汽車B柱加強(qiáng)板成形分析

現(xiàn)代汽車零部件結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜多樣化,質(zhì)量要求也相應(yīng)提高,機(jī)械沖壓成形問題也隨之更加復(fù)雜。 高強(qiáng)度鋼擁有抗碰撞性能好,耐腐蝕能力強(qiáng)的特點(diǎn),但由于其力學(xué)性能與普通低碳鋼有較大差異,因此零件在成形時,易產(chǎn)生起皺、破 裂、回彈等相關(guān)缺陷。傳統(tǒng)生產(chǎn)方法中,試制模具然后對沖壓條件進(jìn)行反復(fù)修正,不僅模具制造周期長、成本高,而且產(chǎn)品質(zhì)量亦無法完全保證。隨著 CAE 技術(shù)的不斷進(jìn)步,更多企業(yè)在產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)方案的可行性驗(yàn)證中利用了 CAE 模擬軟件。有限元模擬仿真不僅能分析成形缺陷、優(yōu)化工藝參數(shù),還能指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn),因此在成形加工中發(fā)揮著十分重要的作用 。 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時,毛坯計(jì)算、成形性分析和工藝方案優(yōu)化都可以用 CAE 分析來完成, CAE 已成為了提高模具設(shè)計(jì)水平的關(guān)鍵技術(shù)。

汽車立柱加強(qiáng)板在加工成形過程中,需經(jīng)過落料、拉延、修邊、沖孔等多道工序,其中拉延為小應(yīng)變大變形,涉及材料非線性、幾何非線性及邊界接觸非線性問題,是該零件成形的難點(diǎn)。 

1 工藝分析及模擬 

1. 1 零件工藝分析 

汽車 B 柱在車身中不僅要保證在承受一定撞擊時,不能過多地侵入乘員艙空間,并保證前車門在碰撞后仍能正常開啟,同時也需要有足夠的剛度和 強(qiáng)度,以滿足作為前車門鎖扣、后車門鉸鏈和前排安 全帶卷收器的安裝部位的使用要求。典型的汽車 B 柱一般由 B 柱外板、B 柱加強(qiáng)板(也稱 B 柱內(nèi)板)焊接組合而成。其中,B 柱加強(qiáng)板承擔(dān)著更多的抗撞擊變形和安裝點(diǎn)耐久要求,在材料設(shè)計(jì)上通常使用 高強(qiáng)鋼,并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要和 B 柱外板組成一定截面的空腔體,才能滿足日益苛刻的碰撞和耐久要求。文中所建模型是目前各主機(jī)廠主流設(shè)計(jì)的汽車 B 柱內(nèi)板結(jié)構(gòu)形式,有很強(qiáng)的典型性,但又不局限于某 個具體車型,其研究具備一定的代表性和較強(qiáng)的參 考價值。如圖 1 所示汽車 B 柱加強(qiáng)板的三維模型,其所用鋼板材料厚 度為 1. 8 mm,材質(zhì)為上海寶鋼生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼 DP590。由圖 1 可知,B 柱形狀較為復(fù)雜,主要采用拉延 工藝。在拉延成形中,金屬坯料上的成形情況由于 復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)而變得難以預(yù)測,容易導(dǎo)致起皺或 者產(chǎn)生破裂,所以在成形過程中,如何使材料流動均 勻以提高工件質(zhì)量是難點(diǎn)。由工件形狀可知,兩端頭的臺階深度較深,中間凸臺較高,形狀變化劇烈, 成形時容易開裂,并且其一端有大平面存在,成形時 容易起皺。在工藝設(shè)計(jì)中,最為關(guān)鍵的是壓料面的位置及形狀,壓料面的位置決定了各部位拉延深度, 而壓料面的傾角、曲面構(gòu)成及平滑度決定了材料的 塑性流動情況。根據(jù)該 B 柱兩側(cè)切邊位置在法蘭 上的工藝要求,選擇壓料面位置和法蘭一致。由于零件臺階處拉延深度較深,臺階分布在產(chǎn)品內(nèi)側(cè),造 成了進(jìn)料困難,所以需添加工藝補(bǔ)充面。另外為了 避免拉深開裂,需采用大圓弧過渡。坯料如圖 2 所 示。沖壓方向繞 X 軸轉(zhuǎn) 10毅,直接以法蘭邊作壓料 面,分模線如圖 3 所示。

