關(guān)于高強(qiáng)汽車鋼控制臂沖壓成形工藝的研究

本文以某高強(qiáng)鋼汽車控制臂為研究對(duì)象，研究沖壓成形規(guī)律，采用Autoform軟件進(jìn)行沖壓成形過(guò)程仿真模擬，優(yōu)化沖壓成形工藝。

控制臂結(jié)構(gòu)分析

本文中汽車下控制臂的材料采用HDT780C高強(qiáng)鋼，材料厚度為3.2 mm，屈服強(qiáng)度680～830 MPa，抗拉強(qiáng)度大于780 MPa，伸長(zhǎng)率大于10%，零件三維幾何形狀如圖1所示，整體結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，前后兩端開有豁口，兩側(cè)向上有翻邊，側(cè)壁有開孔，中心孔有向下翻邊，根據(jù)產(chǎn)品裝配要求，控制臂關(guān)鍵尺寸為：A-A/B-B/C-C開豁口兩側(cè)端面安裝孔處，尺寸公差要求±0.6 mm，平行度0.5 mm，兩側(cè)開孔同軸度0.6 mm。由于是車輛關(guān)鍵底盤件，根據(jù)控制臂使用要求，制件要求表面光滑平順，材料減薄率小于20%，不允許有皺紋、壓痕及拉傷，過(guò)渡圓角應(yīng)力集中，邊緣接口凹陷等缺陷。

圖1 汽車控制臂結(jié)構(gòu)

有限元模擬分析

2.1初始工藝方案確定

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了提高生產(chǎn)效率，盡可能縮減工序數(shù)量，降低生產(chǎn)成本，沖壓過(guò)程中不設(shè)置修邊工藝，輪廓形狀靠落料環(huán)節(jié)保證。由于控制臂頸部形狀較為復(fù)雜，材料塑性差，為避免控制臂頸部成形開裂，對(duì)頸部進(jìn)行分次拉深，設(shè)計(jì)沖壓成形工藝方案為：開卷落料拉延整形沖中心孔并修前后端豁口翻邊并整形沖法蘭區(qū)周緣四孔側(cè)沖孔并翻中心孔且在孔口處做倒角，如圖2所示。

圖2 沖壓成形工藝方案

2.2沖壓工藝參數(shù)確定

采用Autoform軟件進(jìn)行沖壓模擬仿真，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行修邊線回算，初步確定毛坯尺寸約為490 mm×307 mm(如圖3)，材料選取HDT 780C高強(qiáng)鋼，采用的網(wǎng)格模擬單元為彈塑性殼單元。

圖3 初始板料形狀

產(chǎn)品關(guān)鍵工序?yàn)槔硬糠?，工具體設(shè)置如圖4所示。因此主要考慮分析拉延工序中工藝參數(shù)的影響，在沖壓成形中，卸載后產(chǎn)品的回彈和最大減薄率是評(píng)價(jià)產(chǎn)品成形質(zhì)量的指標(biāo)，而材料本身的性能以及沖壓工藝參數(shù)(壓邊力、摩擦因數(shù)和沖壓速度等)決定了零件最終成形質(zhì)量，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)變速率對(duì)材料性能的變化影響不大，模具間隙的調(diào)整范圍有限，所以我們重點(diǎn)研究壓邊力和摩擦因數(shù)對(duì)于板料沖壓成形性能的影響。

圖4 拉延工具體

初步設(shè)置模具間隙為板料厚度t，沖壓速度為100 mm·s-1，壓邊力為600 kN，在0.10～0.16摩擦因數(shù)作用下板料減薄率和回彈的結(jié)果如圖5所示，可見，隨著摩擦因數(shù)從0.10增大到0.16，制件最大減薄率由11.6%增大到13.1%，最大正回彈從3.18 mm 降低到2.08 mm，最大負(fù)回彈從-2.89 mm降低到-1.96 mm。由于摩擦因數(shù)的增大，導(dǎo)致拉延過(guò)程中拉應(yīng)力增大，使發(fā)生塑性變形的區(qū)域增大，制件的最大減薄率增大，從而卸載后制件回彈值減小。在摩擦因數(shù)從0.14增大到0.16后，回彈值雖然減小，但是降幅明顯減小。因此考慮實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值和預(yù)防起皺開裂等因素，最佳摩擦因數(shù)選取為0.14。

圖5 摩擦因數(shù)對(duì)板料最大減薄率(a)和回彈(b)的影響

當(dāng)設(shè)置摩擦因數(shù)為0.14時(shí)，在600～1500 kN壓邊力作用下板料減薄率和回彈結(jié)果如圖6所示，隨著壓邊力從600 kN增大到1500kN，制件最大減薄率從11.8%增大到19.8%，最大正回彈從2.4 mm降低至1.96 mm，最大負(fù)回彈從-2.35mm降低至-1.88 mm。當(dāng)壓邊力較大時(shí)，加載過(guò)程中板料邊緣被壓緊，板料在成形過(guò)程中產(chǎn)生大量的塑性變形和拉應(yīng)力，卸載后，由于塑性變形區(qū)域較多，回彈值有所降低，提高了制件的沖壓尺寸精度，但同時(shí)由于壓邊力的增大，導(dǎo)致零件最大的減薄率提升，容易造成制件成形過(guò)程中的破裂。因此壓邊力最佳設(shè)置為900 kN，此時(shí)最大減薄率較低，回彈值也較小。

