發布時間：2016-05-12所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 隨著汽車行業的飛速發展和生活水平的不斷提高，人們對汽車的外形要求越來越高。為滿足裝配和焊接的要求，大部分車身零件都需要進行翻邊成形。本文是一篇 工程師論文范文 ，主要論述了拉延筋對曲面曲線翻邊的成形影響。 摘 要：從理論和外形特征對曲面翻邊成
隨著汽車行業的飛速發展和生活水平的不斷提高，人們對汽車的外形要求越來越高。為滿足裝配和焊接的要求，大部分車身零件都需要進行翻邊成形。本文是一篇工程師論文范文，主要論述了拉延筋對曲面曲線翻邊的成形影響。
摘 要：從理論和外形特征對曲面翻邊成形工藝重新進行組合和分類，歸納和總結了六種翻邊類型，基本上涵蓋了汽車鈑金件中常見的曲面翻邊形式。對六種曲面翻邊類零件進行三維建模并定義相關的外形幾何參數，對其中的四種曲面曲線翻邊類型進行數值模擬，對每種零件數值模擬的成形過程和成形極限進行分析研究。根據分析研究的結果，合理地布置和使用拉延筋使零件的成形質量得到進一步的提高和改善，總結拉延筋對翻邊成形后變形區最大主應變和其分布位置的影響規律，并結合試驗對數值模擬的結果進行驗證。對于拉延筋在曲面翻邊類零件的實際生產中具有很好的參考作用。
關鍵詞：翻邊類型,翻邊成形,數值模擬,拉延筋
Abstract：Based on the theory and the shape characteristics， the surface flanging process was regrouped and classified and 6 types of flanging were summarized， which cover the most common surface flanging of automotive sheet metal. For each type of surface flanging parts， 3D models were constructed and the related geometric parameters were defined. Numerical simulations were conducted for tour types of flanging and then the forming process and forming limit were analyzed. The results show that the optimal arrangement of drawbead can improve the forming quality of parts. The influences of drawbead on the deformation distribution and the maximum principle strain were summarized and the simulation results were verified by the experiments. The paper provides a good reference for production of surface flanging parts using drawbead.
Key words：flange type; flanging; numerical simulation; drawbead
在汽車的外形設計中，簡單的鈑金結構利用傳統的成形工藝就可以完成，但很難吸引消費者的眼球。別出心裁的外形設計更能得到消費者的關注(例如國外的一些高檔車、概念車等)，復雜的汽車鈑金結構中曲面曲線翻邊類結構較為常見，也是汽車鈑金結構設計中較為困難的部分，主要的困難是達不到很好的外觀成形條件(主要出現起皺和破裂)。
近年來，國內外學者的研究重點主要集中在鈑金零件拉延過程的成形性，而對翻邊過程成形的研究相對較少[1-4]。對于內曲翻邊和外曲翻邊的變形分析計算，胡平等人基于離散化思想推導了翻邊成形胚料尺寸計算模型，利用自主開發的KMS軟件分析了厚板壓彎翻邊成形及回彈過程[5-8]。Leu 采用有限元方法分析了翻孔成形過程[9]。Worswick等人利用LS-DYNA對伸長翻邊進行了模擬，并對其成形性進行了分析[10]。上述主要針對的是平面零件翻邊成形的研究，而對于曲面零件的翻邊，即翻邊前鈑金零件是曲面形狀的研究還很少。
本文重點對曲面翻邊類型從理論的角度進行細致的組合和分類，建立有限元模型并合理地使用和布置拉延筋，通過對有無拉延筋翻邊變形區的成形極限情況和最大主應變進行對比分析，得到拉延筋對每種翻邊類型成形性能的影響規律。
1 曲面翻邊類型的分類及有限元模型的建立
1.1 曲面翻邊類型的分類
