概述：以汽車左側圍內板為例，進行拉延工藝補充及沖壓成形仿真。通過調整壓邊力、拉延筋、摩擦系數以及開設工藝切口等，定量地給出了拉延成形過程中的工藝參數，為實際生產提供所需參數的參考值，以達到降低模具生產成本及縮短模具生產周期的作用。

一、引言

汽車覆蓋件是組成汽車車身的薄板沖壓件，具有材料薄、形狀復雜、結構尺寸大、表面質量要求高及生產成本高等特點。形狀較復雜的沖壓件要經過多道工序才能完成，但是覆蓋件的質量好壞在很大程度上受拉延模質量的控制，因此拉延件的設計是沖出高品質沖壓件的關鍵。如何迅速而準確地預測整個沖壓成形過程可能出現的起皺、開裂以及不合要求的回彈等缺陷并確定其中的一些重要沖壓參數，成為沖壓技術發展的瓶頸問題。隨著板料成形有限元理論的完善、計算機技術的迅速發展、對沖壓過程認識的深入了解，以及板料成形有限元模擬技術的日趨成熟，使得模擬沖壓成形過程成為可能，并日益成為推動沖壓模具工業乃至汽車工業發展的關鍵技術。

本文以汽車左側圍內板為例，依據其結構特點判斷材料的流動方式，利用UG軟件作合理的工藝補充，借助沖壓仿真軟件AUTOFORM進行成形過程的模擬，獲得了合理的拉延工藝參數，并用于指導生產。

二、汽車左側圍內板拉延工藝分析

圖1所示為汽車左側圍內板零件圖，材料為ST14，料厚1mm。從圖1可以看出，該零件結構復雜，需要經過多道工序才能完成，如拉延、修邊沖孔、斜楔沖孔以及翻邊，這里主要側重拉延件的設計。

圖1 汽車左側圍內板零件圖

該零件結構復雜，局部成形較多，是彎曲、拉延和脹形復合的結果。在拉延過程中，零件中部的三個大孔是整個面中拉深深度變化最大的，因而也是較危險的部位。為了保證材料能夠順利的流入，壓料面沿零件四周的變化趨勢順延成曲面。由于零件四周的曲率變化不大，壓料面沒有出現急劇臺階轉化現象，使得拉延深度趨于均勻。

為了提高材料的變形程度，在零件周圍布置了一整圈的拉延筋。本次模擬采用的拉延筋為半圓形，拉延筋的深度為8mm，寬度為19mm。圖2為工藝補充完成的拉延件。

圖2 零件的工藝補充圖

三、模擬過程與結果

1、有限元模擬的理論方法

汽車覆蓋件沖壓模擬所采用的有限元方法是大變形彈塑性有限元法，是在彈塑性有限元基礎之上，采用Hill有限變形理論和Lagrange描述，由虛功原理導出速率平衡方程而建立的。

數值模擬采用的求解方法主要有靜態隱式算法和動態顯式算法。靜態隱式算法是對于大多數板料成形過程中成形速度小于1m/s，假設整個過程均處于類似平衡狀態，由虛功原理建立1個高階非線性方程組，采用牛頓2拉費森迭代計算求解方程組。其優點是計算精度高，但在每一增量步中都需形成大型剛度矩陣，計算量大，時間長，適用于較簡單成形分析。本文選用的沖壓分析軟件AUTOFROM采用的即為靜態隱式算法。

2、汽車左側圍內板動態沖壓仿真

沖壓仿真選用的材料為ST14，厚度1mm，板坯尺寸為1700mm×1300mm，摩擦系數為0.15，壓邊力初定為1400kN。材料模型為各向異性彈塑性材料模型，其他力學性能參數如表1所示。

