轎車頂蓋液壓成形數(shù)值模擬分析.

1、轎車頂蓋液壓成形數(shù)值模擬分析【摘要】 液壓成形是依靠高壓液體使金屬坯料貼模成形的柔性加工工藝， 具有成形產(chǎn)品質量輕， 剛度好， 形狀及尺寸精度高，模具簡單和生產(chǎn)周期短等諸多優(yōu)點。在淺拉延大尺寸覆蓋件液壓成形過程中，如何設計 加載路徑， 是液壓成形技術的一個重要課題。 本文采用數(shù)值模擬， 對轎車頂蓋的液壓成形加載路徑進行設計， 同時對比分析了傳統(tǒng)拉延與液壓成形的成形性，結果表明液壓成形汽車外覆蓋件具有明顯優(yōu)勢。關鍵詞】 液壓成形，頂蓋，加載路徑，成形性Numerical Simulations for the Hydroforming of Car RoofAbstract: Hydroform

2、ing is a flexible processing technique using hydraulic pressure as the forming media. Hydroformed products can reduce weight and cost while improving structural strength and rigidity. During the process of hydroforming, how to deal with the loading path has become a significant subject of this area.

3、 Using finite element method, this paper designs the loading path of car roof and contrasts the different forming results with drawing and hydroforming, which shows that hydroforming is better than drawing in forming automobile panels.Key words: hydroforming, car roof, loading path, forming capabili

4、ty1 引言汽車外覆蓋件與一般沖壓件比較，具有結構尺寸大、表面質量高、材料厚度小，以及形狀復雜等 特點。其變形多由局部凹凸脹形、翻邊和外圓凸緣拉伸、直線拉伸和伸長等多種變形組成。因此，外 覆蓋件的成形質量對汽車而言至關重要 1 。目前，世界各大汽車公司都加快了對覆蓋件成形的研究與 應用。近年來，隨著成形設備和相關控制技術的發(fā)展，以流體為傳力介質的板材液壓成形技術在國外 迅速發(fā)展起來，廣泛應用于汽車、飛機和航空航天制造業(yè)，如制造轎車頂蓋、翼子板等覆蓋件及航天 領域中復雜難成形零件，并且開始用于許多其他工業(yè)領域，其應用前景十分廣闊2-4。液壓成形 ( Hydroforming ) 是利用液體壓力使

5、工件成形的一種塑性加工工藝。由于與傳統(tǒng) 的沖壓焊接工藝相比，具有減輕重量，節(jié)約材料，充分利用材料的強度與剛度的特點，因此， 被認為是解決汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展與全球環(huán)境日益惡化以及能源緊張之間矛盾的有效途徑之一5 。按使用坯料的不同，液壓成形可以分為兩種類型 : 板材成形和管材成形。其中板材液壓成形主要用 于成形具有較大高徑比的筒形件、錐形件、盒形件，以及帶有特殊表面成形要求的淺拉延件等；而管 材液壓成形除了成形多通管、波紋管外，目前主要集中在汽車零部件制造方面，如臺階軸、車身支架 零件等 6。對板材液壓成形而言，原則上可用于傳統(tǒng)冷沖壓成形的板材均適用于液壓成形；而對于管 材液壓成形，坯料可采用拉

6、拔管、焊接管、雙層管、擠壓型材等7 。隨著研究及應用領域的拓展，一些新型材料也在液壓成形中得到應用。本文以轎車頂蓋液壓成形為例，通過有限元數(shù)值模擬，將液壓成形與傳統(tǒng)的拉延成形結果進行對 比分析。2工藝原理簡介板材液壓成形采用液體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剛性凹?；蛲鼓＃古髁显谝后w的高壓作用下貼模成形。按照成形原理可以分為軟凹模拉延和軟凸模拉延兩類8，如圖1所示。圖1軟凹模及軟凸模拉延與傳統(tǒng)剛性凸凹模成形工藝相比，液壓成形具有如下 優(yōu)點：（1）借助于強制性流體潤滑的作用使得拉延過程中法 蘭部位的摩擦力減少，降低了零件圓角處的減薄破裂傾向， 改善了成形件壁厚的均勻性，并能很好的控制回彈。（2）極大提高了板料拉延

