基于AutoForm的天地蓋成型起皺仿真研究

王中盟，朱仁勝，柏強，彭椏龍，杜恒

（合肥工業大學機械工程學院，合肥 230009）

0 引言

對于天地蓋禮盒飾品，常采用沖壓工藝進行加工成形，其成形性能不僅關系到產品質量的好壞，還影響著產品的美觀度。如果采用傳統方法，利用模具對產品成形質量進行分析，不僅設計周期長，其物料成本也會成倍增加。

采用有限元軟件對天地蓋進行沖壓模擬，以模擬結果為依據，對沖壓工藝進行優化設計，可以快速設計合理的沖壓方案，既提高了生產效率，同時也降低了研發成本。文獻[1]以金屬梁為研究對象，分析了成形過程中典型缺陷產生的原因及控制方法。文獻[2]對汽車前地板零件的沖壓成形過程進行了仿真分析。文獻[3]采用有限元數值模擬方法，研究了重要工藝參數對AA5182合金板材成形性能的影響。文獻[4]以SPFC590高強度鋼板為研究對象，重點研究不同毛坯形狀與壓邊力控制方式對方盒形件沖壓成形粘模行為的影響規律。文獻[5]研究了不同壓邊力加載模式對盒形件拉深成形的影響。文獻[6]以AA6061鋁合金為對象，研究了沖壓速度對鋁合金板成形性的影響，得出正弦遞增型的沖壓速度加載模式更有利于鋁合金盒形件成形的結論。文獻[7]采用新型分瓣式壓邊圈，在壓邊圈與鋼板、鋁板之間設置不同的摩擦因數，分析其對差厚拼焊板成形過程中焊縫偏移量及成形深度的影響規律。文獻[8]分析了不同的凸、凹模圓角半徑對拼焊板成形深度及焊縫偏移量的影響規律。文獻[9]分析了毛坯形狀、壓邊間隙等因素對其成形極限及壁厚分布的影響，預測了坯料成形過程中失效的產生，并結合實際進行了驗證。文獻[10]～文獻[11]采用AutoForm相關分析方法，對各板件相關因素優化分析，歸納總結規律，驗證其可行性。

在沖壓變形時，坯料會承受來自于平面拉伸方向的拉應力和板厚方向的壓應力，當板厚方向所承受的壓應力遠大于材料的穩定極限時，坯料就會產生起皺。這不僅浪費原材料，甚至可能使工件作廢。通過AutoForm軟件對995天地蓋的沖壓成形過程進行仿真模擬，可以全面地從多個因素考慮其對天地蓋的成形起皺的影響，對天地蓋的成形起皺進行定量分析，歸納出對天地蓋成形起皺的主要影響參數及其相關變化規律。

1 天地蓋沖壓工藝

根據實際生產研究，綜合考慮選用材料995鋁合金的天地蓋為研究對象，對天地蓋成形過程進行仿真模擬。對天地蓋采用單動拉延，以壓邊力40 kN、沖壓速度50 mm/s、摩擦因數0.15作為參考基準，分析不同工藝參數對天地蓋成形質量的影響。

零件形狀和尺寸如圖1所示，高為29 mm，四邊寬均為150 mm，法蘭寬度為15 mm，法蘭與側壁的圓角半徑為4 mm，側壁與天地蓋底部的圓角半徑為2 mm。

圖1 天地蓋形狀和尺寸

在拉延過程中，為了防止工件邊緣位置失穩而產生起皺，常在凹凸模之間放置壓邊圈裝置，如圖2所示。壓料面是凹模面上和壓邊圈重合的那部分曲面，和壓邊圈一起用來夾持坯料，如圖3所示。

圖2 凹凸模和壓邊圈示意圖

圖3 壓料面示意圖

鋁合金天地蓋在沖壓過程中的成形性如圖4所示，由圖中流動線可知，材料在四邊的流動速度并不相同，其流動速度呈現出兩邊低、中間高的特點，導致材料在四角處慢慢堆積，最終形成工件的起皺，并集中在工件的四角區域。

圖4 成形性能

采用最大起皺量作為成形質量的關鍵參數，對不同影響因素分別進行定量的分析，記錄相應的數據，其成形質量如圖5所示。

圖5 成形起皺

2 工藝參數對天地蓋成形質量的影響

2.1 毛坯形狀對天地蓋成形質量的影響

選取3種不同形狀毛坯（如圖6）：坯料a為邊長為360 mm的正方形；坯料b為邊長為360 mm的正方形切去4個邊長為50 mm的等邊直角三角形；坯料c為邊長為360 mm的正方形將4個直角邊改為半徑為50 mm的圓角。

仿真結果如圖7所示。根據仿真試驗結果可以得知：圓角形坯料c起皺量最大，為0.322 mm；長方形坯料a起皺量次之，為0.319 mm；八邊形坯料b起皺量最小，為0.311 mm。

圖7 不同毛坯形狀的成形起皺

造成3種不同形狀坯料起皺現象差異的原因是天地蓋工件的不完全對稱性，導致在成形過程中法蘭部分材料流動的不一致性。在天地蓋工件四邊處的材料流動量大于其四角處的材料流動量，其結果使在四邊處出現內凹現象，而在其四角處產生材料堆積，形成起皺。八邊形毛坯b因切除多余的直角邊，可以緩解其在四角處材料的堆積，從而減小起皺現象。

