冷沖壓汽車高強(qiáng)度縱梁開發(fā)實(shí)例

摘要

基于某MPV車型縱梁前段沖壓件模具設(shè)計(jì)制造實(shí)例, 利用計(jì)算機(jī)輔助有限元分析、沖壓件結(jié)構(gòu)與模面設(shè)計(jì)、基準(zhǔn)與公差設(shè)計(jì)等手段, 優(yōu)化縱梁工藝設(shè)計(jì)。將實(shí)物與理論分析相結(jié)合, 通過模具加工工藝的優(yōu)化、表面處理技術(shù)應(yīng)用及調(diào)試影響參數(shù)控制, 得到符合整車要求的縱梁前段。結(jié)果表明:型面回彈補(bǔ)償量為1.251.5倍的回彈值時(shí)可得到相對優(yōu)化的模面, 拉延中底面扭曲及側(cè)壁內(nèi)凹的控制可采用頂部壓料機(jī)構(gòu)及拉延檻;縱梁前段側(cè)壁設(shè)計(jì)特殊公差01.0 mm有利于裝配;采用淬火后精加工工藝及表面處理提前實(shí)施可減少模具反復(fù)的調(diào)試;原材料性能的波動(dòng)直接影響沖壓件穩(wěn)定性。

一、產(chǎn)品特征

該縱梁為MPV車型縱梁前段, 為左右件對稱設(shè)計(jì), 設(shè)計(jì)材質(zhì)為寶鋼B410LA, 屈服強(qiáng)度為410~560 MPa, 抗拉強(qiáng)度為590 MPa, 料厚為1.6 mm, 產(chǎn)品尺寸為2157 mm×250 mm×198 mm。
縱梁前段沖壓件造型如圖1所示, 該沖壓件主要特征是:在車身坐標(biāo)Y向呈S型, 同時(shí)在車身坐標(biāo)Z向有臺(tái)階, 側(cè)壁為縱梁加強(qiáng)板及車架橫梁焊接面, 法蘭面為前地板焊接面, 沖壓件底部和側(cè)面孔為安裝過孔。



圖1 縱梁前段(a) 示意圖 (b) 俯視圖 (c) 正視圖

二、工藝設(shè)計(jì)

1.拉延模面設(shè)計(jì)

模面設(shè)計(jì)整體采用開口拉延, 壓料面沿法蘭面展開, 豎直翻邊部分采用修邊后再翻邊工藝, 同時(shí)采用拉延檻工藝, 以控制拉延時(shí)板料流動(dòng)。對于造型劇烈變化區(qū)域使用上模局部壓料, 如圖2所示。



圖2 拉延模面(a) 俯視圖 (b) 側(cè)視圖

補(bǔ)充完整的模面需要借助有限元軟件CAE分析其成形性, 對分析產(chǎn)生的開裂和起皺問題 (圖3) 首先通過模面優(yōu)化解決, 提出產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更為備用方案, 產(chǎn)品的變更不能影響相關(guān)專業(yè)如焊裝、涂裝質(zhì)量。



圖3 CAE模擬的模面缺陷

使用有限元軟件分析時(shí), 回彈補(bǔ)償非常關(guān)鍵。模面的型面補(bǔ)償采用手動(dòng)補(bǔ)償, 即借助UG或CATIA軟件修改模面, 以解決自動(dòng)補(bǔ)償帶來的負(fù)角及塑性回彈補(bǔ)償缺失等缺陷。型面進(jìn)行回彈后進(jìn)行10次以上的“反算”, 通過軟件分析與現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn) (1.25~1.5 mm補(bǔ)償量) 相結(jié)合, 得到相對最優(yōu)的模面。
工藝內(nèi)容為OP10:拉延;OP20:修邊沖孔;OP30:翻邊整形;OP40:側(cè)整形;OP50:沖孔側(cè)沖孔。

1.基準(zhǔn)與公差設(shè)計(jì)