表1 ST14材料的力學性能參數表

將做好工藝補充的CAD模型從UG以IGES格式導出，再導入AUTOFROM，進行網格劃分得到如圖3所示的有限元網格模型。

圖3 有限元網格模型

模擬結果如圖4所示，由圖可以看出零件拉延比較充分，起皺也較少，但在零件A、B、C三處的圓角部及周邊卻有多處嚴重破裂。

圖4 模擬結果

三、模擬結果分析及改進

1、模擬方案的初步改進

從圖4的結果分析可知，造成破裂的主要原因是材料的流入較困難。因而可以通過調整壓邊力、摩擦力的大小及拉延筋的高度，使材料更易于流入。采取降低拉延筋的高度，改進后的拉延筋形狀仍為半圓形，寬度也不變，但深度降低為6mm；同時，壓邊力從1400kN降為1200kN，摩擦系數改為0.12。再次進行沖壓模擬，其結果如圖5所示。

從圖5的模擬結果可以看出，改進后的沖壓效果比第一次沖壓的效果有很大的改善。拉延較充分，零件部分幾乎不存在明顯的起皺現象，只剩下一處拉裂，即圖5所示的A處，其他破裂的部位已基本得到改善。

圖5 初步改進后的模擬結果

2、模擬方案的再次改進

通過分析可知，汽車左側圍內板在沖壓成形過程中，局部深拉延成形部位未被拉薄前的受力情況如圖6所示。

在局部深拉延部位中近似存在一個σ3等應力場，在這個等應力場中，每條曲線中的σ3為一常數，曲線上任一點的應力σ1為x，y的函數。由平衡微分方程式簡化得：σ1＝-2σ3 ∫dy/dx＝-2σ3y（x）+c[2] （1）式中：y（x）—σ3等應力曲線c—積分常數在局部深拉延部位，由于傳遞拉延力的截面積較小，產生的拉應力σ1較大，同時，因為在該處需要轉移的材料較少，故該處材料的變形程度很小，尤其是變薄地方的最嚴重。此時σ1最大，σ1max＝s10，σ3≈0，σ3等應力曲線為y0＝y（x0），當σ1超過材料的強度極限時，覆蓋件將在此處拉裂或變薄過于嚴重，以致使工件報廢。

邊界條件：y0＝y（x0），σ3＝0，代入式（1），可得：c＝σ10＝P （2）P＝ms （3）式中：P—覆蓋件拉延成形時的最大變形抗力m—反映工件受力狀態的無因次系數s—變形條件下材料的真實應力將式（2）、式（3）代入式（1）中，得：σ1＝-2σ3y（x）+ms （4）依H Tresca準則，塑性方程式可為：σ1+σ3＝σs將上式代入（4）后，整理得： （5）式中：σs—材料的屈服點從式（5）可以看出，在σ3等應力曲線上，最大主應力σ1max與變形抗力成正比。即只有在此處降低其變形抗力，才能使局部深拉延部位不被拉裂。而降低變形抗力的唯一辦法——即開設工藝切口。

該零件在拉延的過程中，凸模的A、B、C三部分首先和毛坯接觸，隨著板料向下運動，坯料通過塑性變形沿凹模四周被拉進。當凸模的D部分與板料完全接觸成形時，由于進料阻力過大，坯料無法流入，首先在A、B、C的圓角處產生最大的拉應力σ1max，該處成為覆蓋件最薄弱的部位。

當在零件容易發生局部變形的部位開設了工藝孔后，其具體形狀和位置如圖7所示。壓邊力和拉延筋的形狀和尺寸都保持不變，再次進行沖壓仿真，其結果如圖8所示。從圖中可以看出，零件沖得比較理想。

依據模擬所提供的工藝參數，實際生產出的零件如圖9所示。

四、結論

通過對汽車左側圍內板的多次沖壓模擬，定性地判斷了沖壓件的危險區域，并定量地給出了拉延成形過程中的工藝參數，較為準確地預測了整個沖壓成形過程中可能出現的起皺、開裂等缺陷，模擬結果為實際生產提供了較好的依據。