7、成形極限， 減少了中間工序,尤其適合一道工序內成形具有復雜形狀的零件，甚至是傳統(tǒng)加工方法無法成形的零件，材料利用率高。（3）表面質量好，尺寸精度高，減少零件表面劃傷，所成形零件外表面可以保持原始板材的表面 質量。尤其適合鍍鋅板等帶涂層的板材成形。（4）僅需要一套模具中的一半（凸模或凹模），沒有配模要求，使得模具制造周期大大縮短，模 具費用降低65%90%，模具具有通用性，不同材質、厚度的坯料可用一副模具成形。3轎車頂蓋傳統(tǒng)拉延成形數(shù)值模擬分析 3.1頂蓋工藝性分析圖2轎車頂蓋模型圖3轎車頂蓋拉伸件以江淮汽車有限公司某款轎 車頂蓋為例（如圖2所示），根據(jù) 零件形狀特點，對其進行工藝補 充，獲得的

8、拉延件形狀如圖3所示。 采用與零件形狀一致的壓料面便 于材料的流入，側壁采用階梯形工 藝補充，可增大材料的變形阻力及 變形量。在拉延件四周設置了矩形 拉延筋，同樣可以起到增大材料變 形程度的作用。3.2有限元模型建立本文采用以LS-DYNA作為求解器的有限元分析軟件 DYNAFORM5.5進行仿真分析?？紤]到結構的 對稱性，采用完整模型的一半建立模型?；赨G4.0建立幾何模型，通過標準數(shù)據(jù)格式IGS導入DYNAFORM5.5軟件建立有限元模型，如圖 4a）所示。板料選取DC06冷沖壓鋼板，初始尺寸為 0.8氷400 244 0（mm），材料的性能參數(shù)如表1所示。材料模型為三參數(shù)BARLAT模

9、型。板料單元采用成形數(shù)值模擬中應用非常廣泛的Belytschko-Tsay（BT）殼單元。接觸類型為單向面一面接觸。在凹模上設置了等效拉延筋。摩擦采用庫倫摩擦，在傳統(tǒng) 拉延中設定摩擦因子 卩=0.125轎車頂蓋的液壓成形過程有限元模型如圖4b）所示。除了摩擦條件，采用與傳統(tǒng)拉延一樣的設置。 在液壓成形中，由于凸模與板料之間無任何潤滑作用，屬于干摩擦，其摩擦因子同樣設置為卩=0.125考慮到液體的黏性，板料與液體之間的摩擦因子卩=0.043.3轎車頂蓋傳統(tǒng)拉延成形模擬分析a)傳統(tǒng)沖壓工藝模型b)液壓成形工藝模型圖4有限元模型參數(shù)數(shù)值屈服強度s ( MPa)151彈性模量E (GPa)207泊松比

10、卩0.28Barlat-Lian 指數(shù) m8厚向異性系數(shù)2.369厚向異性系數(shù)r452.341厚向異性系數(shù)r903.129表1材料性能參數(shù)2所示。考慮六種不同壓邊力的拉延情況，經(jīng)過有限元模擬，不同壓邊力對應的拉延件件壁厚如表 表2不同壓邊力對應的壁厚序號壓邊力/KN最大壁厚/mm最小壁/mm最大壁厚差/mm13001.2590.3970.86222501.5400.3901.15032000.9190.4430.47641500.9300.5540.37651000.9750.5500.4256501.3110.4530.858從表2中可以看出隨著壓邊力的減小，材料的最大壁厚呈先減小后增加的趨

11、勢，最小壁厚變化趨勢恰好相反。壓邊力為150KN時，壁厚差最小，為0.376mm；壓邊力為100KN時，最小壁厚基本保持不 變；而當壓邊力為50KN時，最小壁厚卻反而減少。 主要原因是由于隨著壓邊力的減少，變形阻力也減小，法蘭區(qū)域大量起皺，材料聚集在起皺處，皺褶阻止了材料的流動，導致R角處出現(xiàn)多處破裂。圖5為壓邊力為50KN時的成形極限圖，從圖中可以看出，在法蘭區(qū)產(chǎn)生了嚴重的皺褶， 在零件底部圓角區(qū) 產(chǎn)生了嚴重的破裂。圖7為傳統(tǒng)拉延成形的頂蓋拉延件實物圖，其中，拉延件法蘭區(qū)域起皺嚴重，R角處存在破裂及暗裂情況，與有限元模擬結果基本一致。uNiirLwErffil IK: U9M45CWK-MM