保證模具、夾具、檢具采用統(tǒng)一的定位基準(zhǔn), 盡可能與車身定位系統(tǒng)中的定位點(diǎn)保持一致?？v梁定位采用傳統(tǒng)3-2-1定位原則即兩孔+面的形式。根據(jù)工藝內(nèi)容, 在縱梁前段定位, 第1基準(zhǔn) (面) 比第2、第3基準(zhǔn) (孔) 對其定位穩(wěn)定性影響更大, 優(yōu)選考慮質(zhì)量容易保證的縱梁底面而非法蘭面作為第1基準(zhǔn)?？v梁底面為拉延1次成形到位, 一致性容易保證, 且除底面外, 單件檢具其他區(qū)域不設(shè)夾持點(diǎn), 如圖4所示, 目的在于減少檢測時(shí)附加變形。



圖4 檢具定位基準(zhǔn)

縱梁的搭接關(guān)系屬于典型的杯型件搭接, 如圖5所示。縱梁前段側(cè)壁設(shè)計(jì)正公差為0~1.0 mm, 其內(nèi)搭接件設(shè)計(jì)負(fù)公差為-1.0~0 mm;特殊公差從底部R角處開始, 涉及有搭接關(guān)系的整個(gè)側(cè)壁;特殊公差的補(bǔ)償值直接體現(xiàn)在模具的加工數(shù)據(jù)中, 最終加工的模面是基于回彈補(bǔ)償、特殊公差補(bǔ)償以及理論分析與實(shí)物差異補(bǔ)償合成的型面。



圖5 縱梁焊接面

三、模具加工與調(diào)試

1.模具加工

理論分析與實(shí)物差異的補(bǔ)償直接影響模具數(shù)控加工模型。為了減小理論與實(shí)際的差異造成的加工偏差, 采用非量產(chǎn)模具鋼 (45鋼) 加工出件, 根據(jù)出件狀態(tài), 使用三坐標(biāo)測量回彈值, 而進(jìn)行實(shí)物的反向補(bǔ)償。基于實(shí)物的反向補(bǔ)償一般需要至少3輪以上驗(yàn)證, 在出件狀態(tài)與理論分析基本吻合時(shí), 才對量產(chǎn)的模具材料 (SKD11等) 進(jìn)行加工。
將傳統(tǒng)加工工藝“粗加工精加工淬火”更改為“半精加工淬火精加工”, 目的是解決淬火后鑲塊變形造成型面偏差, 盡量減少回彈調(diào)整的反復(fù)。在拉延精加工之后, 不輕易調(diào)整拉延模型面, 以更好地控制底面扭曲。

2.表面處理

模具生產(chǎn)中, 板料流動(dòng)與模具凸模和壓料面摩擦, 在生產(chǎn)約200件時(shí)模具表面溫度升高明顯, 導(dǎo)致沖壓件表面產(chǎn)生拉毛缺陷。如不及時(shí)處理拉毛問題, 導(dǎo)致碎屑粘連在模具表面, 繼續(xù)生產(chǎn)會(huì)導(dǎo)致沖壓件開裂。
在模具批量生產(chǎn)前, 需要對模具表面進(jìn)行硬化處理, 如圖6所示, 常采用熔鹽滲金屬、滲釩等, 也稱TD覆層技術(shù)。通過熱擴(kuò)散作用于工件表面形成一層數(shù)微米級的碳化釩覆層, 增加模具表面耐磨、抗拉傷性能。
雖然表面處理形成的覆層是微米級別, 但表面處理前后的模具生產(chǎn)的沖壓件狀態(tài)也存在差異。表面處理工作安排在模具出廠前完成, 在模具進(jìn)入生產(chǎn)場地后的機(jī)床匹配性調(diào)試內(nèi)容主要是坯料尺寸、機(jī)床壓力和凸凹模及壓邊圈間隙的調(diào)整。表面處理后的模具表面不允許補(bǔ)焊。因此, 模具進(jìn)場后的調(diào)試主要通過側(cè)整形序模具調(diào)整, 目的在于減少拉延模具調(diào)試的反復(fù), 減少調(diào)試工作量。



