汽车左前纵梁拉延成形的数值模拟及生产验证

文/张科，丁斌·安徽蒙城佳仕龙机械制造有限公司

前纵梁是汽车重要的承载部件之一。针对汽车前纵梁拉延成形过程中的起皱和拉裂现象，通过Dynaform软件对汽车左前纵梁的拉延成形过程进行模拟，分析不同压边力和拉延速度下的成形质量，进而改进工艺参数获取优良的成形结果。实验表明改进工艺参数下的前纵梁拉延成形件能够满足质量要求。

汽车前纵梁作为汽车最关键的承载部件之一，其成形质量的优劣直接影响到整车的安全性能。汽车前纵梁的生产工序一般可划分为板料拉延、修边冲孔及翻边整形。拉延成形是制造业高效、先进的金属加工方法之一，其美中不足是模具的制造难度大、生产周期长，并且在拉延过程中造成板料起皱和拉裂的问题。

数值模拟技术的发展为模具的研制和成形过程的优化提供了方便，通过模拟板料拉延过程，能有效预测成形缺陷，并及时进行调整设计，缩短了零件开发周期和成本。李东君通过有限元软件模拟了汽车外板的拉延成形过程，有效的预测了零件成形缺陷，实现拉延模的结构优化。李文平利用数值模拟研究汽车顶盖横梁的成形不足、起皱和破裂原因并设计了改进方案。因此，本文借助Dynaform软件模拟汽车左前纵梁的拉延成形工艺，着重分析压边力和拉延速度对零件成形的影响，确定最佳的工艺参数。

模型的建立

几何模型建立及工艺补充面

图1为复杂型面结构的汽车左前纵梁，其包含孔洞等特征。为顺利完成拉延满足零件压料、修边等工序要求，对零件进行工艺补充面设计，考虑到零件几何型面非对称导致板料流动不均衡，因此进行了拉延筋设置，如图2所示。

图1 汽车左前纵梁

图2 工艺补充后的拉延件

有限元分析模型建立

将拉延件模型以*·iges格式文件导入Dynaform有限元软件，通过AutoSetup以上模为基准，设置成形方式为单动拉延，工序一为上模和压料圈闭合，工序二为上模和下模闭合。以导入的拉延件为基准模进行网格划分，通过单元复制形式生成下模和压料圈，设置全偏置间隙为2.2倍板料厚度，定义板料，采用BT壳单元进行网格划分，设置厚度积分点数量为5个，工具定位，如图3所示。

图3 Dynaform定位工具模型

材料模型采用Barlat't-3Parameter Plasticity各向异性参数模型，对金属板料的塑性成形具有较强的适应性，材料为JSC590R低合金高强冷轧钢，尺寸规格为2080mm×540mm×1.5mm，其材料力学性能见表1。材料真实应力—应变曲线函数方程可表示为：σ=943.9(0.0088+ε）0.152MPa。

图4 零件拉延成形方向

设置初始工艺参数，定义初始压边力为40t，上模运动速度控制为1000mm/s，实测润滑条件摩擦系数定义为0.078。

数值模拟结果分析

初始工艺参数下的成形结果

图5和图6表明初始工艺参数下的成形极限图和厚度分布图，汽车前纵梁拉延成形过程出现严重起皱现象，材料流动幅度比较大，边缘部分的板料已完全脱离压料圈的限制，最大增厚量达到0.083mm，因此有必要对工艺参数进一步改进。

图5 初始工艺参数下的成形极限图

图6 初始工艺参数下的厚度分布图

表1 JSC590R材料力学性能

不同压边力

压边力的大小对零件的成形质量有很大的影响。因此根据初始工艺参数下的模拟结果，在保证其他工艺参数统一的条件下，加设3组不同的压边力数值进行拉延模拟。增大压边力对拉延件的起皱现象有明显的改善。压边力为60t时，最大增厚量减少至0.055mm。当压边力加大至70t，起皱进一步减少，但不同压边力下零件拉延成形极限图（图7）显示零件局部开始有开裂倾向，板料最大减薄量为0.28mm（减薄率约18.7%）。当压边力加至80t，最大减薄量达到0.32mm（减薄率约21.3%），此时拉延件开裂趋势明显。因此在拉延成形过程中必须要合理的控制压边力取值范围，压边力小则零件易起皱，压边力大则零件易拉裂。本次改进工艺参数压边力取值确定为70t。

图7 不同压边力下零件拉延成形极限图

不同拉延速度

拉延速度是零件成形的关键工艺参数，当拉延速度由小增大时，板料减薄量也会随之增大，导致零件拉裂。结合上节对压边力的改进，当压边力取70t，拉延速度取1000mm/s时，零件起皱状况良好，零件局部出现轻微开裂，因此设置两组拉延速度进行对照，在70t压边力的条件下进行数值模拟。

图8表明当拉延速度增加至1500mm/s，零件局部减薄加剧，开裂情况明显。当拉延速度减小至500mm/s，零件拉延变形基本处于安全区域，无开裂现象出现。此外，减少和增加拉延速度对零件整体起皱情况影响并不显著。因此，本次改进工艺参数的拉延速度取值为500mm/s。

图8 不同拉延速度下零件成形极限图

零件拉延成形实验验证

将改进后的拉延成形工艺参数指导实际生产，结果如图9所示，零件整体成形良好，没有出现多处严重起皱和局部拉裂的现象，属于合格的拉延件产品。

结束语

图9 实际生产的拉延件

本文通过Dynaform软件模拟汽车左前纵梁的成形，有效的预测了零件拉延成形过程的起皱和开裂问题，并针对以上问题进行拉延成形工艺参数的改进。改进后的工艺参数应用到实际生产中，验证了基于数值模拟进行拉延成形工艺参数改进的可行性。