轿车顶盖液压成形数值模拟分析

1、轿车顶盖液压成形数值模拟分析【摘要】液压成形是依靠高压液体使金属坯料贴模成形的柔性加工工艺，具有成形产品质量轻，刚度好，形状及尺寸精度高，模具简单和生产周期短等诸多优点。在浅拉延大尺寸覆盖件液压成形过程中，如何设计加载路径，是液压成形技术的一个重要课题。本文采用数值模拟，对轿车顶盖的液压成形加载路径进行设计，同时对比分析了传统拉延与液压成形的成形性，结果表明液压成形汽车外覆盖件具有明显优势。【关键词】液压成形，顶盖，加载路径，成形性Numerical Simulations for the Hydroforming of Car Roof Abstract: Hydroforming is a

2、 flexible processing technique using hydraulic pressure as the forming media. Hydroformed products can reduce weight and cost while improving structural strength and rigidity. During the process of hydroforming, how to deal with the loading path has become a significant subject of this area. Using f

3、inite element method, this paper designs the loading path of car roof and contrasts the different forming results with drawing and hydroforming, which shows that hydroforming is better than drawing in forming automobile panels.Key words: hydroforming, car roof, loading path, forming capability1 引言汽车

4、外覆盖件与一般冲压件比较，具有结构尺寸大、表面质量高、材料厚度小，以及形状复杂等特点。其变形多由局部凹凸胀形、翻边和外圆凸缘拉伸、直线拉伸和伸长等多种变形组成。因此，外覆盖件的成形质量对汽车而言至关重要1。目前，世界各大汽车公司都加快了对覆盖件成形的研究与应用。近年来，随着成形设备和相关控制技术的发展，以流体为传力介质的板材液压成形技术在国外迅速发展起来，广泛应用于汽车、飞机和航空航天制造业，如制造轿车顶盖、翼子板等覆盖件及航天领域中复杂难成形零件，并且开始用于许多其他工业领域，其应用前景十分广阔2-4。液压成形(Hydroforming)是利用液体压力使工件成形的一种塑性加工工艺。由于与传统

5、的冲压焊接工艺相比，具有减轻重量，节约材料，充分利用材料的强度与刚度的特点，因此，被认为是解决汽车工业的迅猛发展与全球环境日益恶化以及能源紧张之间矛盾的有效途径之一5。按使用坯料的不同，液压成形可以分为两种类型: 板材成形和管材成形。其中板材液压成形主要用于成形具有较大高径比的筒形件、锥形件、盒形件，以及带有特殊表面成形要求的浅拉延件等；而管材液压成形除了成形多通管、波纹管外，目前主要集中在汽车零部件制造方面，如台阶轴、车身支架零件等6。对板材液压成形而言，原则上可用于传统冷冲压成形的板材均适用于液压成形；而对于管材液压成形，坯料可采用拉拔管、焊接管、双层管、挤压型材等7。随着研究及应用领域的

6、拓展，一些新型材料也在液压成形中得到应用。本文以轿车顶盖液压成形为例，通过有限元数值模拟，将液压成形与传统的拉延成形结果进行对比分析。2 工艺原理简介图1软凹模及软凸模拉延板材液压成形采用液体代替传统的刚性凹模或凸模，使坯料在液体的高压作用下贴模成形。按照成形原理可以分为软凹模拉延和软凸模拉延两类8，如图1所示。与传统刚性凸凹模成形工艺相比，液压成形具有如下优点：（1）借助于强制性流体润滑的作用使得拉延过程中法兰部位的摩擦力减少，降低了零件圆角处的减薄破裂倾向，改善了成形件壁厚的均匀性，并能很好的控制回弹。（2）极大提高了板料拉延成形极限，减少了中间工序，尤其适合一道工序内成形具有复杂形状的零