圖6 模具表面處理區(qū)域(a) 壓邊圈 (b) 凸模

3.模具調(diào)試

(1)機(jī)床參數(shù)。模具進(jìn)廠前的調(diào)試參數(shù)確定, 模具首次上機(jī)床的機(jī)床參數(shù)根據(jù)CAE分析值設(shè)定。同時(shí)考慮坯料厚度偏差、原材料拉延過程減薄以及機(jī)床參數(shù)誤差等因素, 根據(jù)首件狀態(tài)對應(yīng)調(diào)整參數(shù)。通過機(jī)床參數(shù)調(diào)整無法提升沖壓件質(zhì)量時(shí), 對模具進(jìn)行整改。
模具進(jìn)廠后調(diào)試主要是機(jī)床匹配性驗(yàn)證, 參數(shù)一般按照進(jìn)廠前固化的數(shù)值設(shè)定。參數(shù)的調(diào)整是基于機(jī)床的差異性, 因此應(yīng)避免改變模具狀態(tài)。生產(chǎn)場地模具調(diào)試機(jī)床應(yīng)為量產(chǎn)時(shí)的生產(chǎn)機(jī)床, 一般情況下不允許變更。
(2)板材性能。高強(qiáng)度鋼板的屈服強(qiáng)度為一個(gè)范圍, 如B410l A屈服強(qiáng)度為410~560 MPa, 因此, 不同采購批次的板料性能可能存在很大差異, 導(dǎo)致沖壓件質(zhì)量波動(dòng)非常大。保證供貨源的穩(wěn)定性才能相對保證沖壓件質(zhì)量。
(3)模具整改。模具進(jìn)廠后的型面修改是不可避免的, 應(yīng)盡量通過調(diào)試整形模來實(shí)現(xiàn)調(diào)試目的, 拉延模型面的改動(dòng)對縱梁調(diào)試工作是顛覆性的。拉延模的調(diào)試主要是驗(yàn)證拉延件的一致性, 因拉延件屬于過程件, 其不能使用檢具檢測, 而采用游標(biāo)卡尺測量開口尺寸來判斷是否合格。
模具調(diào)試時(shí), 工序件存儲(chǔ)最好使用專用工位器具, 工序件之前不能有堆積, 如圖7所示, 目的是避免工序件堆積導(dǎo)致張口外張引起的測量數(shù)據(jù)失真, 而影響模具整改量的計(jì)算。



圖7 模具調(diào)試

沖壓件符合檢具后, 在焊裝白車身零件時(shí)仍會(huì)出現(xiàn)搭接間隙過大或搭接干涉等問題, 這是由公差累積、定位誤差導(dǎo)致的。因此, 在制件整改時(shí)還需重點(diǎn)關(guān)注法蘭面的相對偏差及搭接面的開口寬度。因當(dāng)前工藝水平限制而難以解決的問題, 應(yīng)綜合考慮工藝水平、開發(fā)周期、調(diào)試成本及對工裝的壽命等因素的影響, 必要時(shí)整改縱梁匹配件, 以保證白車身質(zhì)量為最終目的。

四、結(jié)論

(1)CAE分析的起皺、開裂等缺陷首選通過模面優(yōu)化解決, 提出產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更為備用方案, 產(chǎn)品的變更不能影響相關(guān)專業(yè)質(zhì)量。
(2)模面的型面補(bǔ)償采用手動(dòng)補(bǔ)償, 通過軟件分析與現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合, 可以得到相對最優(yōu)的模面。
(3)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)由各專業(yè)協(xié)同完成, 特殊公差的設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì), 可進(jìn)一步探索3D公差分析軟件的應(yīng)用, 使公差設(shè)計(jì)更合理。
(4)拉延模調(diào)試穩(wěn)定后再進(jìn)行后序側(cè)整形調(diào)整, 拉延模的表面處理在進(jìn)廠前完成, 模具進(jìn)廠后的調(diào)試主要通過側(cè)整形序模具調(diào)整。
(5)使用量產(chǎn)時(shí)的生產(chǎn)機(jī)床進(jìn)行模具調(diào)試、保證板料貨源穩(wěn)定及使用工位器具可有效保障模具調(diào)試工作的進(jìn)行。

作者：楚偉峰 崔禮春 趙烈偉 孫連福 來源：鍛壓技術(shù)