1有限元模型
经过对大量的调研数据分析得知，料厚<0.8 mm的薄板深拉深软钢零件，在批量生产及切换不同批次原材料时，成形的实物有时出现过度减薄或开裂，而前期成形CAE分析无法识别此类成形问题。究其原因，在实际批量生产中，零件材料相对较软，拉深深度深，材料流动量大，对摩擦条件尤为敏感，在摩擦系数动态变化的条件下，更容易发生超过成形极限而出现过度减薄甚至开裂的现象。
现选取某量产车型的后轮罩为研究对象，材料牌号为GMW2M-ST-S-CR3-HD60G60G-U，料厚为0.8 mm。冲压有限元模面模型如图1所示，该后轮罩型面复杂且曲率变化大，板料流动量大，拉深深度最深达到183 mm，侧壁拔模角度最大为7.5°，周边变形各不相同且变形程度不均匀，法兰配合面有较高的平面度要求，成形难度大，是典型的复杂零件。
图1 后轮罩模面模型
为了提高成形仿真分析的准确性，确保CAE模型的工艺参数设置与量产工艺一致，基于量产模具的逆向模面数据和量产生产工艺参数，采用AutoForm R8软件分别创建Coulomb恒定摩擦和TriboForm动态摩擦的CAE模型，对比研究恒定摩擦参数与动态摩擦参数下成形仿真结果与量产件成形状态的一致性。
仿真分析中，恒定摩擦系数设置为0.15，动态摩擦系数是与压力、应变、速度和温度相关的函数，通过动态摩擦模型，输入板料和模具材料种类、板料和模具零件表面粗糙度以及润滑油种类和油量，综合计算得出。恒定摩擦模型的模拟过程中，摩擦系数是定值，而动态摩擦模型的摩擦系数随着冲压模拟过程动态变化。
2量产数据处理
由于该零件已经制造，模面磨损后与前期CAE分析的模面状态存在较大差异，采用逆向工程技术对该零件模面数据进行反求设计，通过逆向测量和数据处理，重构了凸凹模3D模型，重建基于后轮罩拉深模的逆向模面数据和量产生产工艺参数的CAE模型，对CAE模型的成形过程进行数值模拟。选取5个不同批次的后轮罩量产件，分别测量测点位置的板料流入量及料厚。
2.1 流入量测点布置
板料流入量是指从压边圈闭合到拉深结束过程中板料流入分模线的数值，板料流动状态由板料流入量决定。板料的开裂和起皱、表面质量缺陷如扭曲、回弹、冲击线和滑移线等对板料流入量敏感，后续工序模具的修边模刃口和夹持器位置等也依据拉深板料流入量设计，所以板料流入量是连接成形CAE分析与现场调试的桥梁，是评判工序件成形状态与CAE分析状态是否一致的指标。
现选取后轮罩冲压前板料轮廓各边线的中点位置为基点，共8个测点，如图2所示，压边圈闭合后，在板料和压边圈上用油笔标出相应的标记，与板料拉深完成后的轮廓比较，得到流入量分布数据。
图2 后轮罩流入量测点布置
2.2 料厚测点布置
钣金冲压成形CAE分析通常依据成形极限图和减薄率判断零件是否存在开裂和起皱等缺陷的风险，成形极限图是定性评价，而减薄率是定量评价，都是评判钣金冲压成形性状态的重要指标，该后轮罩减薄率标准要求≤22%，无开裂区域。
参考前期CAE板料减薄率结果及后续料厚测量的可操作性，减薄率测点分别布置在后轮罩拉深工序件纵向和横向的中心线附近及侧壁减薄率较大的区域，如图3（a）所示，共15个测点，并对后轮罩量产件实物进行了切割处理，如图3（b）所示。
图3 后轮罩料厚测点布置
2.3 量产数据处理
针对后轮罩板料流入量和料厚，将每个后轮罩各测点的数据记录在测量表，将料厚转化为减薄率，取各测点减薄率的平均值，各测点数据处理结果如表1、表2所示，其中减薄率是正值，代表此处是料厚增加；减薄率是负值，代表此处是料厚减薄。由表1、表2可以看出，板料流入量大的区域其板料减薄率也较大，与前期CAE分析板料减薄率趋势一致。
表1 后轮罩各测点的流入量
表2 后轮罩各测点的减薄率
3结果对比分析
基于后轮罩逆向模面数据以及量产工艺参数创建成形CAE分析模型，进行恒定摩擦与动态摩擦设置的仿真分析，对比恒定摩擦与动态摩擦的成形极限图，并比较后轮罩量产件的板料流入量和减薄率。
3.1 成形极限图
恒定摩擦和动态摩擦的成形极限图如图5所示，圈中区域表示板料有开裂的风险，该区域的模拟结果处于临界状态，必须进行优化，圈中区域模拟的准确与否将影响前期的设计和工艺的规划。
图5 成形极限图对比
成形极限图分析如下：①后轮罩成形性状态发生变化，但均无开裂区域，与实物一致;②相对于Coulomb恒定摩擦系数，TriboForm动态摩擦系数的开裂风险区域比例下降1.03%，主要体现在拉深侧壁区域。
3.2 板料流入量
恒定摩擦和动态摩擦的板料流入量数据分析结果如图6所示，一般钣金冲压板料流入量与CAE分析结果相差应小于3 mm（USL）。板料流入量数据分析结论如下：①TriboForm板料流入量偏差绝对值较Coulomb更接近标准值，均在USL之下；②TriboForm板料流入量平均偏差绝对值比Coulomb提升了52.5%。
图6 后轮罩流入量数据分析
3.3 板料减薄率
恒定摩擦和动态摩擦的板料减薄率数据分析如图7所示，得到如下结论：①TriboForm减薄率偏差绝对值较Coulomb更接近标准值，减薄率较大和开裂高风险的侧壁区域更接近实物状态，总体偏差低于1%；②TriboForm减薄率平均偏差绝对值比Coulomb提升了71.2%。
图7 后轮罩减薄率数据分析
▍原文作者:鲍立郑德兵李明阳
▍作者单位：泛亚汽车技术中心有限公司
