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(zhì)量輕，剛度好，形狀及尺寸精度高，模具簡(jiǎn)單和生產(chǎn)周期短等諸多優(yōu)點(diǎn)。在淺拉延大尺寸覆蓋件液壓成形過程中，如何設(shè)計(jì)加載路徑，是液壓成形技術(shù)的一個(gè)重要課題。本文采用數(shù)值模擬，對(duì)轎車頂蓋的液壓成形加載路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)比分析了傳統(tǒng)拉延與液壓成形的成形性，結(jié)果表明液壓成形汽車外覆蓋件具有明顯優(yōu)勢(shì)?！娟P(guān)鍵詞】液壓成形，頂蓋，加載路徑，成形性Numerical Simulations for the Hydroforming of Car Roof Abstract: Hydroforming is a

2、 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. Using f

3、inite 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 capability1 引言汽車

4、外覆蓋件與一般沖壓件比較，具有結(jié)構(gòu)尺寸大、表面質(zhì)量高、材料厚度小，以及形狀復(fù)雜等特點(diǎn)。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(zhǎng)等多種變形組成。因此，外覆蓋件的成形質(zhì)量對(duì)汽車而言至關(guān)重要1。目前，世界各大汽車公司都加快了對(duì)覆蓋件成形的研究與應(yīng)用。近年來，隨著成形設(shè)備和相關(guān)控制技術(shù)的發(fā)展，以流體為傳力介質(zhì)的板材液壓成形技術(shù)在國(guó)外迅速發(fā)展起來，廣泛應(yīng)用于汽車、飛機(jī)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(lǐng)域中復(fù)雜難成形零件，并且開始用于許多其他工業(yè)領(lǐng)域，其應(yīng)用前景十分廣闊2-4。液壓成形(Hydroforming)是利用液體壓力使工件成形的一種塑性加工工藝。由于與傳統(tǒng)

5、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(qiáng)度與剛度的特點(diǎn)，因此，被認(rèn)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(tái)階軸、車身支架零件等6。對(duì)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(duì)于管材液壓成形，坯料可采用拉拔管、焊接管、雙層管、擠壓型材等7。隨著研究及應(yīng)用領(lǐng)域的

6、拓展，一些新型材料也在液壓成形中得到應(yīng)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(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。2 工藝原理簡(jiǎn)介圖1軟凹模及軟凸模拉延板材液壓成形采用液體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剛性凹?；蛲鼓?，使坯料在液體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。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(diǎn)：（1）借助于強(qiáng)制性流體潤(rùn)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成形極限，減少了中間工序，尤其適合一道工序內(nèi)成形具有復(fù)雜形狀的零

7、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(zhì)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(zhì)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?；虬寄＃?，沒有配模要求，使得模具制造周期大大縮短，模具費(fèi)用降低6590，模具具有通用性，不同材質(zhì)、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(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行工藝補(bǔ)充，獲得的拉延件形狀如圖3所示。采用與零件形狀一致的壓料面便于材料的流入，側(cè)壁采用階梯

8、形工藝補(bǔ)充，可增大材料的變形阻力及變形量。在拉延件四周設(shè)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(jìn)行仿真分析?？紤]到結(jié)構(gòu)的對(duì)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(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式IGS導(dǎo)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0.8×1400×2440(mm)，材料的性能參數(shù)如表1所示。材料模型為三參數(shù)BARLAT模型。板料單元采用成形數(shù)值模擬中應(yīng)用非常廣泛的Belytschko-Tsa

9、y(BT)殼單元。接觸類型為單向面面接觸。在凹模上設(shè)置了等效拉延筋。摩擦采用庫(kù)倫摩擦，在傳統(tǒng)拉延中設(shè)定摩擦因子=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，采參數(shù)數(shù)值屈服強(qiáng)度（MPa）151彈性模量（GPa）207泊松比0.28Barlat-Lian指數(shù)8厚向異性系數(shù)2.369厚向異性系數(shù)2.341厚向異性系數(shù)3.129表1 材料性能參數(shù)用與傳統(tǒng)拉延一樣的設(shè)置。在液壓成形中，由于凸模與板料之間無任何潤(rùn)滑作用，屬于干摩擦，其摩擦因子同樣設(shè)置為=0.125，考慮到液體的黏性，板料與液體之間的摩擦因子=0.04。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

