汽车门框上条件拉弯成形过程的数值模拟研究

DOI103969JISSN10099492201407014汽车门框上条件拉弯成形过程的数值模拟研究陈亚兵，夏琴香，沈亚静，吴锋1华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640；2敏实集团广州敏惠汽车零部件有限公司，广东广州511356摘要复杂截面型材的高精度拉弯成形是制造汽车门框的关键技术。基于动态显式有限元软件ABAQUSXPLICIT，针对一种由SPCD与B250P1拼焊板滚压得到的汽车门框上条型材零件，对其力控制方式的直进台面式拉弯成形进行了数值模拟研究，对比分析了不同预拉力和不同摩擦系数对型材截面畸变的影响程度。结果表明，增加预拉力可以减小截面畸变程度，但当预拉力大于13倍屈服强度时，畸变量反而变大，当预拉应力取11倍的屈服强度时，整体的畸变量达最小；当摩擦系数为008O12时，截面畸变量较小，可以得到较好的成形精度。关键词拼焊板；型材；拉弯成形；截面畸变；数值模拟中图分类号TG38641文献标识码A文章编号10099492201407004704NUMERICALSIMULATIONOFSTRETCHBENDINGOFTHEUPPERSTRIPUSEDFORAUTOMOBILEDOORFRAMECHENYABING，XIAQINXIANG，SHENYAJING，WUFENG1SCHOOLOFMECHANICALANDAUTOMOTIVEENGINEERING，SOUTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，GUANGZHOU510640，CHINA；2GUANGZHOUMINHUIAUTOMOBILEPARTSCO，LTD，GUANGZHOU511356，CHINAABSTRACTHIGHPRECISIONSTRETCHBENDINGOFCOMPLEXPROFILEPARTSISREGARDASTHEKEYTECHNOLOGYFORMANUFACTURINGOFAUTOMOBILEDOORFRAMETHEPROCESSOFTHESTRETCHBENDINGFORMINGWITHFORCECONTROLLEDFORTHETYPICALKINDOFUPPERSTRIPOFAUTOMOBILEDOORFRAMEROLLEDBYTHETAILORWELDEDBLANKSOFSPCDANDB250P1WASSIMULATEDBYABAQUSEXPLICIT，THEDYNAMICEXPLICITFEMSOFTWARE；THEINFLUENCEOFDIFFERENTPRETENSIONANDFRICTIONCOEFFICIENTONTHECROSSSECTIONDISTORTIONWASINVESTIGATEDTHERESULTSSHOWTHAT，GENERALLY，THECROSSSECTIONDISTORTIONDECREASESWITHTHEINCREASINGOFTHEPRETENSION；HOWEVERWHENTHEPRETENSIONIS11TIMESOFTHEYIELDSTRENGTH，THECROSSSECTIONDISTORTIONISTHEMINIMUM；WHENTHEPRETENSIONEXCEEDS13TIMESOFTHEYIELDSTRENGTH，THECROSSSECTIONDISTORTIONINCREASESINVERSELYWHENTHEFRICTIONCOEFFICIENTISBETWEENO08ANDO12THEVALUEOFCROSSSECTIONDISTORTIONISSMALLANDTHEWORKPIECESWITHHIGHFORMINGPRECISIONCANBEOBTAINEDKEYWORDSTAILORWELDEDBLANKS；PROFILEDBEAM；STRETCHBENDING；CROSSSECTIONDISTORTION；NUMERICALSIMULATION0引言目前在汽车行业中，越来越多的人们开始关注轻量化结构设计，减轻车重既可节约能源，又可减少环境污染N。