按照毛坯在翻邊前的形狀，可將翻邊類零件分為平面翻邊和曲面翻邊;按照在翻邊方向上翻邊線的投影形狀，可將翻邊分為直線翻邊和曲線翻邊;按照彎曲板料曲率中心與翻邊部分的位置關系，曲面翻邊可分為凹曲面翻邊和凸曲面翻邊;按照翻邊線曲率中心與板料曲率中心的位置關系，可將曲面翻邊分為直線翻邊、外凸翻邊和內凹翻邊[11]。對上述各種翻邊關系進行組合，可得到六種曲面翻邊類型，如圖1所示。
1.2 零件幾何參數的定義及有限元模型的建立
曲面翻邊類零件的主要幾何參數有：彎曲半徑R、凹模圓角r、翻邊高度H和板料厚度t。以凹曲面外凸翻邊類零件為例，幾何參數的定義如圖2
所示。
通過對六種曲面翻邊類型的外形特點的分析可以知道，六種零件均可以使用先彎曲后翻邊的成形工藝進行加工完成。板料在先彎曲后翻邊成形工藝下的成形過程為：板料先彎曲成U形再對U形部分根據需要進行翻邊處理，從而完成最終的成形。
根據上述的成形工藝，本文數值模擬采用雙動成形。摩擦系數設為0.125，即沒有潤滑效果的摩擦系數;壓邊力為200 kN、沖壓速度為3 000 mm/s。由于展開后得到的平面板料的寬度明顯大于壓邊面的寬度，如果不對壓邊面型面進行修改優化會導致平面板料在彎曲成形過程中與壓邊面產生點接觸，使板料受到很大的壓強從而導致板料破裂成形失敗。為了解決上述問題，可以對壓邊面沿其切向方向進行伸長，只要使壓邊面的寬度大于板料寬度即可，這樣就把板料與壓邊面的點接觸變成線接觸，大大減小了板料受到的壓強。同理對凹模型面也進行修改優化并用圓角過渡[12]。以凸曲面內凹翻邊類零件為例，根據上述要求先建立凸模的三維模型并導入dynaform軟件中，進行網格的劃分和修補，網格的相關參數為：最大尺寸2 mm;最小尺寸0.5 mm;弦高誤差0.15 mm;間隙公差2.5 mm。利用軟件自帶的復制功能建立壓邊面和凹模有限元模型，由于本次采用雙動成形，各個模具的有限元模型定位如圖3所示。 2 六種曲面翻邊成形數值模擬
2.1 六種零件成形極限數值模擬
本文重點研究四種不同類型的曲面曲線翻邊，而對曲面直線翻邊不予討論。針對四種不同曲面曲線翻邊類型的零件，分別建立相應的三維模型并根據1.2節中有限元分析模型的設計原則，建立四種相應的有限元分析模型，通過數值模擬得到四種曲面曲線翻邊的成形極限圖，如圖4所示。
在曲面的翻邊成形過程中，彎曲部分和翻邊部分共同的作用，是使翻邊部分產生切向伸長變形或切向壓縮變形的最主要因素，直接影響零件的成形質量和成形極限，所以提前對零件的成形極限進行數值模擬并預測可能出現的成形缺陷很有必要。
通過對四種曲面曲線翻邊成形極限圖的分析可以看出，四種零件的整體外部成形輪廓基本上都與圖1所對應的零件三維模型相一致，從理論上驗證了四種曲面曲線翻邊零件成形的可行性。四種零件可能出現成形缺陷的區域基本上都集中在翻邊部分，凹曲面兩種曲線翻邊類型的主要成形缺陷是集中在圓角處的板料起皺現象;凸曲面兩種曲線翻邊類型的主要成形缺陷是集中在翻邊部分的起皺現象，且在翻邊部分兩端的起皺缺陷較為明顯和嚴重。
2.2 拉延筋在六種曲面翻邊成形中的使用
通過對四種曲面曲線翻邊成形極限和缺陷的分析和預測，由于四種零件的主要成形缺陷是材料堆積產生起皺現象，所以可以將拉延筋固定在凹模上來提供拉延阻力，增加材料的流動性以改善或消除起皺現象。但是由于在翻邊成形過程中凹模會帶動拉延筋一起運動，使得在壓料面作用下已經定位的板料又將受到拉延阻力的作用而產生移動，從而使板料發生偏移并影響最終的成形結果[13]。
通過上述分析，本次使用的拉延筋主要有兩種作用：一是固定在凹模上并隨凹模一起運動的拉延筋，改善或消除成形缺陷的作用;二是固定在凸模上并隨凸模保持靜止的拉延筋，固定板料的作用。以凸曲面內凹翻邊類零件的有限元分析模型為例，拉延筋分布的位置如圖5所示。
凹模上的拉延筋分段原理和拉延阻力的選取，都與傳統板料沖壓成形中拉延筋的使用相似。凸模上的拉延筋由于主要起的是固定板料的作用，所以拉延筋不必分段，拉延阻力只要不小于凹模上拉延阻力的最大值即可。
2.3 拉延筋對曲面翻邊成形的影響
根據上述兩種不同作用拉延筋的布置原則，分別對四種相應的有限元分析模型設置拉延筋并分段和確定拉延筋阻力，通過數值模擬得到拉延筋作用下的四種曲面曲線翻邊成形極限圖和主應變分布圖，如圖6所示。
與圖4沒使用拉延筋的四種曲面曲線翻邊成形極限圖相比，從圖6中可以很明顯地看出在使用了拉延筋之后，四種曲面曲線翻邊在翻邊部分的成形質量都有了很大的提高和改善，起皺區域的面積也大大減少。從理論的角度證明了拉延筋對改善曲面曲線翻邊成形質量的可行性。
曲面曲線翻邊類零件的成形過程中，板料各部分的應力和應變的變化以及相互作用都是十分復雜的，其中主應變值直接影響零件的成形質量和局部外觀尺寸。因此本文以主應變為研究對象，重點分析研究四種曲面曲線翻邊類零件的最大主應變值和分布位置[14]。通過數值模擬得到四種曲面曲線翻邊類零件有�M無拉延筋的最大主應變情況，見表1。
選取四種曲面曲線翻邊成形的最大主應變和其分布的主要位置為試驗對象，經過數值模擬讀取所需要的試驗數據，見表1。選取使用拉延筋后的四種曲面曲線翻邊類型成形主應變分布圖，如圖7所示。