7、件，甚至是传统加工方法无法成形的零件，材料利用率高。（3）表面质量好，尺寸精度高，减少零件表面划伤，所成形零件外表面可以保持原始板材的表面质量。尤其适合镀锌板等带涂层的板材成形。（4）仅需要一套模具中的一半（凸模或凹模），没有配模要求，使得模具制造周期大大缩短，模具费用降低6590，模具具有通用性，不同材质、厚度的坯料可用一副模具成形。3 轿车顶盖传统拉延成形数值模拟分析3.1顶盖工艺性分析图2 轿车顶盖模型图3 轿车顶盖拉伸件以江淮汽车有限公司某款轿车顶盖为例（如图2所示），根据零件形状特点，对其进行工艺补充，获得的拉延件形状如图3所示。采用与零件形状一致的压料面便于材料的流入，侧壁采用阶梯

8、形工艺补充，可增大材料的变形阻力及变形量。在拉延件四周设置了矩形拉延筋，同样可以起到增大材料变形程度的作用。3.2 有限元模型建立 本文采用以LS-DYNA作为求解器的有限元分析软件DYNAFORM5.5进行仿真分析。考虑到结构的对称性，采用完整模型的一半建立模型。基于UG4.0建立几何模型，通过标准数据格式IGS导入DYNAFORM5.5软件建立有限元模型，如图4a)所示。板料选取DC06冷冲压钢板，初始尺寸为0.8×1400×2440(mm)，材料的性能参数如表1所示。材料模型为三参数BARLAT模型。板料单元采用成形数值模拟中应用非常广泛的Belytschko-Tsa

9、y(BT)壳单元。接触类型为单向面面接触。在凹模上设置了等效拉延筋。摩擦采用库伦摩擦，在传统拉延中设定摩擦因子=0.125。轿车顶盖的液压成形过程有限元模型如图4b)所示。除了摩擦条件，采参数数值屈服强度（MPa）151弹性模量（GPa）207泊松比0.28Barlat-Lian指数8厚向异性系数2.369厚向异性系数2.341厚向异性系数3.129表1 材料性能参数用与传统拉延一样的设置。在液压成形中，由于凸模与板料之间无任何润滑作用，属于干摩擦，其摩擦因子同样设置为=0.125，考虑到液体的黏性，板料与液体之间的摩擦因子=0.04。a) 传统冲压工艺模型b) 液压成形工艺模型图4 有限元模

10、型3.3 轿车顶盖传统拉延成形模拟分析考虑六种不同压边力的拉延情况，经过有限元模拟，不同压边力对应的拉延件件壁厚如表2所示。图5 压边力为50KN时传统拉延成形极限图图6 传统拉延成形的顶盖拉延件实物图序号压边力/KN最大壁厚/mm最小壁/mm最大壁厚差/mm13001.2590.3970.86222501.5400.3901.15032000.9190.4430.47641500.9300.5540.37651000.9750.5500.4256501.3110.4530.858表2 不同压边力对应的壁厚从表2中可以看出随着压边力的减小，材料的最大壁厚呈先减小后增加的趋势，最小壁厚变化趋势恰

11、好相反。压边力为150KN时，壁厚差最小，为0.376mm；压边力为100KN时，最小壁厚基本保持不变；而当压边力为50KN时，最小壁厚却反而减少。主要原因是由于随着压边力的减少，变形阻力也减小，法兰区域大量起皱，材料聚集在起皱处，皱褶阻止了材料的流动，导致R角处出现多处破裂。图5为压边力为50KN时的成形极限图，从图中可以看出，在法兰区产生了严重的皱褶，在零件底部圆角区产生了严重的破裂。图7为传统拉延成形的顶盖拉延件实物图，其中，拉延件法兰区域起皱严重，R角处存在破裂及暗裂情况，与有限元模拟结果基本一致。由此可见，在传统拉延成形过程中，仅通过减少压边力很难克服零件破裂的缺陷。因此，采用传统拉