10、型3.3 轎車頂蓋傳統(tǒng)拉延成形模擬分析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(duì)應(yīng)的拉延件件壁厚如表2所示。圖5 壓邊力為50KN時(shí)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(shí)物圖序號(hào)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表2 不同壓邊力對(duì)應(yīng)的壁厚從表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勢(shì)，最小壁厚變化趨勢(shì)恰

11、好相反。壓邊力為150KN時(shí)，壁厚差最小，為0.376mm；壓邊力為100KN時(shí)，最小壁厚基本保持不變；而當(dāng)壓邊力為50KN時(shí)，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(dòng)，導(dǎo)致R角處出現(xiàn)多處破裂。圖5為壓邊力為50KN時(shí)的成形極限圖，從圖中可以看出，在法蘭區(qū)產(chǎn)生了嚴(yán)重的皺褶，在零件底部圓角區(qū)產(chǎn)生了嚴(yán)重的破裂。圖7為傳統(tǒng)拉延成形的頂蓋拉延件實(shí)物圖，其中，拉延件法蘭區(qū)域起皺嚴(yán)重，R角處存在破裂及暗裂情況，與有限元模擬結(jié)果基本一致。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

12、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(jié)合零件的形狀特點(diǎn)，采用液壓成形方法，對(duì)頂蓋拉延過程進(jìn)行有限元分析。由于在液壓成形中，液室加載路徑對(duì)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(diǎn)和變形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)加載路徑，再進(jìn)一步分析加載路徑對(duì)成形性的影響，得出變化規(guī)律。圖7 液室加載路徑4.1 液室加載路徑設(shè)計(jì)零件的側(cè)壁為階梯形狀，可以將液壓成形過程分為四個(gè)階段，第一階段：00.012s，凸模和坯料基本接觸完成；第二個(gè)階段：0.0120.016s，第一個(gè)階梯成形階段；第三個(gè)階段:0.0160.02s，第二個(gè)階梯成形階段；第四個(gè)階段:0.020.021s，凸模完

13、全進(jìn)入凹模，加壓整形階段。根據(jù)零件的形狀特點(diǎn)和液壓成形過程中的變形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如圖7所示的多線性的加載路徑。設(shè)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(duì)成形性的影響液室壓力加載過大，則板料將發(fā)生嚴(yán)重的反向變形，從而產(chǎn)生一個(gè)很大的與沖壓方向相反的拉應(yīng)力。該反向拉應(yīng)力嚴(yán)重阻礙材料的進(jìn)入，板料迅速變薄，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(yīng)，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(zhì)量良好的拉延件。按前文設(shè)計(jì)的加載路徑，分析各個(gè)因素對(duì)成形性的影響，當(dāng)一個(gè)因素改變時(shí)，其他因素設(shè)

14、置為常量。路徑號(hào)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(jié)果4.2.1 P1對(duì)成形性的影響將P1設(shè)為變量，取值范圍為0.050.25MPa，P2、P3、P4設(shè)為常量。按照所設(shè)計(jì)的加載路徑，各個(gè)路徑組合的最大、最小壁厚模擬結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，P1為0.05MPa時(shí)，在成形初期，凸模長(zhǎng)邊圓角底部產(chǎn)生破裂，如圖8a)所示，原因是初始?jí)毫Σ粔虼螅鼓５撞亢团?/p>