2.2 壓邊力對天地蓋成形質量的影響

壓邊力是天地蓋成形件的一項重要工藝參數，在沖壓成形過程中，壓邊力對材料成形的起皺和開裂起著極為重要的作用。制定合理的壓邊力，可以降低工件的不良率，提高材料利用率，提升工件質量。將壓邊力大小分別設置為30、35、40、45、50 kN，測得不同壓邊力下坯料的起皺變化，如圖8所示。

圖8 不同壓邊力坯料的成形起皺

對比仿真結果可知，隨著壓邊力從30 kN增加到50 kN，坯料的成形起皺逐漸從0.333 mm 下降到0.297 mm。在沖壓過程中，增大壓邊力可以提高工件的成形質量，但壓邊力大小的選取要適宜，過大的壓邊力會導致工件開裂、工件損毀、可靠性降低。因此壓邊力的選用要綜合考慮，在一定范圍內尋求最優，不同材料壓邊力的選用范圍也不盡相同。

2.3 沖壓速度對天地蓋成形質量的影響

在坯料沖壓拉深工藝中，沖壓速度的改變會影響著坯料的應變速率，進而對沖壓性能造成影響，呈現出不同的成形質量。設置沖壓速度分別為10、20、50、100、200 mm/s，進行沖壓模擬，得到仿真結果如圖9所示。

圖9 不同沖壓速度坯料的成形起皺

由圖可9知，隨著沖壓速度從10 mm/s提升至200 mm/s，其最大起皺均保持在0.319 mm，并未產生明顯變化?？梢?95天地蓋工件在此次測試范圍內，沖壓速率的變化對其材料強度性能的改變不敏感，故對表面起皺幾乎無影響。

2.4 摩擦因數對天地蓋成形質量的影響

在坯料沖壓成形的過程中，由于沖壓模具和坯料間的相對運動，其摩擦現象不可避免。摩擦力不僅影響著拉深成形，而且也會造成能量的損耗。選用合適的摩擦因數對降低工件的表面缺陷和提高拉深模具的使用壽命具有重要意義。設置摩擦因數分別0.12、0.14、0.15、0.16、0.18，仿真結果如圖10所示。

圖10 不同摩擦因數坯料的成形起皺

根據仿真結果，摩擦因數從0.12上升至0.18時，工件的最大起皺總體上從0.333 mm降低至0.298 mm。但由于隨著摩擦因數的增加，與板料之間摩擦力也會隨之上升，在沖壓過程中，成形阻力加大，工件產生破裂的風險提高。因此在保證工件不產生破壞的情況下盡量選用較大的摩擦因數。

3 幾何參數對天地蓋成形質量的影響

3.1 圓角半徑對天地蓋成形質量的影響

在其他工藝參數不變的情況下，改變側壁與法蘭的圓角半徑，分別取3、4、5、6、7 mm，分析不同凹模圓角半徑下工件的成形質量，仿真結果如圖11所示。

圖11 不同圓角半徑坯料的成形起皺

仿真結果表明，最大起皺不是隨著圓角半徑的變化而產生線性的變化，隨著圓角半徑從3 mm增加到5 mm，最大起皺從0.329 mm下降至0.311 mm，在圓角半徑6 mm處，最大起皺又開始上升至0.322 mm，在圓角半徑7 mm處最終下降至0.129 mm。在沖壓過程中，圓角半徑越大，則所需要的拉深力越大。而拉深力過大會引起工件沖壓開裂。因此在沖壓過程中，應保證在不引起工件開裂的前提下，盡量選用相對較大的圓角半徑，來減輕最大起皺。

3.2 工藝補充面對天地蓋成形質量的影響

在其他工藝參數不變的情況下，通過改變工藝補充面寬度，分別取15、20、25、30 mm，在不同寬度下，分析工件的成形質量，仿真結果如圖12所示。

圖12 不同工藝補充面寬度的成形起皺

由仿真數據圖表可知，隨著工藝補充面寬從15 mm增加到30 mm，工件的最大起皺也在逐步從0.087 mm上升至0.319 mm。若想減輕工件的成形起皺，可通過減小凸模工藝補充面寬度的方法加以改善，但凸模工藝補充面寬度的選取也并非越小越好，凸模工藝補充面寬度過小，會增加工件開裂的風險。

4 結論

以最大成形起皺為研究對象，建立天地蓋仿真模型，利用AutoForm進行成形過程仿真分析，在其余工藝參數相同的情況下，以單一工藝參數為變量，分析其對成形起皺的影響。得出如下結論：1）有限元仿真分析中，利用AutoForm軟件的相關優點，通過收斂性檢查和壓邊力檢查使得整個模擬過程收斂，讓得到的仿真結果更加準確，通過最后結果總結對比分析，得到了天地蓋成形起皺的相關影響因素，說明該有限元方法的合理性。2）從工藝面寬度分析到坯料形狀及各項工藝參數研究，沖壓速度對工件的成形起皺影響較小，幾乎可以忽略不計，而隨著壓邊力、摩擦因數和圓角半徑的增加，最大成形起皺呈逐漸減小的趨勢；隨著凸模工藝面寬度的增加，最大成形起皺呈逐漸升高的趨勢；與長方形和圓角形坯料相比，采用切角的八角形坯料可以有效地減輕天地蓋的成形起皺。該結果一方面可以應用于天地蓋的實際生產研發，另一方面為金屬板件選擇合適的工藝參數提供了理論依據。