汽车门框是轿车上的重要组成部件，通常是通过弯曲工艺来完成。生产中弯曲成形方法很多，其中主要有压弯、折弯、滚弯和拉弯忙。拉弯成形是指毛料在弯曲的同时加以切向拉力，改变毛料截面内的应力为拉应力的一种型材弯曲工艺，能够成形结构复杂、屈服比大的型材，具有弯曲精度高、回弹小、表面质量好的优点L。因此拉弯工艺广泛应用于汽车型材弯曲件的制造中。对于型材拉弯成形的数值模拟，国内外很多学者进行了相关的研究，其中型材截面有简单对称的，也有复杂无规则的；有二维平面拉弯，也有三维空间曲面拉弯；加载方式有力控制的，也有位移控制的。但现有研究普遍都是探讨拉弯工艺参数对型材回弹的影响规律1，也有针对补拉力、摩擦系数对矩形铝型材拉弯成形精度的影响进行的研究，但对于复杂截面拼焊板型材截面畸广州市科技计划项目编号12A32081585；广东省精密装备与制造技术重点实验室编号PEMTI202收稿日期。圈圈蔓与开发变的研究还未见报道。本文以某汽车门框上条工件为研究对象，其截面形状复杂、非对称，成形过程必定存在一定的截面畸变。基于有限元模拟方法进行研究，采用了ABAQUS动力显示模块EXPLICT，建立了直进台面式的拉弯模型，分析了预拉力及摩擦系数对本型材截面畸变变化的影响规律，为复杂截面拼焊板型材拉弯成形工艺参数的选择提供了参考。1型材拉弯有限元模型11试验模型拉弯方式一般包括转台式和张臂式两种。转台式拉弯集合了拉弯和绕弯的特点，通用灵活，可成形圆环形、S形等多种类型零件；张臂式拉弯适用于成形几何尺寸大、直线段较长、三维复杂形状、可两件对称成形的零件。本文中的某汽车门框上条件不仅具有壁薄、空心的特点，上下部分还分别带有凸筋特征，截面形状为非对称不规则形式，型面为三维变曲率，成形过程复杂，故采用张臂式拉弯成形方式”伽。本文采用先预拉后弯曲的加载方式，试验模型如图1所示，在正方向对工件的两端施加预拉力F，并保证F大小不变，方向始终垂直于工件端部，使工件横截面的应力达到屈服极限；然后模具在Y负方向发生S的位移，工件由于受到模具的推力作用开始贴膜N。二匡兰F图1直进台面式拉弯试验模型原理图12几何建模型材进行拉弯成形涉及到的几何模型主要是型材和模具，型材采用可变形实体、实体单元；和型材相比，模具的变形量很小，故在此将其视为刚体，采用离散刚体、壳单元进行建模，而为了减少网格数量，加快运行速度，模具只考虑与型材接触的部分，其他的忽略。1型材模型。型材截面如图2所示，型材毛坯为长度为1100ME，壁厚为08ME的直型图2某汽车门框上条件型材截面形状材。由于型材细长故截面方向上网格尺寸要小些，且截面圆角较多，故在圆角位置均匀分布3个单元，厚度方向划分两层，长度方向每5ME分布一个种子点，网格模型如图3所示。图3某汽车门框上条件型材的有限元网格划分2拉弯模具模型。模具的半径为2000MILL，所对圆心角为60。由于模型的形状、约束、加载等条件具有良好的对称性，因此只需建立12模型进行模拟，这样可以大大减少计算量，节省计算时间，节约计算机资源。模具对模拟结果影响较小，为了节省计算时间，模具只划分和型材接触的面，在圆弧方向每10MM分布一个种子点，其网格模型如图4所示。整个装配后的有限元模型如图5所示。与开发续增大，由图8、L0可知，畸变量口、C随之变大，畸变量C的变化量比较大；由图9可知，随着预拉应力的增大，畸变量B的值有变小的趋势，当预拉应力达到屈服强度后，畸变量B变化量变小。预拉应力从09倍变到10倍时，畸变量口、B、C变化剧烈，变形量急剧变化，说明当型材预拉时是否达到屈服强度对于拉弯成形是一个非常重要的影响因素。综上，当预拉应力取11倍的屈服强度时，整体的畸变量达最小。宣言删争宦O70809I1112I31415预拉力屈服强度倍数图8不同预拉力对畸变量A的影响0708091I112131415预拉力屈服强度倍数图9不同预拉力对畸变量B的影响23摩擦系数的影响为了考察不同摩擦系数对畸变量的影响，对于预拉应力为11倍屈服强度的情况下，改变型材与模具之问的摩擦系数0，004，008，O10，012，015进行模拟，得到畸变量A，B，C与摩擦系数的关系，如图11所示。