12、延来成形轿车顶盖难度较大。4 轿车顶盖液压成形数值模拟分析基于以上的分析，并结合零件的形状特点，采用液压成形方法，对顶盖拉延过程进行有限元分析。由于在液压成形中，液室加载路径对拉延件成形性影响尤为明显，因此，首先根据零件几何特点和变形特点，设计加载路径，再进一步分析加载路径对成形性的影响，得出变化规律。图7 液室加载路径4.1 液室加载路径设计零件的侧壁为阶梯形状，可以将液压成形过程分为四个阶段，第一阶段：00.012s，凸模和坯料基本接触完成；第二个阶段：0.0120.016s，第一个阶梯成形阶段；第三个阶段:0.0160.02s，第二个阶梯成形阶段；第四个阶段:0.020.021s，凸模完

13、全进入凹模，加压整形阶段。根据零件的形状特点和液压成形过程中的变形特点，设计了如图7所示的多线性的加载路径。设第一、第二、第三阶段加载压力分别为P1、P2、P3，第四阶段整形压力为P4。4.2 加载路径对成形性的影响液室压力加载过大，则板料将发生严重的反向变形，从而产生一个很大的与冲压方向相反的拉应力。该反向拉应力严重阻碍材料的进入，板料迅速变薄，产生破裂。反之，液室压力加载过小，则坯料与凸模的接触不充分，不能发挥摩擦保持效应，在拉延中后期，坯料变薄造成破裂。因此，建立合适的加载路径才能保证获得成形质量良好的拉延件。按前文设计的加载路径，分析各个因素对成形性的影响，当一个因素改变时，其他因素设

14、置为常量。路径号P1 /MPaP2 /MPaP3 /MPaP4 /MPa最小壁厚/mm最大壁厚/mm10.050.151100.510.8320.100.151100.660.9530.150.151100.640.9440.250.151100.511.08表3 P1为变量的加载路径和模拟结果 P1对成形性的影响将P1设为变量，取值范围为0.050.25MPa，P2、P3、P4设为常量。按照所设计的加载路径，各个路径组合的最大、最小壁厚模拟结果如表3所示。从表3可以看出，P1为0.05MPa时，在成形初期，凸模长边圆角底部产生破裂，如图8a)所示，原因是初始压力不够大，凸模底部和坯料接触不充

15、分，在未建立起摩擦效应的时候，发生破裂。随着P1的增加，最小壁厚的减薄得到抑制，其原因是摩擦效应的发挥。但是随着压力进一步增加，凸模底部圆角同样发生了破裂，并且在短边直壁处，产生严重的褶皱。破裂现象主要是由于成形初期，仅仅是凸模底部和板料接触，未建立起摩擦效应，由于反胀压力过大，加大了径向拉应力，使得在凸模底部圆角产生破裂；皱褶产生的原因是成形初期压力过大，反胀形成的软拉延筋较大，加上短边直壁部分，凸凹模间隙较小，随着凸模的向下拉延，软拉延筋形状发生严重的褶皱，同时造成该区域材料流动阻力增大，同时在凸模直壁区，产生破裂，如图8b)所示。a) 1号路径b) 4号路径图8 两种路径下的成形极限图

16、P2对成形性的影响路径号P1 /MPaP2 /MPaP3 /MPaP4 /MPa最小壁厚/mm最大壁厚/mm10.150.151100.640.9420.150.31100.660.9530.150.51100.660.9440.150.71100.610.91表4 P2为变量的加载路径和模拟结果将P2设为变量，取值范围为0.150.7MPa，P1、P3、P4设为常量。按照所设计的加载路径，各个路径组合的最大、最小壁厚模拟结果如表4所示。图9 4号路径下的成形极限图从表4中可以看出，在0.150.5MPa范围内，随着P2的增加，最大、最小壁厚变化不明显。当P2增大到一定程度0.7MPa时，在凸

