加工工艺参数，并预测生产中可能出现的问题。
１零件工艺分析
该型汽车后座椅横梁是一件汽车内覆盖件产品。它的成形工序分为４道：拉深一修边一冲孔一切断整形。这种具有明显的反拉深过程，且拉深深度大、几何形状复杂的车身覆盖件，拉深工序最容易出现质量问题，后续工序出现质量问题多数也是由于拉深成形过程变形不均匀，即部分区域减薄量过大或成形不足，造成形状精度不良。该零件材料为Ｂ１７０Ｐ１，其材料参数见表１。由于高强钢板不同于普通钢板的力学性能，也使得零件的硬化规律和加工性能有所变化。
表ｌ材料参数
Ｔａｂｌｅ１Ｍａｔｅｒｉａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
２数值模拟过程
２．１有限元网络模型的建立
文中模拟对象是某型汽车后座椅横梁的第ｌ道工序——拉深过程。
汽车车身零件及模具的几何模型一般都是复杂的空间曲面模型，而现有的有限元模拟软件都不具备构造复杂几何型面的能力，因而必须应用专门的ＣＡＤ软件来构造。文中使用ＵＧ三维造型软件造型，再导入模拟软件，如图１所示。
图ｌ有限元模型示意
Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＦＥｍｏｄｅｌ
２．２材料模型和屈服准则的选用
有限元模拟的准确性很大程度上取决于本构关系能否真实反映材料的真实特征［４］。按照材料的本构关系，板料成形的模拟可以选择刚塑性、弹塑性等各种材料模型描述。采用刚塑性模型时计算量较小，但无法对卸载过程进行模拟，不能预测回弹、残余应力等，而弹塑性模型在成形中既有塑性又有弹性，较符合板料成形的真实情况。对于经预加工或轧制而成的板料，其面内呈现明显的各向异性并对成形中的起皱具有显著影响，因此考虑采用一种能充分表征面内各向异性的屈服函数来更准确地反映板料成形过程中的屈服行为将极为重要。目前的研究大多采用Ｈｉｌｌ厚向异性屈服准则和Ｂａｒｌａｔ面内各向异性三参量屈服准则【５］。
２．３拉深筋设置
车身覆盖件和结构件形状多为复杂的自由曲面，在拉深成形过程中，由于几何型面的不对称性，板坯成形时各处材料沿凹模口的流动速度不均衡，造成拉深后的零件有些部位减薄过大，而有些部位出现起皱。
为了改变板坯流动状况，通常在凹模口处设置不同的拉深筋（如图２所示），在大面积板料零件的
图２拉深筋位置示意
Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｄｒａｗｂｅａｄｌｏｃａｔｉｏｎ
成形过程中，拉深筋可以增大材料的流动阻力，促使
坯料受到足够的拉胀成形，提高零件的刚度，调节坯
料的流动状况，使变形均匀一致。
对拉深筋的模拟既可采用真实的拉深筋，也可采用等效拉深筋。真实拉深筋模拟即对拉深筋进行建模并划分有限元网格，这种方法能较真实地模拟拉深筋部位的变形阻力，但由于压边圈上拉深筋的位置和形状尺寸相对复杂，每次修改拉深筋参数均需要重新建模并划分网格，加大了网格划分的难度，使网格数大幅度增加，影响计算效率［６］。文中模拟采用等效拉深筋，即将拉深筋的作用通过线力曲线来体现，这种方法无需构造拉深筋的几何形状，只需在表示拉深筋的线上网格点施加单位长度的阻力，模拟过程中修改拉深筋的各个参数都比较方便。
２．４模拟过程
现代汽车制造业中，常用单动或双动压力机生
产车身覆盖件和结构件。该模拟采用倒装反拉深的装模形式，完成建模、网格划分、参数设置后用Ｌ孓ＤＹＮＡ求解器对建立的有限元模型进行显式积分求解，经过计算获得后座椅横梁拉深后的变形情况、成形极限图、厚度变化和应力应变分布等。在建立的有限元模型的基础上，通过改变压边力、拉深筋位置和板坯尺寸等工艺参数，可研究不同工艺参数对板料成形结果的影响。为了能更明确分析各种工艺参数对成形过程的影响，可以用控制变量法加以研究。文中在设定的初始模拟参数和材料性能参数不变的条件下，借助成形极限图ＦＬＤ研究单独改变压边力、等效拉深筋设置和板坯尺寸对成形结果的影响。
３成形因素分析
３．１压边力对成形结果的影响
压边力是板料成形过程中的重要工艺参数之一，在板料拉深成形过程中，通常需要压边装置产生足够的摩擦抗力，以增加板料中的拉应力，控制材料的流动，避免起皱。
压边力可根据经验公式选取，也可以经过数值模拟计算得出。该模拟先选用经验值，再选用计算得出的压边力。采用不同压边力所获得的模拟结果的成形极限图如图３所示。从图３ｂ可以看出，增大
图３不同压边力下模拟结果的成形极限
Ｆｉｇ．３ＦＬＤｏｆＦＥＭｆｏｒｄｒａｗｉｎｇｗｉｔｈ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｏｌｄｉｎｇｆｏｒｃｅｓ