15、料接觸不充分，在未建立起摩擦效應(yīng)的時(shí)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(yīng)的發(fā)揮。但是隨著壓力進(jìn)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(yán)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(yīng)，由于反脹壓力過大，加大了徑向拉應(yīng)力，使得在凸模底部圓角產(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(yán)重的褶皺，同時(shí)造成該區(qū)域材料流動(dòng)阻力增大，同時(shí)在凸模直壁區(qū)，產(chǎn)生破裂，如圖8b)所示。a) 1號(hào)路徑b) 4號(hào)路徑圖8 兩種路徑下的成

16、形極限圖4.2.2 P2對(duì)成形性的影響路徑號(hào)P1 /MPaP2 /MPaP3 /MPaP4 /MPa最小壁厚/mm最大壁厚/mm10.150.151100.640.9420.150.31100.660.9530.150.51100.660.9440.150.71100.610.91表4 P2為變量的加載路徑和模擬結(jié)果將P2設(shè)為變量，取值范圍為0.150.7MPa，P1、P3、P4設(shè)為常量。按照所設(shè)計(jì)的加載路徑，各個(gè)路徑組合的最大、最小壁厚模擬結(jié)果如表4所示。圖9 4號(hào)路徑下的成形極限圖從表4中可以看出，在0.150.5MPa范圍內(nèi)，隨著P2的增加，最大、最小壁厚變化不明顯。當(dāng)P2增大到一定程度

17、0.7MPa時(shí)，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(yīng)未發(fā)揮，過大的增大壓力，會(huì)造成壁厚的嚴(yán)重減薄，在成形后期發(fā)展為破裂。4.2.3 P3對(duì)成形性的影響破裂圖10 4號(hào)路徑下的成形極限圖表5 P3為變量的加載路徑和模擬結(jié)果路徑號(hào)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將P3設(shè)為變量，取值范圍為28MPa，P1、P2、P4設(shè)為常量。

18、按照所設(shè)計(jì)的加載路徑，各個(gè)路徑組合的最大、最小壁厚模擬結(jié)果如表5所示。從表5可以看出，在26MPa范圍內(nèi)，隨著P3的增大，最小壁厚無明顯變化，即拉延件減薄趨勢(shì)基本不變。但是當(dāng)P3增大到8MPa時(shí)，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 液壓控制策略圖11 加載路徑示意圖從以上分析可知液室壓力加載過大，則會(huì)使板料發(fā)生嚴(yán)重的反向變形，增大徑向拉應(yīng)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(yīng)，在拉延中后期，坯料變薄造成破裂?；谝陨戏治龅贸鲛I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.

19、1液壓成形極限分析圖12 液壓成形截面壁厚變化曲線液壓成形過程中，取P1=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(gè)R角處略為急劇，點(diǎn)1、點(diǎn)2對(duì)應(yīng)的壁厚尺寸分別為0.7093mm、0.7722mm，最大減薄率僅為11.33，無破裂危險(xiǎn)。圖13 兩種成形方式壁厚對(duì)比圖將該路徑與傳統(tǒng)拉延成形壓邊力為150KN時(shí)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(shì)（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

20、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(shí)，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(yīng)力減小，應(yīng)變軌跡在成形極限圖上向左偏移，提高了成形極限。5.2液壓成形性分析圖14 兩種成形方式截面對(duì)比圖圖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(shí)，R角處充填不夠充分，成形質(zhì)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

21、產(chǎn)生。分析原因，主要是液壓成形時(shí)，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(zhì)量好，并有效的控制了回彈。6 結(jié)論（1）對(duì)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(shì)明顯。（2）液壓成形加載路徑對(duì)轎車頂蓋成形有較大影響。根據(jù)零件特點(diǎn)將液壓成形過程分為四個(gè)階段。成形階段液室壓力應(yīng)設(shè)計(jì)合理，才能確保摩擦保持效應(yīng)的建立，避免破裂。最終加壓進(jìn)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(yàn)證在設(shè)計(jì)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(jìn)模具設(shè)計(jì)和修正工藝參數(shù)提供有用信息。此外，可提高模具制造質(zhì)量，縮短模具的開發(fā)周期，降低成本。參考文獻(xiàn)