圖6 壓邊力對(duì)板料最大減薄率(a)和回彈(b)的影響

2.3仿真結(jié)果

摩擦因數(shù)為0.14，壓邊力為900kN時(shí)，控制臂的沖壓模擬成形性、減薄率及回彈結(jié)果如圖7所示。

圖7 CAE仿真結(jié)果

(a)成形性 (b)最大減薄率 (c)回彈

由仿真結(jié)果可知：控制臂成形效果良好，板料未發(fā)生開裂、頸縮現(xiàn)象。板料成形性處于安全區(qū)域內(nèi)，板料最大減薄率為12.7%(小于20%)，滿足要求。但是從回彈分布云圖結(jié)果可見，控制臂左側(cè)面最大正回彈為2.13 mm，最大負(fù)回彈為-2.00 mm。控制臂右側(cè)面最大正回彈為1.77 mm，最大負(fù)回彈為-1.94 mm。制件兩端開豁口處側(cè)面的回彈值較大，且左右對(duì)稱性較差，影響兩側(cè)安裝孔的同軸度，故需要對(duì)工藝方案進(jìn)行優(yōu)化。

工藝方案優(yōu)化

仿真模擬結(jié)果表明制件前后端開豁口處兩側(cè)尺寸精度較差，而定位的準(zhǔn)確性直接影響了制件沖壓過(guò)程中拉延的對(duì)稱性，對(duì)于初始方案，定位方式以前后端的定位孔為基準(zhǔn)，在沖壓過(guò)程中板料水平方向不穩(wěn)定，易導(dǎo)致拉延左右不對(duì)稱，同時(shí)考慮到板料為高強(qiáng)鋼，板料流動(dòng)過(guò)程中，定位銷易磨損，加大了生產(chǎn)成本，故改定位孔定位為開槽定位，配合板料形狀，拉延過(guò)程中板料的水平度更高，兩側(cè)拉延對(duì)稱性更好。在整個(gè)工藝流程中，先進(jìn)行前后端開豁口，后進(jìn)行兩側(cè)翻邊，在翻邊過(guò)程中，兩側(cè)端面會(huì)受到翻邊工藝的影響，兩端面相對(duì)位置難以控制，成形后豁口兩側(cè)尺寸精度較差，故改工藝流程為先進(jìn)行兩側(cè)翻邊，后進(jìn)行前后端開豁口，在翻邊過(guò)程中把控好控制臂兩側(cè)面尺寸精度，開豁口時(shí)由于模具刀具向下進(jìn)給，對(duì)兩側(cè)精度影響較小，并添加整形工序，使豁口兩側(cè)尺寸精度更高。另外在初始方案的頸部拉延過(guò)程中未發(fā)生起皺開裂現(xiàn)象，為減少拉延次數(shù)，縮短工藝時(shí)間，改為一次拉深成形。優(yōu)化后的工藝方案(圖8)為：落料(前后端開工藝槽)拉延整形并翻邊修兩端豁口整形法蘭區(qū)沖中心孔和法蘭區(qū)域孔側(cè)沖孔、翻中心孔并在中心孔處做圓角。

圖8 優(yōu)化方案工藝

基于優(yōu)化后的方案進(jìn)行仿真分析，其回彈結(jié)果如圖9所示，制件整體回彈云圖分布規(guī)律和優(yōu)化前相同，制件左側(cè)面最大正回彈為1.76 mm，最大負(fù)回彈為-0.66 mm；控制臂右側(cè)面最大正回彈為1.83 mm，最大負(fù)回彈為-0.67 mm。

圖9 工藝優(yōu)化后仿真回彈結(jié)果

(a)左側(cè)面 (b)右側(cè)面

對(duì)比初始方案與優(yōu)化方案的回彈數(shù)值(圖10)，工藝方案優(yōu)化后左側(cè)面最大正回彈由2.13 mm減小為1.76 mm，降低了17%，左側(cè)面最大負(fù)回彈由2.00 mm 減小為0.66 mm，降低了67%；右側(cè)面最大正回彈由1.77 mm增大為1.83 mm，提高了3%，右側(cè)面最大負(fù)回彈由1.94 mm減小為0.67 mm，降低了65%。工藝方案優(yōu)化后制件整體回彈值降低。初始方案仿真結(jié)果前端豁口兩側(cè)最大回彈值相差0.36mm，優(yōu)化后前端豁口側(cè)面最大回彈值相差0.07 mm，減少了0.29mm。初始方案仿真結(jié)果后端左右側(cè)面最大負(fù)回彈值相差0.06 mm，優(yōu)化后后端左右側(cè)面最大負(fù)回彈相差0.01 mm，減小了0.05 mm，工藝方案優(yōu)化后，制件左右拉延對(duì)稱性更好。仿真結(jié)果對(duì)比表明：工藝方案優(yōu)化后制件尺寸精度更高。