压边力并未使起皱得到明显改善，反而使破裂区域增多。从成形极限图上看，后座椅横梁拉深变形后，在中部大凸台右侧深孔的地方变形剧烈，板料出现明显变薄，最严重的在深孔底部，计算的工程主应变达到了４８％（如图３ａ右侧所示），出现局部颈缩，拉深工序出现失效，导致零件报废。
从ＦＬＤ上看，要想使这一区域更趋于安全，必须使该处在ＦＬＤ上的应变点向下或向右移动，最好能向右下方移动。应变点向下方移动，意味着减小工程主应变；应变点向右移动，意味着增加工程次应变，使用拉深筋可以有效达到上述目的。
３．２拉深筋对成形结果的影响
该模拟显示，运用拉深筋可有效改善坯料流动不均匀的现象，如图４所示。图４中，坯料一侧失稳，起皱严重。该零件发生起皱较多的一侧拉深深度大于另一侧，此处的金属流动速度也较快。破裂区仍然位于深孔底部，深孔处金属的流动方向与周围金属的流动方向相反，深孔底部的应力率先达到材料的抗拉强度，发生破裂。布置拉深筋后，坯料的流动情况大为改善，如图５所示。起皱区基本位于
坯料边缘，深孔底部也未破裂，ＦＬＤ清晰显示破裂
图４不使用拉深筋，压边力为１５０ｋＮ的成形极限
Ｆｉｇ．４ＦＬＤｏｆ
ＦＥＭｗｉｔｈｏｕｔｄｒａｗｂｅａｄ，ｂｌａｎｋｈｏｌｄｉｎｇｆｏｒｃｅｏｆ１５０ｋＮ
图５使用拉深筋，压边力为１５０ｋＮ的成形极限
Ｆｉｇ．５ＦＬＤｏｆＦＥＭｗｉｔｈｄｒａｗｂｅａｄ，ｂｌａｎｋｈｏｌｄｉｎｇｆｏｒｃｅｏｆ１５０ｋＮ
区域消失，此时模拟结果显示零件合格。
模拟过程中采用真实拉深筋可以更加真实地反应实际过程，但使建模工作量和计算量大大增加，该次数值模拟采用等效拉深筋，等效拉深筋设置过程中，完全锁模力计算公式如下：
Ｆ＝１．１５＊Ｋ＊ｎ”＊ｈ
式中：＾——板料厚度，ｍｍ；
Ｋ——材料强度系数；
靠——材料硬化指数。
查看材料属性后计算出完全锁模力为４．１６ｋＮ，真实拉深筋的筋高和圆角半径等参数可以通过等效拉深筋的锁模力百分比来体现。不同的拉深筋锁模力百分比的模拟效果如图６所示。
合理布置拉深筋是车身覆盖件和车身结构件冲压成形中控制冲压成形质量的主要手段之一，其原理是板料通过拉深筋时将产生２种阻力：板料与拉深筋的摩擦力和板料通过拉深筋时产生的弯曲一反
图６不同锁模力下的ＦＬＤ
Ｆｉｇ．６ＦＬＤｆｏｒＦＥＭｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉｅｃｌｏｓｉｎｇｆｏｒｃｅｓ
弯曲变形力。在冲压成形中，拉深筋阻力将作用在板坯上，从而对板坯施加托深阻力。车身零件拉深过程通常都是在拉力作用下成形的。合理布置拉深筋不仅可以降低拉深成形过程对压边力的依赖，而且可以调整拉深阻力的分布状况，从而改善材料的流动不均匀性口］。
结果显示通过改变等效拉深筋阻力系数可有效改变坯料的流动阻力，有效控制起皱的产生，也可使坯料变形充分，但过大的拉深阻力会导致大凸台右侧深孔开裂。该后深孔成形方向与整个零件的拉深方向相反，材料流动最剧烈，减薄速率最大，过大的拉深阻力会直接导致深孑Ｌ底部破裂。
综合以上分析，不同工艺参数对成形过程和结果影响很大。其影响也是多方面的。要获得质量较好的零件，就需要综合考虑各种工艺参数对成形过程的影响，找到合适的工艺参数组合。后座椅横梁拉深成形后局部易出现拉裂和起皱的缺陷。起皱部位分布在坯料狭窄方向的两侧，而拉裂主要出现在右侧深孔的位置。实际生产中应针对右侧的深孔，改变局部润滑条件，如在模具上加设局部润滑油注
入孔等。
汽车后座椅横梁冲压成形过程的数值模拟
作者：张超， 李萍， 曹婷婷， 薛克敏， ZHANG Chao， LI Ping， CAO Ting-ting， XUE Ke-min
作者单位：合肥工业大学,材料科学与工程学院,合肥,230009
刊名：
精密成形工程
英文刊名：JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING
年，卷(期)：2010，2(3)
被引用次数：0次
参考文献(7条)
1.HELLER T.END B.EHRHARDT B New High Strength Steels Production.Properties ＆ Applications 1998
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5.周林.李萍.薛克敏瑞风商务车托架零件冲压成形过程的数值模拟 2007(2)
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7.林忠钦车身覆盖件冲压成形仿真 2004
本文链接：https://www.doczj.com/doc/f215947228.html,/Periodical_jmcxgc201003007.aspx
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下载时间：2010年11月22日