1. 2 有限元建模 

該 B 柱 材 料 采 用 上 海 寶 鋼 生 產(chǎn) 的 HC340 / 590DP 高強(qiáng)度鋼, 坯料厚度為 1. 8 mm。HC340 / 590DP 鋼的化學(xué)成分(熔煉分析)中:C臆0. 15%,Mn臆 2. 50%,P臆0. 040% ,Si臆0. 60% ,S臆0. 015% ,Al逸 0. 010% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))。其材料性能參數(shù)為:屈服強(qiáng) 度為 410 MPa, 抗 拉 強(qiáng) 度 為 590 MPa, 屈 強(qiáng) 比 為 0. 695,伸長率 啄 = 22. 4% ,塑性應(yīng)變比 r = 1. 02,應(yīng)變硬化指數(shù) n = 0. 154。材料的塑性變形為平面內(nèi)各 向同性,厚度方向上各向異性。在選擇好材料模型后,設(shè)置設(shè)備類型為單動沖壓方式。零件網(wǎng)格劃分好之后,對網(wǎng)格進(jìn)行檢查修補(bǔ)。相關(guān)模擬參數(shù)設(shè)置為: Blank Holding Force : 100 (Ton), Blank Holding Stroke : 80 (mm), Friction Coefficient : 0. 15。 

1. 3 有限元模擬 

根據(jù)有限元分析,合理的模面設(shè)計(jì)可以保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性,另外通過優(yōu)化坯料尺寸及拉延筋 數(shù)量和位置布置,可以保證零件的成形性。模擬過程如圖 4 所示。 

2 結(jié)果分析 

總體模擬結(jié)果如圖 5 所示。成形效果與主要預(yù) 測的成形問題如圖 6 所示。該模擬存在局部變薄, 存在嚴(yán)重開裂危險(xiǎn)的問題,見圖 7,其中圖 7a,c 為 局部結(jié)構(gòu)示意圖,圖 7b,d 為對應(yīng)的危險(xiǎn)區(qū)域放大云圖。由成形性分析結(jié)果來看,存在局部開裂和起皺 的問題,局部開裂區(qū)域?yàn)榘寄５耐咕壊糠趾椭北谔? 凸緣圓角區(qū)域的材料流動困難,而直壁部分由于有 較大的拉應(yīng)力,所以容易在該區(qū)域?qū)е吕选Ｆ鸢檯^(qū)域處于凹模頂部與平面部分的連接處,板料變形 過程中,徑向拉伸,切向壓縮,而且切向變形大于徑 向變形,故產(chǎn)生起皺。對危險(xiǎn)區(qū)域的壁厚分布進(jìn)行 測量,發(fā)現(xiàn)最大減薄量的點(diǎn) 的減薄率均超過了30% 。 

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),當(dāng)壁厚減薄量小于 30% ,壁 厚增厚小于 5% ,都是安全可行的,所以要通過局部 的工藝改進(jìn)來消除和調(diào)整。主要失穩(wěn)區(qū)域如圖 8 所 示。圖 8 所示的兩側(cè)壁拔模角度太小,成形時容易開裂且很難做回彈。為了解決此問題,將拔模角度修改至 7度以上, 同時加大凹?？趫A角,經(jīng)重新模擬分析后滿足成形要求。這說明凸凹模間隙對加強(qiáng)板局部最小厚度有 較大的影響,凸凹模間隙越小,則拉深后的加強(qiáng)板局 部厚度越小,并且越容易引起工件破裂。按產(chǎn)品修 改方案經(jīng)重新修模及試制,產(chǎn)品可成功制出,表明修 改方案合理,目前已成功進(jìn)行生產(chǎn)。 

3 結(jié)論 

通過 AutoForm 軟件的板料仿真技術(shù),對采用 590DP 高強(qiáng)鋼的典型汽車 B 柱加強(qiáng)板的沖壓工藝 進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,預(yù)測了板料成形過程中可能 存在的起皺、開裂等問題。分析得出,為了保證拉延深度及材料充分變形,需根據(jù)零件特點(diǎn)來確定合適 的壓料面,對于容易出現(xiàn)起皺和破裂的區(qū)域,要加大拔模角度。另外凸凹模間隙對加強(qiáng)板局部最小厚度 有較大的影響,凸凹模間隙越小,則拉深后的加強(qiáng)板局部厚度越小,并且越容易引起工件破裂。從而可以在模具制造前及時地修改沖壓工藝方案,實(shí)現(xiàn)了 模具的設(shè)計(jì)及優(yōu)化,能有效地解決模擬后模具的形狀參數(shù)化調(diào)整的問題。

作者：姚毅， 孟正華，雷雨