12、M1MlfiEEm wim圖5壓邊力為50KN時傳統(tǒng)拉延成形極限圖圖6傳統(tǒng)拉延成形的頂蓋拉延件實物圖由此可見，在傳統(tǒng)拉延成形過程中，僅通過減少壓邊力很難克服零件破裂的缺陷。因此，采用傳 統(tǒng)拉延來成形轎車頂蓋難度較大。4轎車頂蓋液壓成形數(shù)值模擬分析基于以上的分析，并結合零件的形狀特點， 采用液壓成形方法，對頂蓋拉延過程進行有限元分析。 由于在液壓成形中，液室加載路徑對拉延件成形性影響尤為明顯，因此，首先根據(jù)零件幾何特點和變 形特點，設計加載路徑，再進一步分析加載路徑對成形性的影響，得出變化規(guī)律。4.1液室加載路徑設計GOOD 0.005Q0100.01500300 035圖7液室加載路徑零件的側

13、壁為階梯形狀，可以將液壓成形過 程分為四個階段，第一階段：00.012s,凸模和 坯料基本接觸完成；第二個階段：0.0120.016s, 第一個階梯成形階段；第三個階段：0.0160.02s, 第二個階梯成形階段；第四個階段：0.020.021s, 凸模完全進入凹模，加壓整形階段。根據(jù)零件的 形狀特點和液壓成形過程中的變形特點，設計了如圖7所示的多線性的加載路徑。設第一、第二、 第三階段加載壓力分別為 P1、P2、P3,第四階 段整形壓力為P4。4.2加載路徑對成形性的影響液室壓力加載過大，則板料將發(fā)生嚴重的反向變形，從而產(chǎn)生一個很大的與沖壓方向相反的拉應力。該反向拉應力嚴重阻礙材料的進入，板

14、料 迅速變薄，產(chǎn)生破裂。反之，液室壓力加載過小，則坯料與凸模的接觸不充分，不能發(fā)揮摩擦保持效 應，在拉延中后期，坯料變薄造成破裂。因此，建立合適的加載路徑才能保證獲得成形質量良好的拉 延件。按前文設計的加載路徑，分析各個因素對成形性的影響，當一個因素改變時，其他因素設置為 常量。路徑號P1/MPaP2/MPaP3/MPaP4/MPa最小壁厚/mm最大壁厚/mm10.050.151100.510.8320.100.151100.660.9530.150.151100.640.9440.250.151100.511.08表3 P1為變量的加載路徑和模擬結果4.2.1 P1對成形性的影響將P1設為變

15、量，取值范圍為 0.050.25MPa，P2、P3、P4 設為常量。按 照所設計的加載路徑，各個路徑組合的最 大、最小壁厚模擬結果如表 3所示。從表3可以看出，P1為0.05MPa時, 在成形初期，凸模長邊圓角底部產(chǎn)生破裂， 如圖8a）所示，原因是初始壓力不夠大， 凸模底部和坯料接觸不充分，在未建立起摩擦效應的時候，發(fā)生破裂。隨著P1的增加，最小壁厚的減薄得到抑制，其原因是摩擦效應的發(fā)揮。但是隨著壓力進一步增加，凸模底部圓角同樣發(fā)生了破裂，并且在短邊直壁處，產(chǎn)生嚴重的褶皺。破 裂現(xiàn)象主要是由于成形初期，僅僅是凸模底部和板料接觸，未建立起摩擦效應，由于反脹壓力過大，加大了徑向拉應力，使得在凸模底

16、部圓角產(chǎn)生破裂；皺褶產(chǎn)生的原因是成形初期壓力過大，反脹形成 的軟拉延筋較大，加上短邊直壁部分，凸凹模間隙較小，隨著凸模的向下拉延，軟拉延筋形狀發(fā)生嚴 重的褶皺，同時造成該區(qū)域材料流動阻力增大，同時在凸模直壁區(qū)，產(chǎn)生破裂，如圖8b）所示。a) 1號路徑b) 4號路徑圖8兩種路徑下的成形極限圖4.2.2 P2對成形性的影響將P2設為變量，取值范圍為 0.150.7MPa, P1、P3、P4設為常量。按照所設計的加載路徑，各個路徑組合的最大、最小壁厚模擬結果如表4所示。路徑號P1/MPaP2/MPaP3/MPaP4/MPa最小壁厚/mm最大壁厚/mm10.150.151100.640.9420.15

17、0.31100.660.9530.150.51100.660.9440.150.71100.610.91表4 P2為變量的加載路徑和模擬結果圖9 4號路徑下的成形極限圖從表4中可以看出，在 0.150.5MPa范圍內，隨著 P2 的增加，最大、最小壁厚變化不明顯。當P2增大到一定程度0.7MPa時，在凸模短邊圓角產(chǎn)生破裂，如圖9所示。分析原因是，在成形中期，凸模短邊還未與坯料產(chǎn)生足夠的接觸，摩擦效應未發(fā)揮，過 大的增大壓力，會造成壁厚的嚴重減薄，在成形后期發(fā)展為破裂。4.2.3 P3對成形性的影響將P3設為變量，取值范圍為 28MPa, P1、P2、P4設為常量。按照所設計的加載路徑，各個路徑

