。 本文利用有限元模拟软件DYNAFORM对车门内板做数值模拟分析[9-12]，对起皱、破裂等成形缺陷发生原因和如何预防进行具体阐述[13-16]。以车门内板为实例，通过对比成形极限图以及壁厚减薄率，对不同压边力，不同拉延筋以及不同摩擦系数下板料冲压成形有限元模拟进行了实例分析，对冲压成形质量进行了比较[17-20]。 1 车门内板有限元模型 研究对象为车门内板，采用的材料是铝合金AA6009。材料力学性能见表1。铝合金AA6009具有密度小、弹性好、比强度和比刚度较高、抗冲击性能好等优点，适用应用于汽车覆盖件。 通过三维软件UG建立车门内板模型，并将其以*igs格式导入到数值模拟软件DYNAFORM中并进行网格划分，之后对零件提取中性层后，将提取中性层后的零件的法兰边展开，并进行网格划分，补全孔洞。其网格模型如图1所示。本文采用双动拉深成形，BT壳单元，板坯厚度1.5mm，模具行程280mm。图2为自动对模后的有限元模型。 2 缺陷分析 板材变形在外力作用下开始，当承载面积的减少不能和应变强化量抵消时，则处在危险变形状态。首先变形的是承载力弱的部位，然后从凸台拐角处断裂。 金属薄板成形中，模具在对板施加外力的作用下，导致板材的塑性变形，由于受力复杂，应力应变变化复杂，在成形过程中，板厚方向极不稳定，所以容易产生起皱。 根据公式计算出的压边力接近100kN，对压边力理论计算结果100kN，摩擦系数选用默认值0.125进行模拟，结果如图3所示。 由图3可以看出，车内板在拉延过程中由于压边力过小造成了侧壁起皱以及摩擦系数过大造成凸台拉裂现象，继续拉延使零件的破裂趋势增大。如图3红色破裂区。对付拉裂和起皱的措施是改变压料阻力水平，产生均匀胀形。因此，在其他条件不变的情况下，增大压边力和减小摩擦系数进行模拟，采用正交方法设置参数，结果如表2所示。 通过表2对比可以看出，压边力为200kN，摩擦系数为0.1的第2组相对其他组壁厚减薄率最小，达到44.4%，由图4可以看出，第2组模拟的成形结果较好，没有出现破裂的现象，褶皱的趋势变小，从第1组的成形极限图可以看出，两个角凸台部分有起皱，由于板料尺寸大，法兰部分宽，受到的切向力大，所以两个角凸台部分抗起皱能力差，得不到良好的塑性变形，刚度小，严重影响了车门质量；第9组的模拟结果可以看出，当压边力达到250kN，摩擦系数0.15时，由于压边力和摩擦系数过大，由于在拉深时板料无法配合冲压进给，拐角处变形大，使凸台圆角处出现拉裂。 3 拉延筋对成形的影响 在未设置拉延筋时板料成形结果如图5（a）所示。 选择汽车车门内板的拉深筋为多截半圆的等效拉深筋，深5mm。车门内板车窗部分的内凹成形区在冲压时形变很大，为了促进板料流动，需降低拉深筋阻力的车窗部分，所以设置单通道拉延筋。车门内板模拟结果如图5（b）所示。 由图5（a）可以看出，只靠压边力在成形时局部也会产生起皱现象同时未变形区域也明显增大，并且在一些地方出现了裂痕，因此只依靠压边力无法完全保证成形质量；图5（b）通过调整拉延筋，可以改变部分进料阻力在板料拉延成形过程中，变形区的应力及其分布可调；还可以增加板料流动稳定性得到均匀变形的件。加入拉延筋可以补充压边力不够，增大进料阻力，从而避免产生由于缺乏压边力造成表面畸变和起皱等成形缺陷，同时提高零件的刚度。 4 车门内板拉深模设计 应用UG模具工程和模具设计两个模块进行了车门覆盖件模具的三维设计。模具工程模块将专家的设计和工艺经验融入到模块中，以指导设计过程中的向导一步一步完成模具设计的过程。模具设计模块提供了一套专用工具来创建冲压模具零件，例如凸模、凹模和压料圈等。图6（a）为凸模，图6（b）为凹模，图6（c）为压料圈，图6（d）为拉深模。 5 结 论 1）压边力和摩擦系数对成形质量有直接的影响，当压边力较大，在形成起皱的趋势并不明显，但开裂的趋势更为明显，当压边力在较小的拉深成形过程中，这种趋势更加明显，但开裂趋势不明显；当摩擦系数过大，所提供的摩擦力大，进料阻力越大，越容易产生破裂现象，摩擦系数过小，所提供的摩擦力小，进料阻力过小，容易产生褶皱现象。 2）辅助拉延筋是在对进料阻力的有效调节方法。通过调整拉延筋，可以改变部分进料阻力。在板料拉延成形过程中，这种变形区的应力及其分布可调；还可以增加板料流动稳定性得到均匀变形的件。合理选择机床吨位和拉延筋的阻力系数，从而使缺陷大大降低，使板料的利用率上升。 3）通过对汽车内板进行数值模拟，在实际生产过程之前减少模具研发时间与试模周期，减少成本，提高效率。 4）通过汽车车门内板拉深模结构的特点以及UG良好的功能，通过车门内板的模具结构进行模板式设计过程，以此来证明模板化的设计过程不但可以实行，而且与数值模拟技术互相辅助，为其他工件的模具生产做铺垫。 参 考 文 献： [1] 雷正保.汽车覆盖件冲压成形CAE技术[M]. 北京： 国防科技大学出版社， 2003：62-69，76-79. 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