由于摩擦力的存在，拉力均匀传递到中间截面比较困难，导致沿型材长度方向拉力分配不均匀。由图11可知，畸变量A虽然随着摩擦系数的增加有增大的趋势，但总体上变化不大，畸变量一L一图1O不同预拉力对畸变量C的影响摩擦系数图11不同摩擦系数对畸变量的影响_NBRIC为09MM左右，说明畸变量A受摩擦系数的影响不大；当摩擦系数为0O04时，畸变量B内凹。而畸变量C外凸，且随着摩擦系数的增加，畸变量变大；当摩擦系数为008012时，畸变量B与C较小，且基本保持不变，均表现为内凹；当摩擦系数为015时，畸变量B表现为外凸。以上表明了摩擦系数对畸变量B与C的影响较大。3结论本文针对一种典型的汽车门框上条件的SPCD与B250P1拼焊板型材的直进台面式拉弯成形，利用动态显示有限元软件ABAQUSEXPLICIT进行了数值模拟，对比分析了预拉力、摩擦系数对截面畸变的影响规律，其主要结论如下1当预拉应力小于屈服强度时，截面的畸变量较大；而当预拉应力大于屈服强度时，截面畸变量较小且变化平稳，取预拉应力为11倍屈服强度可得到较好的成形精度；2由于摩擦力的存在，拉力均匀传递到中间截面比较困难，导致沿型材长度方向拉力分配不均匀。当摩擦系数为008012时，中间截面的畸变量较小，可得到较好的成形精度。下转第76页432L0L23MMM仉哪邑娴锹翟18642D2。珊叫】哪制翟5453525I5D啷0与开发擦力气缸、1个大流量减压阀等组成，利用大流量减压阀与负载进行力平衡控制，低摩擦气缸减少操作人员驱动机械臂的手力，见图5B。夹图6气动平衡装填机械手抓取圆柱状物料具翻转控制回路主要由2个人力控制换向阀二位三通驱动1个气控换向阀三位五通，再由气控换向阀三位五通驱动1个双作用缸，实现夹具翻转功能，见图5C。夹具抓取控制回路与夹具翻转控制回路相似，由2个人力控制换向阀二位三通驱动1个气控换向阀三位五通，再由气控换向阀三位五通驱动1个双作用缸，实现夹具抓取功能，见图5D。夹具控制回路与夹具翻转控制回路分别通过各自减压阀，调节压力与负载相匹配。上接第50页3工程样机应用气动平衡装填机械手广泛应用于汽车、发动机装配、化工等行业，在现代工业装配自动化工业起着重要的作用。图6中展示了气动平衡装填机械手如何抓取圆柱状物料。4结论气动平衡助力机械手通过压缩空气这唯一动力源，结合多自由度机构，实现了对物料抓取，大大减轻了工人的劳动强度，提高自动化程度。参考文献1钟辉气动搬运助力平衡系统J科协论谈，20076782张宪青，张杨，李修仁搭载系统气动平衡回路的影响因素分析J液压与气动，2005611133江凯，杨佳华电力系统污闪分析及其清扫机械手的设计J机电工程，201210118311864曹国军喷浆机械手轨迹控制研究J机电工程技术。2013145485肖立军，米学宁，石雷，等气动平衡助力机械手的原理及应用J制造业自动化，20116230232第一作者简介刘威，男，1979年生，辽宁盘锦人，硕士，工程师。研究领域发射装置设计和控制工程。已发表论文2篇。编辑向飞参考文献1KLEINERM，GEIGERM，KLAUSAMANUFACTURINGOFLIGHTWEIGHTCOMPONENTSBYMETALFORMINGJANNALSOFTHECIRP，2003525215422夏琴香，袁宁模具设计及计算机应用M广州华南理工大学出版社，20083航空制造工程手册总编委员会航空制造工程手册飞机钣金工艺M北京航空工业出版社，19924刁可山，周贤宾，金朝海，等复杂截面型材力控制拉弯成形数值模拟分析J材料科学与工艺，2004，1244134165王少辉，蔡中义，李明哲铝合金型材多点拉弯成形的数值模拟J锻压技术，2010，35266696MILLERJE，KYRIAKIDESSTHREEDIMENSIONALEFFECTSOFTHEBENDSTRETCHFORMINGOFALUMINUMTUBESLJJINTEMATIONALJOURNALOFMECHANICALSCIENCES，2003，4511151407周欢，贺尔铭，王红建，等复杂截面型材二维拉弯回弹数值模拟研究J科学技术与工程，2010，10一一敏，洪振军，李卫东，等大型异型材拉弯成形有限元模拟技术研究J锻压技术，2008，