17、模短边圆角产生破裂，如图9所示。分析原因是，在成形中期，凸模短边还未与坯料产生足够的接触，摩擦效应未发挥，过大的增大压力，会造成壁厚的严重减薄，在成形后期发展为破裂。 P3对成形性的影响破裂图10 4号路径下的成形极限图表5 P3为变量的加载路径和模拟结果路径号P1 /MPaP2 /MPaP3 /MPaP4 /MPa最小壁厚/mm最大壁厚/mm10.150.152100.660.9520.150.154100.661.2230.150.156100.670.9440.150.158100.591.36将P3设为变量，取值范围为28MPa，P1、P2、P4设为常量。按照所设计的加载路径，各个路径

18、组合的最大、最小壁厚模拟结果如表5所示。从表5可以看出，在26MPa范围内，随着P3的增大，最小壁厚无明显变化，即拉延件减薄趋势基本不变。但是当P3增大到8MPa时，凹模圆角区坯料在液室压力的反胀作用下产生破裂，如图10所示。4.3 液压控制策略图11 加载路径示意图从以上分析可知液室压力加载过大，则会使板料发生严重的反向变形，增大径向拉应力的作用，板料迅速变薄，造成破裂。反之，液室压力加载过小，凸模和坯料的接触不充分，不能发挥摩擦保持效应，在拉延中后期，坯料变薄造成破裂。基于以上分析得出轿车顶盖液压成形液室加载路径，如图11所示。5 顶盖液压成形的成形性分析5.1液压成形极限分析图12 液压

19、成形截面壁厚变化曲线液压成形过程中，取P1=0.15MPa，P2=0.15MPa，P3=6MPa，P4=10MPa的加载路径下的一处存在明显减薄状态的截面，如图12所示，从图中可以看出，壁厚整体变化均匀，仅在两个R角处略为急剧，点1、点2对应的壁厚尺寸分别为0.7093mm、0.7722mm，最大减薄率仅为11.33，无破裂危险。图13 两种成形方式壁厚对比图将该路径与传统拉延成形压边力为150KN时的壁厚变化做比较可以发现，与传统拉延中壁厚减薄率最小的情况相比，液压成形仍然存在较大优势（如图13所示）。两者最大壁厚基本相同，但最小壁厚相差0.12mm，液压成形减薄率为16.25，而传统拉延成

20、形减薄率为31.25，出现破裂。分析原因，主要是液压成形时，反向液压的作用形成软拉深筋，清除悬空区，坯料与模具之间建立起有益摩擦，使在凸模底部圆角处坯料径向拉应力减小，应变轨迹在成形极限图上向左偏移，提高了成形极限。5.2液压成形性分析图14 两种成形方式截面对比图图14为传统拉延成形压边力为150KN，以及液压成形P1=0.15MPa，P2=0.15MPa，P3=6MPa，P4=10MPa的加载路径下，分别获得的顶盖拉延件中截面。从图中可以看出，采用传统拉延成形时，R角处充填不够充分，成形质量较差，且R角下沿出现回弹现象，而采用液压成形就大大减轻了上述两种缺陷的产生。分析原因，主要是液压成形

21、时，由于背压的作用使板料与凸摸紧紧贴合，材料发生充分的塑性变形，因此R角充填质量好，并有效的控制了回弹。6 结论（1）对于浅拉延大尺寸覆盖件，液压成形与传统拉延成形相比，在成形极限，尺寸精度以及控制回弹方面，优势明显。（2）液压成形加载路径对轿车顶盖成形有较大影响。根据零件特点将液压成形过程分为四个阶段。成形阶段液室压力应设计合理，才能确保摩擦保持效应的建立，避免破裂。最终加压进行整形以满足尺寸精度要求。（3）采用有限元数值模拟分析软件Dynaform可以验证在设计汽车覆盖件的成形工艺过程中方法的可行性和可靠性，为改进模具设计和修正工艺参数提供有用信息。此外，可提高模具制造质量，缩短模具的开发周期，降低成本。参考文献1