摘要：根据目前使用的发动机罩外板冲压工艺，通过建立拉延成形有限元模型，对拉延成型进行数值模拟研究，研究不同的工艺参数对成形质量、零件厚度减薄率的影响，确定了成型过程中出现的破裂、起皱等缺陷的原因，主要由拉伸力不足所致；此外分析表明，成型过程中仍存在部分材料的成形曲线超出极限。
关键词：发动机罩外板；冲压成形；拉延；数值模拟
0引言
汽车覆盖件多为尺寸较大零件，其拉延程度不大，但由于尺寸较大且形状结构多变及表面多起伏等特点。成形过程受多种因素影响，例如材料的性能、板料的尺寸外形、压边力、拉延筋及摩擦等等，这些因素相互影响制约。在冲压成形过程中出现缺陷时，可以改变材料的型号来改善成形质量，或者改变工艺参数来应对，这些措施可以提高制件的成形质量。由于冲压成形过程很复杂，制件很容易出现起皱、破裂、精度低等质量问题，可是这些起皱、破裂等问题具体是由什么因素造成的，通过简单的观察已成型的不良品不得而知，因此本文将通过树枝模拟的方法对该问题进行研究，期望得到不同的工艺参数对成形质量、零件厚度减薄率的影响。
1 有限元模型的建立
本文采用的是UG建模，再导入到有限元分析软件中，材料模型参数直接在软件强大丰富的材料库中选用钢性材料，其中材料的状态方程、强度模型、损伤模型这里不再一一赘述。赋予材料模型参数后对仿真模型进行划分六面体网格。
在软件的Geometry generator 模块中对拉延成形的冲压方向进行设定。通过第二章中对汽车发动机罩外板的结构造型分析，为使凸模、凹模在拉延结束后可以完全闭合，防止冲压负角的出现，尽可能选择较小的拉延深度，依据合件方向与样品的形状，为了尽量使板料与模具先接触位置位于模具中心，初步设定样品冲压方向垂直于样品顶部平面。后期根据模拟结果需要可在Geometry generator 模块中选择part下的tip进行适度调整。
在有限元分析软件中单击Addndm模块，在显示的选项卡中选择Add Addndm按钮，选取所要添加的工艺补充轮廓线，然后点击确定按钮 Apply。在有限元分析软件界面上显示补充后的结果，还可以通过Lines对生成的压料面进行调整。Advanced选项对工艺补充部分进行编辑，此处凹模的圆角半径设置为8 mm，凹模的圆角半径设置为15 mm，拔模角初步设定为15°。Lines选项可以调整分模线，使工艺补充部分变得更光顺，利于后序的拉深成形，工艺补充部分添加完成后点击Apply确定。基于以上三条基本原则并且考虑到冲压过程中外观面滑移的风险，设计添加了工艺补充面，后序根据初步模拟结果可通过Add profile进行局部工艺补充面的调整。
基于以上三条基本原则初步设定一条筋高为6.5 mm的圆形筋，提供均匀的成形阻力，为符合实际生产条件便于修磨，拉深筋宽度不一致会造成现场调试打筋的困难，规定入口半径为4 mm，出口半径4 mm，筋宽为13 mm，只通过变化拉深筋高度来调整拉深筋强弱控制其拉延阻力。后序再根据初步模拟结果可通过Variable drawbead进行局部拉延筋的调整，起皱和拉深不足区域则需增大拉延筋的阻力，破裂和过度减薄区域则需要减小拉延筋的阻力。
在冲压成形过程中，摩擦系数对制件冲压成形质量的优劣起着关键性的作用。在冲压成形中，坯料流动阻力（压边摩擦力）等于摩擦系数与压边力的乘积。压边摩擦力对板料成形产生一定程度的影响，主要的原因它的大小控制着板料的变形。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆随着摩擦系数增大，成形力也随之增大，导致减薄率增大以至于产生拉裂缺陷，模具的使用寿命也大大降低，且摩擦系数过大会造成零件表面质量不高，在造型圆角或形状过渡较大处留下划痕，例如滑移线和冲击线；摩擦系数过小，可能导致成形力减小，出现拉伸不足、起皱等缺陷，甚至会造成板料流动速度过快，板料拉延不充分产生回弹。因此，摩擦系数选取的是否合理对冲压成形的质量有很大的影响。摩擦系数根据板料和模具的接触情况设定，由于板料变形过程较复杂，摩擦系数会随着板料与模具的接触状态还有压力的大小发生变化。根据生产经验值摩擦系数的取值范围在0.14~0.18之间。
