论压边力对汽车前轮罩板成形性能的影响
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摘要：为了有效解决实际生产中优化汽车前轮罩板拉深成形工艺的问题，根据左右轮罩板件的结构及性能要求，设计拉深数模及其工艺，在恒定压边力条件下，对轮罩板件拉深成形过程进行数值模拟。通过数值模拟从典型变压边力加载模式中得到一条最优变压边力加载曲线，使拉深件不出现起皱和拉破现象，并且使零件区域厚度分布最均匀。与恒定压边力下的最优结果进行比较得出，U型变压边力加载模式为最佳方案。
板料拉深成形过程中的主要缺陷是起皱和拉裂，影响板料成形质量的主要因素包括压边力、材料机械性能、拉深模具参数、摩擦条件及板料形状和厚度等。在上述因素中，最容易控制和调节的成形参数为压边力的大小，且压边力的大小是影响板料成形质量的一个非常重要的因素。一般来说，过小的压边力，则无法有效控制拉深过程中材料的流动，板料容易出现起皱现象，而过大的压边力则会使材料流动困难，相应增加破裂的趋势，同时模具和板料表面受损的可能性会增加，进而影响模具寿命和零件表面质量。
研究表明：在板料拉深过程的不同阶段对压边力参数进行合理取值，并实现实时控制的技术，已成为防止板料拉深成形时发生起皱和拉裂的主要工艺手段之一.[1-2]
汽车前轮罩板属于典型的覆盖件，同一般冲压件相比，具有形状复杂(多为空间曲面)、轮廓尺寸大、材料较薄、表面质量要求高等特点[3]。该件拉深深度大，成形非常困难。本文通过数值模拟方式对恒定压边力加载模式和变压边力加载模式的结果进行对比，得出U型变压边力加载模式是该件最佳压边力控制方式，该条件下得到的零件减薄率最小，而且零件区域厚度分布最为均匀。
1 汽车前轮罩板拉深数模建立
汽车前轮罩板三维模型如图1所示，该模型的特点是左右两件外轮廓基本相同，但内部形状又有所不同，为非完全对称件。由于左右件形状复杂，变形程度差别较大，若采用单件冲压成形，会出现较大的侧向力，难以很好的成形。
为保证制件质量及尺寸精度，采取左、右两件对称布置，同时成形，这样既能节约生产成本又有利于成形过程中材料的流动，解决单件成形时侧向力较大的问题。根据覆盖件拉深方向设计原则、压料面设计原则、拉延筋的分布和后续工序的成形等因素，对零件的工艺补充部分进行设计，得到如图2所示的拉深凹模型面。
图1 左、右轮罩板三维零件图图2 拉深凹模型面
2 有限元模型建立
本文选用DYNAFORM 有限元软件对模型进行曲面自动网格划分，设定最大尺寸为20 mm，最小尺寸为l mm，弦高偏差为0．15 mm，实现了对网格密度及形状的精确控制。建立的简化前轮罩板有限元数值模拟模型如图3所示。
模拟材料为ST16，板料初始厚度1．0 ram；
STI6的抗拉强度，硬化指数n=0.244，板厚各向异性系数r=2.41，弹性模量E=2.07×105MPa，泊松比u=0.28。
图3 简化前轮罩板有限元数值模拟模型
3 基于正交试验的恒定压边力数值模拟
本次试验考察的4个因素分别为：压边力F、冲压速度 、凸凹模间隙Z、摩擦系数 ，见表1所列。不考虑各因素间的相互作用，可选用4因素3水平L9(43)正交表来安排试验。由于该拉深件两端非零件区域处会不可避免地出现起皱现象，
所以将试验指标设定为零件最小厚度值。表1 因素水平及正交设计表
按表1中9组试验方案所给的几何参数，分别建立有限元分析模型进行模拟。按照正交试验设计方法提供的计算模式计算出均值，然后依据均值便可分析各设计变量与目标函数之间的关系。由表1中可知，成形件最小厚度分别在4个因素的第一水平上取得最大值。那么最优水平组合为表1中第1组，此时成形件最薄厚度为0．733 6 mm，板料最大减薄率为26．64 。
4 变压边力数值模拟