18、 組合的最大、最小壁厚模擬結果如表5所示。路徑號P1/MPaP2/MPaP3/MPaP4/MPa最小壁厚/mm最大壁厚/mm10.150.152100.660.9520.150.154100.661.2230.150.156100.670.9440.150.158100.591.36表5 P3為變量的加載路徑和模擬結果從表5可以看出，在26MPa范圍內，隨著P3的增大，最小 壁厚無明顯變化，即拉延件減薄趨勢基本不變。但是當P3增大到8MPa時，凹模圓角區(qū)坯料在液室壓力 的反脹作用下產(chǎn)生破裂，如圖10所示。4.3 液壓控制策略從以上分析可知液室壓力加載過大，則會使板料發(fā)生嚴重的反向變形，增大徑向

19、拉應力的作用， 板料迅速變薄，造成破裂。反之，液室壓力加載過 小，凸模和坯料的接觸不充分，不能發(fā)揮摩擦保持 效應，在拉延中后期，坯料變薄造成破裂?；谝?上分析得出轎車頂蓋液壓成形液室加載路徑，如圖 11所示。5頂蓋液壓成形的成形性分析5.1液壓成形極限分析00.0000.005001000150.0200 0258 6 4 2液壓成形過程中，取 P仁0.15MPa ,P2=0.15MPa, P3=6MPa, P4=10MPa 的加載路徑下的一處存在明顯減薄狀態(tài)的截面，如圖12所示，從圖中可以看出，壁厚整體變化均勻，僅在 兩個R角處略為急劇，點1、點2對應的壁厚尺 寸分別為0.7093mm、0

20、.7722mm,最大減薄率僅 為11.33%，無破裂危險。將該路徑與傳統(tǒng)拉延成形壓邊力為150KN 時的壁厚變化做比較可以發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)拉延中壁厚 減薄率最小的情況相比，液壓成形仍然存在較大優(yōu) 勢(如圖13所示)。兩者最大壁厚基本相同，但最 小壁厚相差0.12mm，液壓成形減薄率為16.25%, 而傳統(tǒng)拉延成形減薄率為 31.25%,出現(xiàn)破裂。分析 原因，主要是液壓成形時，反向液壓的作用形成軟 拉深筋，清除懸空區(qū)，坯料與模具之間建立起有益 摩擦，使在凸模底部圓角處坯料徑向拉應力減小， 應變軌跡在成形極限圖上向左偏移，提高了成形極 限?；?j/aa圖12液壓成形截面壁厚變化曲線圖11加載路徑示意圖

21、匚最大壁廠最小壁|壁厚差圖13兩種成形方式壁厚對比圖5.2液壓成形性分析圖14為傳統(tǒng)拉延成形壓邊力為 150KN，以及 液壓成形 P1=0.15MPa, P2=0.15MPa, P3=6MPa, P4=10MPa的加載路徑下，分別獲得的頂蓋拉延件 中截面。從圖中可以看出，采用傳統(tǒng)拉延成形時，R角處充填不夠充分，成形質量較差，且R角下沿出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，而采用液壓成形就大大減輕了上述 兩種缺陷的產(chǎn)生。分析原因，主要是液壓成形時， 由于背壓的作用使板料與凸摸緊緊貼合，材料發(fā)生 充分的塑性變形，因此 R角充填質量好，并有效的 控制了回彈。圖14兩種成形方式截面對比圖6結論(1)對于淺拉延大尺寸覆蓋件， 液壓成形與傳統(tǒng)拉延成形相比，在成形極限，尺寸精度以及控制 回彈方面，優(yōu)勢明顯。( 2)液壓成形加載路徑對轎車頂蓋成形有較大影響。 根據(jù)零件特點將液壓成形過程分為四個階段。 成形階段液室壓力應設計合理，才能確保摩擦保持效應的建立，避免破裂。最終加壓進行整形以滿足 尺寸精度要求。(3)采用有限元數(shù)值模擬分析軟件 Dynaform可以驗證在設計汽車覆蓋件的成形工藝過程中方法的 可行性和可靠性，為改進模具設計和修正工藝參數(shù)提供有用信息。此外，可提高模具制造質量，縮短 模具的開發(fā)周期，降低成本。