动态摩擦模型在铝合金冲压CAE 分析中的应用
随着全球汽车新能源和自动驾驶技术的蓬勃发展，汽车车型高频迭代加快，交付新造型、新结构的白车身周期越来越紧迫。相较于传统的钢材，铝合金因其突出的轻量化优势，在白车身上的占比逐年增加。铝合金冲压成形过程对摩擦和润滑条件要求更加苛刻，所以前期同步开发、试模阶段和批量阶段的过程数据一致性尤为重要。在前期产品同步开发阶段，传统的库仑摩擦(定摩擦系数)改为动态摩擦模型，可以充分考虑材料流动时涂层、润滑剂与模具之间的表面特性，仿真和现场的符合性显著提高。依据分析结果提前更改产品造型和优化冲压工艺参数，为产品可制造性预留安全量。对于采用恒定摩擦系数前期模拟分析中不易识别的暗裂、起皱和内凹缺陷，采用动态摩擦模型可以避免此类缺陷流入模具调试现场。
动态摩擦模型
冲压过程中板材与模具的接触是动态的，车身金属板材具有特定的表面特性，材料种类和表面粗糙度的差异会表现出不同的摩擦特性。铝合金板材冲压生产的工况为表面热熔固态涂层或开卷涂润滑油，根据热熔性固态涂层量或润滑油量、冲压模具(材质、表面涂层及表面粗糙度)、成形温度(摩擦生热)、冲压速度、接触压力的不同，摩擦系数表现为非线性变化，因此冲压CAE 分析采用恒定库仑摩擦系数作为摩擦和润滑的边界条件存在局限性。本文使用的动态摩擦特性数据库集成常用车身板材(5 系铝合金、6系铝合金、低碳钢、烘烤硬化高强钢、低合金高强钢、双向钢、硼钢)、涂层(热镀锌、电镀锌、锌铁镀层、锌铁磷化处理镀层)、模具材料(铸铁、模具钢)以及润滑剂(热熔润滑涂层、拉深油)等材料特性。动态摩擦特性数据库是包含接触压力、塑性应变、滑动速度和界面温度对摩擦系数影响的四维模型，可以准确地描述复杂摩擦现象。CAE 分析时根据实际生产的材质类型和涂层、模具材料、润滑剂类型选择相应的摩擦特性数据库，然后输入板料和模具表面粗糙度、润滑油分布方式和油量，CAE 分析考虑动态摩擦的结果更加贴近调试生产。
动态摩擦模型在铝合金厢盖外板CAE 分析
本文以某车型厢盖外板为例介绍库仑摩擦和动态摩擦模型对铝合金成形的影响及冲压缺陷识别。图1为厢盖外板三维数模，零件长宽高分别为825mm、725mm、38mm。冲压工艺工序为：拉延、修边、侧修边、翻边侧翻边、侧翻边，共计5 个工序，完成单件冲压后与内板进行包边。厢盖外板造型为A级曲面，曲率单一、拉延深度浅、表面无加强筋等特点，零件在生产过程中存在回弹扭曲、最小圆角处翻边开裂、大平面交汇位置凹陷等缺陷。厢盖外板材质为6016-T4，材料厚度0.9mm。铝合金6016-T4 材料的化学成分、机械性能和表面状态见表1、表2 和表3。
表1 铝合金6016-T4 材料的化学成分(%)
表2 铝合金6016-T4 材料的机械性能
表3 铝合金6016-T4 材料的表面状态
图1 厢盖外板产品数模
6016-T4 材料表面为光面 (MF 冷轧态)、涂油类型为E1 干油，涂油量0.85g/m2，材料表面粗糙度为Ra0.42μm，以上材料表面特性值均在材料标准范围。图2 为材料和模具接触表面摩擦特性可视化，接触表面由一系列不同的波峰波谷延展而成，反映到冲压成形过程表现为材料不同区域摩擦和润滑特性的动态变化，其中从图2(a)、图2(b)可以看到铝合金表面有无涂油(浅蓝色)表现为不同的表面特性，图2(c)为QT7700 拉延模具材质表面粗糙度Ra0.8μm 摩擦和润滑特性，其中峰值(红色 区域)摩擦系数最大。
图2 接触表面摩擦特性可视化