通過對表1中的數據進行分析可知，拉延筋對各個曲面曲線翻邊類型的最大主應變和位置都有不同程度的影響，其中對凸曲面內凹翻邊的影響最大，不論是最大主應變的差值，還是最大主應變的分布位置都發生了很大變化;對凹曲面內凹翻邊的影響最小，其中最大主應變的差值最小并且最大主應變的位置沒有發生多大變化。
3 模擬結果的試驗驗證
3.1 試驗方案的指定
試驗材料選用與數值模擬所用的ST13相近的DC03鋼，厚度為t=0.7 mm。虛擬的沖壓速度一般是實際的十幾或幾十倍，所以本文的實際沖壓速度為200 mm/s。研究拉延筋對凹曲面內凹翻邊、凹曲面外凸翻邊、凸曲面內凹翻邊和凸曲面外凸翻邊四種曲面曲線翻邊零件的成形極限和最大主應變的影響[15]。
針對每種零件，測量翻邊成形后變形區域的最大主應變及其分布位置，并與數值模擬結果進行對比，驗證數值模擬的可靠性。
3.2 試驗數據的處理
根據上述的試驗方案，對平面板料先后進行彎曲和翻邊兩種工序完成最終的成形，分別得到一組沒有使用拉延筋的四種曲面曲線翻邊成形零件和一組使用了拉延筋的四種曲面曲線翻邊成形零件，如圖8和圖9所示。
根據兩組試驗得到的零件并對照數值模擬結果的成形極限圖，試驗所得的零件成形質量基本與數值模擬的結果相一致。測量每個零件的最大主應變和相應的最大主應變的分布位置，見表2。
3.3 模擬與試驗的對比
對照比較數值模擬與試驗結果最大主應變的分布情況，可以發現只有凹曲面外凸翻邊和凸曲面內凹翻邊在無拉延筋的情況下，模擬與試驗的結果存在差異，其它情況基本保持不變。但是模擬與試驗的最大主應變在各個情況下都存在不同程度的差異，通過對有�M無拉延筋模擬與試驗的最大主應變進行對比，得到如圖10和圖11所示的柱形圖。
由圖10和圖11可知，在有�M無拉延筋兩種情況下數值模擬的最大主應變和試驗結果的最大主應變存在差異，差值的范圍為-0.05～+0.05，在誤差的允許范圍內。由圖8和圖9的試驗成形結果與數值模擬成形極限的對比，得到試驗與模擬的結果相吻合。通過上述兩種情況的對比，驗證了數值模擬結果的可靠性。
4 結論
(1)通過對工程中常見的曲面曲線翻邊類型進行總結并重新分類，得到四種曲面曲線翻邊類型，基本涵蓋了實際生產中出現的相關結構。 (2)對四種曲面曲線翻邊類型進行三維建模并對其成形進行數值模擬，通過使用拉延筋使數值模擬零件的成形質量有了進一步的提高和改善。從理論的角度證明了四種曲面曲線翻邊成形和使用拉延筋改善成形質量的可行性。
(3)以最大主應變和其分布位置為研究對象，通過對比數值模擬與試驗結果，進一步驗證了數值模擬的可靠性。
參考文獻(References)：
郭超群. 超高強度鋼薄板沖壓成形后扭曲回彈特性的數值模擬與試驗研究 [D]. 上海：上海交通大學，2010.
Guo Chaoqun.The Numerical Simulation & Experimental Validation of Distortional Springback of Advanced High-Strength Dual Phase Steel Sheet Metal Forming [D]. Shang-hai：Shanghai Jiaotong University，2010.(in Chinese)
吳建軍，周維賢.板料成形性基本理論 [M]. 西安：西北工業大學出版社，2010.
Wu Jianjun，Zhou Weixian.Basic theory of sheet metal formability [M]. Xi'an：Northwestern Polytechnical Univer-sity Press，2010.(in Chinese)
JEANEEAU M，PICHANT P. The Trends of Steel Pro-ducts in the European Automotive Industry [J]. Revue De Metallurgies，2010，97(11)：1399-1408.
SHAW J，ROTH R. Achieving an Affordable Low Emission Steel Vehicle;an Economic Assessment of the ULSAB-AVC Program Design[C]// SAE Paper 2002-01-0361.
胡平，李運興，李大永.板材沖壓翻邊的解析理論模型[J].力學學報，2001，33(6)：803-811.
Hu Ping，Li Yunxing，Li Dayong. Analytical Models of Flanging Problem of Sheet Metals[J]. Acta Mechanica Sinica，2001，33(6)：803-811.(in Chinese)
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