圖10 優(yōu)化方案前后回彈值對(duì)比

試驗(yàn)驗(yàn)證

基于優(yōu)化方案，對(duì)控制臂進(jìn)行試制，其中各工序?qū)?yīng)模具如圖11所示，模具設(shè)計(jì)采用一模兩件。

圖11 優(yōu)化方案對(duì)應(yīng)各工序模具結(jié)構(gòu)

沖壓試制結(jié)果如圖12所示，可見制件表面質(zhì)量良好，未發(fā)生開裂破損，成形效果良好，滿足試制要求。通過(guò)三維掃描對(duì)制件尺寸精度進(jìn)行檢測(cè)。主要檢測(cè)制件A-A、B-B和C-C這3處兩側(cè)端面尺寸精度(主要以沖孔附近處為主)。掃描相關(guān)數(shù)據(jù)如圖13所示，數(shù)據(jù)正負(fù)表示方向。

圖12 試制零件

圖13 試制件三維掃描圖

(a)制件左側(cè)沖孔附近 (b)制件右側(cè)沖孔附近

圖13表明，A-A左側(cè)端面沖孔附近選取14個(gè)數(shù)據(jù)，最大正彈值為0.14 mm，最大負(fù)回彈為-0.42 mm，A-A右側(cè)端面附近選取15個(gè)數(shù)據(jù)，最大正回彈為0.54 mm，最小正回彈為0.02 mm，均小于0.6 mm，A-A兩側(cè)端面尺寸精度滿足要求。

B-B左側(cè)端面開孔附近選取6個(gè)數(shù)據(jù)，最大正回彈為0.45 mm，最小正回彈為0.19 mm，B-B右側(cè)端面取5個(gè)數(shù)據(jù)，最大負(fù)回彈為-0.28 mm，最小負(fù)回彈為-0.02 mm，B-B兩側(cè)端面尺寸精度滿足要求。

C-C左側(cè)端面開孔附近選取6個(gè)數(shù)據(jù)，最大正回彈為0.53 mm，最小正回彈為0.19 mm，B-B右側(cè)端面取5個(gè)數(shù)據(jù)，最大負(fù)回彈為-0.41 mm，最小負(fù)回彈為-0.09 mm，B-B兩側(cè)端面尺寸精度滿足要求。

制件拉延對(duì)稱度主要影響兩側(cè)孔的同軸度，以通止規(guī)檢測(cè)兩側(cè)孔的同軸度，如圖14所示，可見通止規(guī)完全穿過(guò)兩側(cè)孔位，制件拉延對(duì)稱性較好，同軸度滿足要求。

圖14 同軸度檢測(cè)圖

對(duì)比有限元模擬結(jié)果與控制臂試制掃描云圖結(jié)果可見，工藝優(yōu)化后，前后端沖孔周緣區(qū)域回彈結(jié)果基本控制在±0.6 mm以內(nèi)，實(shí)際制件回彈結(jié)果與CAE仿真結(jié)果規(guī)律一致。零件整體的尺寸精度能夠滿足制造要求。

結(jié)論

(1)本文采用Autoform軟件模擬了HDT 780C高強(qiáng)鋼控制臂的沖壓過(guò)程，確定了沖壓工藝方案，并通過(guò)CAE模擬仿真分析，研究了工藝參數(shù)對(duì)板料成形性能的影響，選取合適的摩擦因數(shù)和壓邊力可以有效控制零件的最大減薄率和回彈，提高制件的成形質(zhì)量。

(2)根據(jù)仿真模擬結(jié)果，針對(duì)制件回彈值較大，豁口兩端拉延不對(duì)稱的問(wèn)題，優(yōu)化了控制臂沖壓的工藝方案，通過(guò)將定位方式由孔定位改為開槽定位，使沖壓過(guò)程中板料水平性更加穩(wěn)定，拉延對(duì)稱性更好，且避免由于板料強(qiáng)度較高導(dǎo)致定位銷磨損。通過(guò)優(yōu)化工藝順序，先翻邊后開前后端豁口，可以更好地控制前后端豁口兩端尺寸精度。

(3)優(yōu)化方案后的仿真結(jié)果表示，對(duì)于回彈值，優(yōu)化后左側(cè)面最大正回彈降低了17%，左側(cè)面最大負(fù)回彈降低了67%；右側(cè)面最大正回彈提高了3%，右側(cè)面最大負(fù)回彈降低了65%。對(duì)于拉延對(duì)稱性，方案優(yōu)化后前端左右側(cè)面最大回彈值減少了0.29 mm。后端左右側(cè)面最大負(fù)回彈值相差減小了0.05 mm。工藝方案優(yōu)化后整體回彈量更小，左右拉延對(duì)稱性更好，兩側(cè)安裝孔同軸度更高，制件尺寸精度更高。

(4)基于優(yōu)化后的工藝方案進(jìn)行控制臂沖壓試制，制件回彈結(jié)果與有限元仿真結(jié)果規(guī)律保持一致，制件掃描數(shù)據(jù)滿足產(chǎn)品精度要求。