車門內(nèi)板沖壓成形工藝分析

汽車覆蓋件具有尺寸大、相對厚度小、形狀復雜等特點，決定了在沖壓成形中板料變形的復雜性，變形規(guī)律不易被掌握，不能定量地對主要工藝參數(shù)和模具參數(shù)進行計算，在工程實踐中還主要運用經(jīng)驗類比來進行沖壓工藝設計。

一、沖壓工藝制定

1.零件工藝分析

圖1所示為某轎車車門內(nèi)板零件圖，材料為St14，料厚0.8mm。從圖可以看出，該零件形狀復雜，高差較大，局部成形較多，板料的變形不是單純的拉延成形，而是存在一定程度的脹形變形，是典型的汽車覆蓋件。

圖1中的a和b處，由于窗框部分進行內(nèi)工藝補充后，形成了零件的反成形形狀，這部分形狀的成形一般不能靠外部材料進行補充，只能靠該部分板料的脹形成形來實現(xiàn)，脹形成形深度較深，a和b處大約有20mm左右，且轉(zhuǎn)角部R較小，因此在拉延成形過程中很容易出現(xiàn)破裂。在零件的c處，存在大約12mm高的臺階，此部分若在第一次拉延過程中直接成形，則壓料面可能有以下兩種分法：(1)將c部分作為壓邊面的一部分，即將分模線分在零件側(cè)壁圓角處，這樣由于臺階對板料的進料阻力較大，易導致零件在拉延過程中可能產(chǎn)生破裂;(2)將c部分作為凸模的一部分，即將分模線分在c部分外側(cè)的法蘭上，則在拉延過程中該區(qū)域的板料是懸空的，在徑向拉應力和切向壓應力的作用下，材料集中收縮到此處，可能導致零件的該部分起皺，甚至有迭料的可能。

由上面的工藝分析可知，該覆蓋件成形難度大，成形工藝較復雜。

2.工藝方案的制定

產(chǎn)品沖壓成形工藝的確定過程，就是分析和預測板料在變形過程中可能產(chǎn)生的缺陷，并采取一定的措施，以消除和防止沖壓缺陷，同時考慮制造能力、沖壓設備、投資成本等因素。根據(jù)本零件的工藝性和本身的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合實際生產(chǎn)情況，車門內(nèi)板的工藝過程如下：拉延+切角;二次拉延+切邊+沖孔;切邊+沖孔;側(cè)切+側(cè)沖孔翻孔+沖孔+整形;整形+沖孔。

(1)拉延工序工藝方案的制定

拉延工序是覆蓋件沖壓成形的關鍵工序，覆蓋件的大部分形狀是在此工序形成的，拉延成形的好壞將直接影響覆蓋件質(zhì)量。該工序一方面將成形出零件的大部分形狀，同時在拉延過程中還將對坯料進行切角，減少落料模具，降低成本。結(jié)合零件的工藝性，在拉延工序中對零件的某些部分作如下處理：

◎在零件的a和b處可采取以下方式來消除破裂：第一方案，增大a和b處的相應模具圓角，以減小材料流動阻力，后工序再對相應部分作整形;第二方案，利用在窗框的適當部位沖切工藝切口的方法，使容易破裂的區(qū)域從相鄰區(qū)域里得到材料補充，從而改善該區(qū)域的變形情況，避免破裂的產(chǎn)生。

◎在零件的C處，為了避免一次拉延可能產(chǎn)生的缺陷，考慮作二次拉延，從而降低第一次拉延的難度，如圖2中的局部視圖F所示。

拉延工序工藝的制定包括拉深方向的選擇、工藝補充和壓料面的設計等。選擇合理的拉延方向應考慮以下原則：(1)保證能將拉延件的全部空間形狀一次拉出來，不產(chǎn)生負角;(2)盡量使拉深深度淺且均勻;(3)保證凸模有良好的接觸狀態(tài);(4)有利于防止表面缺陷;(5)同時要考慮后工序內(nèi)容和模具結(jié)構(gòu)。綜上所述，結(jié)合車門內(nèi)板本身特點，拉延工序的沖壓方向如圖2所示。

合理的壓料面形狀應遵循以下幾個主要設計原則：(1)壓料面的形狀應盡量簡單;(2)在拉延過程中壓料面任一斷面的展開長度要小于拉延件內(nèi)部相應斷面的長度;(3)壓料面應使成形深度小且各部分深度接近一致。結(jié)合本零件的特點，壓料面沿零件四周的變化趨勢順延成曲面，如圖2所示。

