板料沖壓成形作為一種重要的塑性加工工藝，廣泛應用于航空航天、汽車、儀表等工業領域。據統計，其中汽車覆蓋件中有60%～70%是采用沖壓工藝生產出來的。汽車覆蓋件具有材料薄、形狀復雜、結構尺寸大、表面質量要求高及生產成本高等特點。成形往往兼有拉延、脹形、翻邊、彎曲等多種形式，在成形過程中板料上各點的變形狀態很復雜，應力、應變很不均勻，差別很大，有些形狀較復雜的沖壓件需要經過多道工序才能完成。但是，覆蓋件的質量好壞在很大程度上受拉延模的質量控制，因此拉延件的設計是沖出高品質沖壓件的關鍵。而如何迅速而準確地預測整個沖壓成形過程可能出現的起皺、開裂以及不合要求的回彈等缺陷并確定其中的一些重要沖壓參數，已成為沖壓技術發展的瓶頸。隨著板料成形有限元理論的不斷完善、計算機技術的迅速發展、對沖壓加工過程認識的深入，以及板料成形有限元模擬技術的日趨成熟，使模擬沖壓成形過程成為可能，并日益成為汽車、模具、鋼鐵等企業優化工藝提供選材以及縮短產品開發周期、減少制造成本的有力工具。

本文以某汽車右前縱梁本體為例，依據其結構特點判斷材料的流動方式，用UG軟件對模型做合理的工藝補充并導出，借助三維沖壓仿真軟件PAM-STAMP2G進行成形過程的數值模擬，獲得了合理的拉深成形工藝參數，以用于指導生產。

模擬過程與結果

本體拉深工藝分析

圖1為汽車右前縱梁本體零件圖，其材料為X1，板料厚度為3mm。從該圖可以看出，該零件結構復雜，局部成形較多，是彎曲、拉延和脹形復合的結果，需要經過拉深→沖孔→切邊等多道工序才能完成，其拉深工藝過程為一次拉深成形，單動沖壓形式。本文主要研究其拉深成形過程，暫不對沖孔及切邊過程進行模擬，圖2即為零件的工藝補充完成的拉延件。

圖1 汽車右前縱梁本體零件

圖2 零件的工藝補充

模擬步驟

⑴利用UG軟件輸出已建好拉深件的igs文件。

⑵打開PAM-STAMP2G軟件，建立一個新文件，導入拉深件的igs文件。此時拉深件的形狀顯示在屏幕上。拉深件表面有7個孔洞，孔洞可在UG里進行修補，也可在PAM-STAMP2G中進行修補。因面積不大，表面也比較平滑，故選擇在PAM-STAMP2G的模面設計模塊里進行模擬工藝補充面設計。

⑶進入精確成形質量控制模塊，根據底模進行壓料面及底模型面的區域網格單元劃分，然后利用工具生成器快速生成凸模和壓邊圈。

⑷根據所給輪廓線生成板料并進行網格劃分，對沖壓方向和等效壓延筋等進行設定。

⑸利用數據生成宏（Data Setup Macro），輸入模擬參數。

⑹模具運動情況預覽。觀察壓邊和沖壓運動狀態，動畫取保沖壓運動正確。

⑺進行求解器的設定并開始提交計算。

⑻結果分析。

本體沖壓仿真

建立的有限元計算模型，見圖3。模擬材料選X1的主要參數為彈性模量E＝206MPa，泊松比υ＝0.33，屈服強度σs＝461 MPa，抗拉強度σb＝662 MPa，零度方向各向異性系數r0＝1.22，45度方向各向異性系數r45＝1.34，90度方向各向異性系數r90＝1.44，硬變硬化指數n＝0.2，硬化系數K＝0.96074，本構模型采用Hill 48屈服準則的正交各向異性材料模型。

圖3 汽車右前縱梁本體有限元模型

采用單動沖壓形式，壓邊力為800kN，摩擦系數為0.12，模擬結果見圖4a、b、c。

（a）材料減薄

（b）成形極限

（c）模擬成形質量分布

圖4 縱梁本體拉深模擬

從結果分析可以看出，零件拉延比較充分，減薄很厲害，部分地方有起皺現象。在零件的圓角部有一明顯的破裂，這說明所設定的沖壓條件（模具或工藝參數）不合理，需要修模或調整成形工藝來消除成形缺陷，以下針對其工藝進行一定的調整。

模擬結果分析及改進

模擬可顯示各加載時刻板料的變形、應力、應變分布及板料厚度變化和成形極限圖等，其中厚度變化和成形極限是工程界最為關心的兩個物理量。圖4a為計算機模擬沖壓成形后的板厚分布，其中最薄處減薄率達77%，已處于破裂的范圍，起皺也非常明顯。圖4b是拉深成形后的成形極限圖（FLC），圖中成形曲線（FLC）由材料參數和屈服理論確定，可以看出，制件已經明顯出現破裂。從圖4c的結果分析可知，造成破裂的主要原因是材料的流入較困難。因而可以通過調整壓邊力、摩擦力的大小及拉延筋的高度，使材料更易于流入。

壓邊力是影響板料成形質量的重要工藝因素，在拉深過程中，壓邊力的主要作用是用來增加坯料的拉應力，控制材料的流動，使材料充分塑性變形以提高零件剛度，避免起皺。壓邊力太小，板料拉深時會起皺；壓邊力太大，板料拉深就會有被拉裂的危險。因此，在實際拉深過程中，應合理控制成形過程中的壓邊力，以消起皺和破裂等缺陷，提高成形性能。

在拉深的過程中，摩擦與潤滑是一個不容忽視的因素，對拉深性能的影響是很大的。大量實踐證明，見圖5，板料與模具間合適的摩擦狀況，不僅可以彌補材料本身成形性的不足，也可在一定程度上補償模具設計制造上的欠缺，減少修模次數，降低廢品率。但是過大的摩擦會使變形金屬的表面產生劃傷，使模具的精度下降和壽命變短，因此，要研究摩擦潤滑條件對拉深性能的影響。

圖5 摩擦對拉深后板料厚度的影響

覆蓋件在拉延時要求進料阻力均勻，因此拉延模應在材料容易流動的地方加拉延筋。拉延筋參數的合理取值及其合理布置是控制金屬流動防止出現起皺和破裂的重要手段。其實質是改善拉延毛坯在壓邊圈下的流動條件，使各部位的變形趨于均勻。從拉延筋的布置情況及其沖壓。采取降低拉延筋的高度，改進后的拉延筋形狀仍為半圓形，寬度也不變，但深度降低為6mm；同時，壓邊力從800kN降為600kN，摩擦系數改為0.08。