铝合金汽车覆盖件冲压成形的回弹模拟分析

 回弹现象是汽车覆盖件成形过程中常见的缺陷，回弹效应使按照零件理论要求设计制造出来的模具，生产出来的零件不符合设计的要求。当采用铝合金替代钢材时，由于其弹性模量较小，冲压成形后产生的回弹量比钢制零件的回弹量大得多，因此，对铝合金覆盖件的回弹分析就尤为重要。本文采用DYNAFORM有限元软件，对铝合金汽车发动机外覆盖件的冲压回弹进行仿真分析，并探讨了不同材料性能对回弹量的影响规律，为汽车覆盖件选材提供材料性能参考。

材料模型和边界条件

材料选用厚度为1.2mm的6016铝合金，其材料性能见表1。材料本构模型采用Hill48屈服准则的正交各向异性材料模型。工具和板料采用BT壳单元进行几何离散、网格进行自适应划分，同时假定凸模、凹模、压边圈为刚体，板料采用等向指数强化模型。

在压边阶段压边圈移动速度为3m/s，板料与凹模的摩擦系数为0.12，板料与压边圈的摩擦系数为0.12，模具间隙为1.32mm。冲压进程凸模的运动速度为0.5m/s，压边力设定为2000kN。板料与凹模、凸模、压边圈的摩擦系数默认为0.12，模具间隙为1.32mm。回弹阶段的板料自适应级数为1级。冲压成形中，采用的是反向拉延，外板的下料尺寸如图1所示。



图1 外板下料尺寸

表1 板材材料性能



回弹仿真分析

回弹分析之前，需要先导入在拉延计算中生成的dynain文件，该文件中包含板料最后阶段的变形网格和应力应变数据，在外板拉延仿真中考虑到模型对称性和减少计算规模，只取一半模型进行计算。设定好约束位置（该位置的选择应在远离边界和应力大的区域，对称模型只需要在对称边界上选取两个节点来进行约束）以排除刚体运动，约束点如图2所示。



图2 设定的约束点位置

图2中分别约束了三个平动自由度和3个转动自由度，从而约束了整个部件的刚体运动。在约束完节点，选定粗化网格模式以及选定单步回弹成形或多步回弹成形后，即可进行计算。回弹计算结果如图3所示。



图3 回弹计算结果云图

从图3中可以看出，最大回弹量出现在成形后板料的左右上端边缘位置，最大回弹值为19.80mm。另外，在成形后板料左右下端边缘位置也有较大的回弹量，达到了13mm以上。

回弹的影响因素

从以上分析中可以看出，外板回弹量最大位置均出现在成形后板料的左右上端边缘位置。在不改变模具和冲压工艺的前提下，研究了不同材料性能对回弹的影响程度，从而分析出对铝合金回弹影响较大的材料参数，为厂家的改进提供参考。

为此，依据钢材回弹经验，选定对回弹影响较大的屈服强度、n值、r值三个材料性能因子对其进行分析。根据表2三种状态的材料力学性能值，仿真分析时，以6016力学性能为基础，分别设定不同的屈服强度、n值和r值进行模拟仿真分析。

表2 进行回弹分析的不同材料性能



屈服强度对冲压回弹的影响

图4～图6中屈服强度为133.227MPa、139.085MPa和177.118MPa时，其最大回弹量分别为18.10mm、19.34mm和21.09mm。综合以上分析，结合前面的仿真结果，可以得出：随着屈服应力的增加，最大回弹量呈增大的趋势；在材料其他性能不变的情况下，屈服强度在133.227MPa至177.118MPa变动时，最大回弹量变动范围为18.10～21.09mm。



图4 屈服强度为133MPa的回弹



图5 屈服强度为139MPa的回弹



图6 屈服强度为177MPa的回弹

n值对冲压回弹的影响

n值为0.192、0.226和0.26时，其最大回弹量分别为20.77mm、17.62mm和15.47mm。从图7～图9可以看出，随着n值的增加，最大回弹量呈减小的趋势；在材料其他性能不变的情况下，n值在0.192至0.26之间变动时，最大回弹量变动范围为15.47～20.77mm。



图7 n=0.192的回弹云图



图8 n=0.226的回弹云图



图9 n=0.26的回弹云图

r值对冲压回弹的影响



图10 r=0.565的回弹云图



图11 r=0.599的回弹云图



图12 r=0.619的回弹云图

塑性应变比r值对铝合金板材的回弹影响规律如图10～图12所示，r值为0.565、0.599和0.619时，其最大回弹量分别为27.20mm、24.09mm和26.00mm；随着r值的变化，最大回弹量未出现明显的单增或单减的趋势；在材料其他性能不变的情况下，r值在0.565至0.619之间变动时，最大回弹量变动范围为24.09～27.20mm。

结束语

6016铝合金作为汽车覆盖件外板时，由于较低的弹性模量和较大的弹性变形，变形后的回弹量比钢制材料大，因此以铝代钢进行轻量化设计和制造时，针对铝合金冲压件的回弹补偿和控制尤为重要。此外材料的基本力学性能对零件冲压成形后的回弹量有很大影响，具体表现为：随着屈服应力的增加，回弹量增大，回弹量最大位置均出现在成形后板料的左右上端边缘位置；随着n值的增加，回弹量最大值在减小；当6016铝合金板材在合理的范围内变动r值时，回弹量未出现明显的变化趋势。因此，在进行铝合金选材或原材料生产控制时，从减小回弹量的角度出发，应尽量降低材料的屈服强度并增加材料的加工硬化指数。