在進行工藝補充時，應主要考慮以下幾個原則：(1)盡量簡化拉延件結(jié)構(gòu)形狀;(2)工藝補充部分盡量小，以提高材料利用率，降低成本;(3)對后工序有利原則，如定位、修邊等。根據(jù)以上原則，結(jié)合本零件的本身特點，工藝補充簡圖如圖2所示。如局部視圖F所示，為了降低拉延的難度，避免拉延過程中產(chǎn)生缺陷，將如圖1的C部分分兩次成形。由于后工序全部有沖孔動作，出于模具結(jié)構(gòu)簡單化的目的考慮，窗框型面部分采用向下整形，并保證合適的切邊角度，窗框型面部分的工藝補充如圖2的局部視圖I所示，并將側(cè)壁作了8°的拔模角,如局部視圖E所示。其余部分順著產(chǎn)品延伸出來。

(2)其余工序工藝方案

該覆蓋件部分孔和其他大部分孔的方向相差約10°，并且考慮到窗框型面弧度變化，第一工序和第二工序的沖壓方向相同，后工序沖壓方向與之相差10度，現(xiàn)將后工序進行簡單介紹。

工序二，二次拉延+切邊+沖孔，如圖3a所示，該工序?qū)θ鐖D1所示的C部分進行二次拉延，局部區(qū)域進行整形，切邊時考慮了窗框內(nèi)廢料較大，將其分三塊切掉，出于模具結(jié)構(gòu)強度的原因本工序切出兩端的兩塊。

工序三：切邊+沖孔，如圖3b所示，將余下全周進行切邊，同時沖出部分孔。

工序四：側(cè)切+側(cè)沖孔翻孔+沖孔+整形，如圖3c所示，窗框內(nèi)邊整形，側(cè)向門鎖安裝孔在此工序全部完成，如SECA-A所示，此部分內(nèi)容的完成也是模具結(jié)構(gòu)的難點，采用雙動斜楔機構(gòu)。

工序五：整形+沖孔，如圖3d所示,全周法蘭邊整形，沖切余下孔，因為零件的法蘭邊要與外板進行扣合，法蘭邊的平展度將直接影響扣合的質(zhì)量，故在此工序安排了法蘭邊全周的整形。

二、基于DYNAFORM 的數(shù)值模擬技術

在數(shù)值模擬過程中，模具、板料等各部件模型被離散化，分為有限個單元，單元用節(jié)點連接，單元之問的作用由節(jié)點傳遞，并根據(jù)彈塑性及相關理論建立物理方程，通過計算機按照特定算法，求解出各單元成形后的應力及應變等狀態(tài)，然后建立計算結(jié)果的仿真模型，反映板料在成形后的拉裂、起皺等現(xiàn)象及應力應變等情況。

在DYNAFORM的實際應用中，計算結(jié)果的仿真模型是確定合理的工藝參數(shù)，指導模具設計的依據(jù)。因此，計算結(jié)果的準確性是數(shù)值模擬技術的首要問題。而計算結(jié)果的準確性主要是由有限元模型的準確性決定的。有限元建模過程包括選擇適當?shù)木W(wǎng)格單元對幾何模型進行離散化，以獲得有限元網(wǎng)格模型;以合理的方式獲得仿真分析中準確的材料參數(shù)、摩擦潤滑參數(shù)、工藝條件和各種約束條件等，建立一個可直接用于仿真計算的完整有限元模型其中，有限元網(wǎng)格質(zhì)量是決定計算效率和計算精度的主要因素。網(wǎng)格單元小則結(jié)果精確，但單元數(shù)目越多計算量越大，浪費計算時間;網(wǎng)格尺寸大則計算量小，但誤差較大，不能真實反映模型特征。在實際應用中，根據(jù)模具與板料在數(shù)值模擬中的不同特點，板料網(wǎng)格尺寸的大小應在滿足精度要求的前提下盡量大，并盡可能采用自適應網(wǎng)格劃分。

三、車門內(nèi)板拉延數(shù)值模擬

將各單元集分別定義為凹、凸模、板料和壓邊圈。設置好模具、板料和壓邊圈之間的相對位置，并定義它們之間的接觸類型、參數(shù)和運動曲線，設置必要的工藝參數(shù)。

分析材料厚度為0.8mm,考慮到材料利用，坯料設計為平行四邊形，如圖2所示。材料選用材料庫中的St14，其彈性模量E=2.07×105MPa，泊松比為0.28，屈服強度σ=165MPa，各向異性指數(shù)r-0=1.87，各向異性指數(shù)r-45=1.27，各向異性指數(shù)r-90：2.17，硬化指數(shù)n=0.2,摩擦系數(shù)為0.125，壓邊力為80t。

分析所得成形極限圖如圖5所示，由圖可以看出零件拉延成形比較充分，零件部分無明顯的起皺，但在窗框部分由于脹形成形深度較深而出現(xiàn)了破裂，即如圖1的a和b處，在生產(chǎn)中可通過增大模具相應圓角和沖切工藝切口的方法來消除。在試模過程中，為了降低成本，應優(yōu)先考慮方案一，即通過增大模具圓角來消除破裂。