由于铝合金材质相对较软，零件拉延过程材料流动量大，并且铝合金冲压摩擦与润滑的工艺窗口窄，采用动态摩擦模型，更容易发现零件超过成形极限而出现过度减薄甚至开裂的现象。为了对标冲压CAE 分析和冲压现场的一致性，CAE 分析模面和工艺参数与现场冲压模具一致，图3 为厢盖外板拉延工艺模面，图4 为厢盖外板板料尺寸。其中库仑摩擦系数设置为0.15，动态摩擦设置为：TF-Aluminium AA6xxx-Drawing Oil-Cast Iron、材料表面粗糙度为Ra0.42μm、润滑油含量0.85g/m2(透明蓝色)、模具表面粗糙度Ra0.8μm(表面抛光)。其他冲压工艺参数均保持一致。将两种不同摩擦和润滑条件下的SIM 文件进行求解计算。
图3 厢盖外板拉延工艺模面
图4 厢盖外板板料尺寸
模拟结果评判
对不同摩擦和润滑条件下厢盖外板拉延模拟结果进行分析评判，主要关注零件拉延过程中材料流动量、局部减薄、起皱叠料及回弹量。模拟分析结果汇总包括不同摩擦和润滑条件下厢盖外板FLD 云图(图5)，不同摩擦和润滑条件下厢盖外板主应变云图(图6)，不同摩擦和润滑条件下厢盖外板材料流动量(图7)，不同摩擦和润滑条件下厢盖外板回弹量(图8)及不同摩擦和润滑条件下厢盖外板模拟分析结果汇总见表4。
表4 不同摩擦和润滑条件下厢盖外板模拟分析结果汇总表
图5 不同摩擦和润滑条件下厢盖外板FLD 云图
图6 不同摩擦和润滑条件下厢盖外板主应变云图
图7 不同摩擦和润滑条件下厢盖外板材料流动量
图8 不同摩擦和润滑条件下厢盖外板回弹量
厢盖外板模拟结果评判如下：
⑴对不同摩擦和润滑条件下厢盖外板FLD 云图的结果对比可以得出，厢盖外板在恒定摩擦系数下拉延工序的拉深不充分区域(灰色)占比高出动态摩擦模型分析条件7.59%，这表明动态摩擦模型分析条件下的拉深不充分区域更少，零件的拉延拉深更充分，零件的刚度更好。
⑵一般对于外板外观A 面区域要求主应变在0.02 ～0.04 之间，对比不同摩擦和润滑条件下厢盖外板主应变云图中圆圈内的主应变数值分布可以得出，动态摩擦模型分析条件下零件对应网格节点的主应变值要大于恒定摩擦系数的结果，且主应变值大于0.02 的区域更多，在零件范围分布更加均匀，主应变值与FLD 图的结果保持一致。
⑶对比不同摩擦和润滑条件下厢盖外板材料流动量数值可知，两者的材料流动趋势一致，差值为4.71mm，动态摩擦模型分析条件下的材料流动量更小，这是由于在压料力一致的前提下，动态摩擦模型考虑了接触压力、速度、应变和温度等因素，拉延成形过程反映出更大的材料流动阻力，材料流动量减小。
⑷通过对比图8 不同摩擦和润滑条件下厢盖外板回弹量，两种润滑条件的回弹趋势一致，其中最大正回弹量差值为-0.828mm，最大负回弹量差值为-1.505mm，动态摩擦模型分析条件下的回弹量绝对值更大。冲压成形过程高接触力、温度变化、润滑油量的不均匀都是增加回弹量的因素，所以使用恒定摩擦系数存在局限性。
结束语
在当下全球制造业竞争越发激烈的时代大背景下，汽车车身材质高频升级迭代，动态摩擦模型同样需要推陈出新，紧扣工业生产。针对不同材料、不同润滑涂层及模具表面特性的数据还需要不断地收集和验证真实3D 表面测量数据，建立与生产实际材料相匹配的动态摩擦模型，可以更准确地预测板料在成形过程中起皱产生的区域、材料边缘流动量、最大失效区域等，有利于识别可制造性风险，提高最终产品质量、批量稳定性和生产效率。总之，在CAE 分析上采用动态摩擦模型相对于传统的恒定库伦摩擦是质的飞跃，不断完善的动态摩擦模型数据库可以提高CAE分析精度，在冲压零件同步开发阶段做到与冲压现场状态真实对标，为企业数字化制造转型加速。