通过对以上恒定压边力数值模拟结果的分析，冲压速度、凸凹模间隙及摩擦系数均在第一水平上取得最优值，所以在以下变压边力模拟试验中，取虚拟冲压速度v=1 500 mm／s，凸凹模单边间隙Z-1．10 InlTl，摩擦系数f=0．09。
4．1 临界压边力值界定
临界压边力值是指使零件区域不起皱时最小压边力值和不产生破裂时最大压边力值。试验中以试错法得到压边力范围为150-250 kN。恒定压边力为250 kN时的板料成形极限图(FLD)如图4a所示，板料两端圆角处及左右两侧工艺补充面部分临界破裂；恒定压边力为150 kN时的板料成形FLD图如图4b所示，此时虽然拉深件两
图4 板料成形FLD图
端工艺补充面部分出现起皱，但由于零件的特点，该处起皱是不可避免的，而零件区域为临界起皱，可认为该值为拉深件的下限压边力值。
4．2 变压边力加载模式
变压边力加载模式是指压边力的大小随凸(凹)模行程的变化而变化的方式。笔者分析总结了近年来国内外在板料拉深成形过程中有关变压边力加载模式的研究成果，拟选取8种变压边力加载模式，如图5所示，采用这8种模式进行数
值模拟研究，并通过分析最终试样厚度的最大减薄量以及零件区域厚度分布均匀情况来判断哪种加载模式最好。
图5中250 kN和150 kN分别为该拉深件的临界破裂压边力值和临界起皱压边力值。
图5 8种变压边力加载模式图
4．3 变压边力数值模拟结果分析
在设定好单元模型、材料参数、运动接触条件及边界条件等基础上，对有限元模型以上述8种变压边力加载模式进行模拟，然后通过EtaPost后处理软件对模拟结果进行提取，得到最小厚度及最大减薄率见表2所列。
表2 变压边力加载模式模拟结果
表2表明，加载模式e先下降后上升的U型加载模式对应的成形件，材料最大减薄率最小，加载模式f次之，其厚度分布云图如图6所示。仅从材料最大减薄率考虑，加载模式e最好，加载模式f次之，但2种加载模式下最大减薄率相差甚微，很难确定最优的压边力加载模式。
4．4 恒定压边力与变压边力模拟结果对比分析
由上述分析可知，试验方案1为恒定压边力条件下的最优参数组合，而加载模式e则为变压边力条件下的最佳方案。
2 种方案板料最薄厚度分别为0．733 6 mm、0．733 5 mm，几近相同，难以取舍。如同上述分析方法，从FLD图可以直观地分辨出，试验方案1与加载模式f对应的成形件非常相似，都具有零件区域厚度分布不均匀，起皱趋势较明显，法兰严重起皱的现象，整体质量远差于变压边力加载模式e对应的成形件。
对比分析表明：U型变压边力加载模式e是该汽车前轮罩板的最佳压边力加载方式。这是因为拉深初始阶段，由于法兰外缘部分急剧收缩而导致起皱趋势占据明显主导地位，此时需要较大的压边力来抑制起皱。
随着拉深成形进一步的深入，法兰凸缘面积随着拉深行程而不断地减小，与此同时，材料硬化效果在不断地增加，会造成总拉深力在板料凸缘内缩开始阶段逐渐增大，但达到一个极大值后又会逐渐降下来。并且随着法兰外缘半径的不断减小，起皱的趋势也在显著下降，因此在拉深中期阶段拉裂趋势占主导地位，此时所施加的压边力应尽可能小，应与总拉深力变化趋势相反，以此来避免拉深件出现拉裂现象；而随后又由于中问一段时刻压边力较小而引起的起皱趋势有明显增强，占据了主导地位，需要增加压边力来平整平面效果。以上所述从理论上解释了先下降再上升的U型变压边力加载模式为该件最优压边力加载模式的原因。
5 结 论
对比分析恒定压边力加载模式与变压边力加载模式的模拟结果，得出U型变压边力加载模式是该前轮罩板的最佳压边力控制方式。该模式下，最大材料减薄率为26.65%，零件区域厚度分布均匀，表面质量较好，完全达到设计要求。
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