某高強(qiáng)鋼汽車(chē)控制臂沖壓成形工藝研究
摘 要:以高強(qiáng)鋼汽車(chē)控制臂為研究對(duì)象,根據(jù)制件的材料強(qiáng)度高、幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成形困難的特點(diǎn),制定多道次沖壓工藝方案,采用Autoform軟件分析沖壓成形過(guò)程,研究沖壓成形工藝參數(shù)對(duì)零件最大減薄率和回彈的影響,結(jié)果表明:壓邊力越大,板料的最大減薄率越高;一定范圍內(nèi),增大壓邊力可以減小回彈;摩擦因數(shù)越大,板料的最大減薄率越高;一定范圍內(nèi),增大摩擦因數(shù)可以減小回彈。針對(duì)加工過(guò)程中回彈較大、拉延不對(duì)稱(chēng)的問(wèn)題,對(duì)沖壓工藝方案進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,最終有效減小了零件的回彈,控制了沖壓件尺寸精度,采用CAE模擬優(yōu)化了沖壓成形工藝方案,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化后的工藝方案,試驗(yàn)結(jié)果與CAE仿真結(jié)果一致,成形質(zhì)量達(dá)到產(chǎn)品要求。
關(guān)鍵詞:高強(qiáng)鋼;沖壓成形;工藝參數(shù);工藝方案優(yōu)化;回彈
0 引言
控制臂是轎車(chē)關(guān)鍵底盤(pán)件之一,是汽車(chē)懸掛系統(tǒng)上非常重要的承力構(gòu)件,其幾何形狀復(fù)雜[1],主要作用是連接后輪和支撐汽車(chē)車(chē)身,用于控制后輪轉(zhuǎn)向,緩沖汽車(chē)行駛中的震動(dòng),其力學(xué)性能和尺寸精度直接影響汽車(chē)平穩(wěn)性和安全可靠性[2]??刂票壑饕筛邚?qiáng)鋼成形[3-5]。由于控制臂幾何形狀復(fù)雜、材料強(qiáng)度高、塑性差以及回彈大,導(dǎo)致沖壓成形難度大。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者分別對(duì)高強(qiáng)鋼板材沖壓成形性能進(jìn)行了研究,丁海濤[6]通過(guò)優(yōu)化沖壓件結(jié)構(gòu),調(diào)整模具圓角,減小成形過(guò)程中材料流動(dòng)的阻力,改善了制件的成形性能。湯云翔等[7]發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)算復(fù)雜沖壓件拉延回彈的關(guān)鍵仿真技術(shù)在于合理設(shè)置壓邊間隙和壓邊力,以及采用合理的材料本構(gòu)模型。任魏巍等[8]針對(duì)高強(qiáng)度鋼板材料沖壓性能的波動(dòng)對(duì)沖壓成形后零件精度的影響較大的問(wèn)題,研究了高強(qiáng)度鋼板的屈服強(qiáng)度、應(yīng)變硬化指數(shù)、摩擦系數(shù)及板料厚度波動(dòng)對(duì)零件扭曲回彈的影響規(guī)律,提出了材料性能參數(shù)優(yōu)化選取原則。尤晉等[9]對(duì)零件成形工藝進(jìn)行分析,利用Dynaform軟件研究了壓邊力、摩擦因素、模具間隙和沖壓速度對(duì)最大減薄率的影響規(guī)律,通過(guò)確定的最佳工藝參數(shù)有效減小了板料最大減薄率。黃輝瓊等[10]為解決某汽車(chē)縱梁沖壓成形過(guò)程中存在的破裂、起皺和回彈等缺陷,提出了基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬、克里金模型和遺傳算法相結(jié)合的優(yōu)化策略。試驗(yàn)結(jié)果表明,沖壓成形過(guò)程中壓邊力和模具間隙對(duì)沖壓零件的最大回彈有顯著性影響。
綜上,利用CAE分析從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)鋼材料性能[8]、成形工藝關(guān)鍵參數(shù)[11-12]與模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[13-15]等方面對(duì)汽車(chē)構(gòu)件進(jìn)行成形仿真分析,并通過(guò)優(yōu)化關(guān)鍵沖壓工藝參數(shù)和工藝方案,可以有效提高板材的成形質(zhì)量,減少零件前期研發(fā)的時(shí)間。
本文以某高強(qiáng)鋼汽車(chē)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。
01 控制臂結(jié)構(gòu)分析
本文中汽車(chē)下控制臂的材料采用HDT 780C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(chēng),前后兩端開(kāi)有豁口,兩側(cè)向上有翻邊,側(cè)壁有開(kāi)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(kāi)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(kāi)孔同軸度0.6 mm。由于是車(chē)輛關(guān)鍵底盤(pán)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(chē)控制臂結(jié)構(gòu)
02 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(kāi)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(kāi)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(xiàn)回算,初步確定毛坯尺寸約為490 mm×307 mm(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,故本文重點(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(jiàn),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(kāi)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1500 kN,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900 kN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(kāi)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(mǎn)足要求。但是從回彈分布云圖結(jié)果可見(jiàn),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??刂票塾覀?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(kāi)豁口處側(cè)面的回彈值較大,且左右對(duì)稱(chēng)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。
03 工藝方案優(yōu)化
仿真模擬結(jié)果表明制件前后端開(kāi)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(chēng)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(chēng),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(xiāo)易磨損,加大了生產(chǎn)成本,故改定位孔定位為開(kāi)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(chēng)性更好。在整個(gè)工藝流程中,先進(jìn)行前后端開(kāi)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(kāi)豁口,在翻邊過(guò)程中把控好控制臂兩側(cè)面尺寸精度,開(kāi)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(kāi)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(kāi)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0.36 mm,優(yōu)化后前端豁口側(cè)面最大回彈值相差0.07 mm,減少了0.29 mm。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(chēng)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
04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(jiàn)制件表面質(zhì)量良好,未發(fā)生開(kāi)裂破損,成形效果良好,滿(mǎn)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(mǎn)足要求。
B-B左側(cè)端面開(kāi)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(mǎn)足要求。
C-C左側(cè)端面開(kāi)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(mǎn)足要求。
制件拉延對(duì)稱(chēng)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(jiàn)通止規(guī)完全穿過(guò)兩側(cè)孔位,制件拉延對(duì)稱(chēng)性較好,同軸度滿(mǎn)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(jiàn),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?xún)?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(mǎn)足制造要求。
05 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(chēng)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(kāi)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(chēng)性更好,且避免由于板料強(qiáng)度較高導(dǎo)致定位銷(xiāo)磨損。通過(guò)優(yōu)化工藝順序,先翻邊后開(kāi)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(chēng)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(chēng)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(mǎn)足產(chǎn)品精度要求。
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