成形参数的设置拉延方式一般有两种方式：单动拉延和双动拉延。单动拉延是利用压力机使上模下行，与压边圈共同压住板料，然后一起向下运动直至闭合的过程。双动拉延是在压力机的作用下，压边圈下行，与下模一起压住板料，然后上模下行直至完成成形。单动拉延具有制造容易、模具结构简单以及成本低的优点。
本文所研究的汽车发动机罩外板结合实际生产条件采用单动拉延。在过程生成器（Process generator）菜单项中，模拟类型选用增量法、单动拉延、板料厚度设为0.7 mm、指定几何基准为凹模外侧。设置完之后确认，进入过程生成器界面，然后对成形工艺参数进行设置。
2 初步模拟结果
本课题主要是对汽车发动机罩外板拉延成形质量的控制，拉延成形模拟结果的评判标准主要从拉裂评判和起皱评判两个方面进行。
初步模拟的计算结果，大部分发动机罩外板区域没有出现起皱，但是成形不充分，拉伸不足较明显，而拉伸不足宏观上来讲无非两个原因：1）拉伸力不足；2）拉伸力充分但拉伸行程不足所致。为验证此处是拉伸力不足或者拉伸力充分但拉伸行程不足所致，现从软件输出压边力进行分析：软件仿真过程中的压边力计算结果为1.33×106 N，即不在上文压边力计算结果的1.38×106~1.73×106 N的合理范围内，由此表明在冲压成型过程中该区域板材并没有得到足够的拉伸力；图中绿色区域代表成形性较好，在工艺补充面的垂直面部分区域B区有黄色和红色区域，这表明这些区域出现了过度减薄，不符合设计的刚度和强度要求，在边缘出现部分蓝色区域（压应力起始区），此区域的材料虽然没有增厚，但是已经存在压应力，有起皱的趋势；此外，零件边缘有少量的灰色区域，是由于拉伸不足而造成。分析初次模拟结果，主要问题是：制件大部分存在拉伸不足，工艺补充面垂直部分过度减薄，为将成形质量进一步提高，还需要对工艺补充面、拉延筋、以及工艺参数（坯料形状、压边力、拉延筋、摩擦系数）的等进行调整来优化。
3结束语
（1）根据发动机罩外板的冲压工艺，进行有限元建模并进行模拟计算，得到了拉延过程中坯料的流动状态、成形极限图及样品的最终成形质量，模拟得到初步成形结果，分析成形过程中出现的破裂、起皱等缺陷的原因，为下一步模拟和优化设置做好准备，为后续消除成形缺陷，改善成形质量提供了优化方向。
（2）通过分析仿真结果得到，发动机罩外板中间大部分区虽然材料没有出现起皱，但是成形不充分，拉伸不足较明显，而造成拉伸不足宏观上来讲有两个原因：1）拉伸力不足；2）拉伸力充分但拉伸行程不足所致。为验证此处是拉伸力不足或者拉伸力充分但拉伸行程不足所致，通过对压边力进行计算分析比较，表明在冲压成型过程中成形不充分是由拉伸力不足所致；此外分析表明，仍存在部分红色区域超过了材料的成形极限曲线。
参考文献
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论文作者:陈木林
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/20
标签：板料论文; 摩擦系数论文; 工艺论文; 区域论文; 过程中论文; 质量论文; 材料论文; 《基层建设》2019年第8期论文;