前圍沖壓工藝設(shè)計(jì)及成形分析

汽車車身由許多輪廓尺寸較大且具有空間曲面 的覆蓋件焊接而成,因此對(duì)覆蓋件的表面質(zhì)量和尺 寸精度有較高要求,如輪線清晰,無(wú)皺紋、劃傷、拉毛 等表面缺陷。覆蓋件的成形過(guò)程復(fù)雜,需要考慮多方面因素,依靠經(jīng)驗(yàn)和多次的試?？梢詫?duì)覆蓋件的 成形性進(jìn)行物理驗(yàn)證,而 CAE 仿真的誕生為沖壓成 形的評(píng)估提供了量的概念 。板料成形仿真使工 藝人員可以在生產(chǎn)前期階段,預(yù)見(jiàn)成形中可能出現(xiàn) 的缺陷,如起皺、開裂等,確定成形所需技術(shù)參數(shù),驗(yàn)證并優(yōu)化模具結(jié)構(gòu) 。

在前圍外板的制造過(guò)程中,需經(jīng)過(guò)拉延、修邊、 沖孔、翻邊及整形等多步工序才能完成,但制件質(zhì)量的好壞在很大程度上受拉延質(zhì)量的控制,它決定了 后期修邊、翻邊、沖孔和整形等工序的內(nèi)容及狀態(tài)。文中針對(duì)前圍外板,研究了復(fù)雜型面拉深模具的型面設(shè)計(jì),用 AUTOFORM 軟件對(duì)其成形過(guò)程進(jìn)行模擬,根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)拉延型面及工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化, 以消除成形過(guò)程中的暗傷開裂問(wèn)題,減少模具調(diào)試時(shí)間,提高效率。

1 零件工藝性分析

前圍外板的二維模型如圖 1 所示,該零件的材 料為 SPCE,料厚為 0. 8 mm,外形尺寸為 1477x398x34 mm,主型面曲率較大,型面較為復(fù)雜, 因此,要獲得合格的沖壓件,必須設(shè)置合理的沖壓方 向、壓料面、工藝補(bǔ)充面和拉延筋等工藝參數(shù)。特別是零件中間位置的型面很平緩,可能產(chǎn)生成形時(shí)變 形量不夠,成形后易回彈,需進(jìn)行充分的塑性變形, 控制其回彈。

根據(jù)覆蓋件成形的工藝要求,拉深方向和壓料 面設(shè)計(jì)原則及后續(xù)工序成形等因素,對(duì)零件的工藝 補(bǔ)充部分進(jìn)行設(shè)計(jì) 。圖 2A 所示型面為車身外觀分縫位置,面品質(zhì) 量要求高(A 面),拉延補(bǔ)充設(shè)計(jì)時(shí)采用輪廓過(guò)拉 延,即沿翻邊線向外順延2 ~ 5 mm(如拉延棱線和整 形棱線完全重合,會(huì)造成制件表面產(chǎn)生一條棱線), 這樣做還可以把拉延 R 角放大,使材料塑性變形更 充分,對(duì)拉延成形更有利;圖 3B 所示位置無(wú)法實(shí)現(xiàn) 一次修邊,且需要側(cè)修邊機(jī)構(gòu),因此調(diào)整圖示位置分 模線,實(shí)現(xiàn)一次垂直修邊,后續(xù)整形工序整形至制件 要求;增加隨型壓料面并保證和零件實(shí)體之間有良 好過(guò)渡,適中的圓角和曲面光順,以保證拉深的順利 成行,完成后的工藝數(shù)模如圖 3 所示。

2 參數(shù)設(shè)定與有限元建模

2. 1 參數(shù)設(shè)定

汽車門檻內(nèi)板件的材料為 SPCE,坯料尺寸為 1690 mm伊655 mm伊0. 8 mm,其材料的物理性能見(jiàn)表 1。采用 Hill 屈服模型,在平面應(yīng)力狀態(tài)下,Hill 屈 服準(zhǔn)則可表示為:

式中:圖片為沿軋制方向的等效應(yīng)力;x,y 分別表示板材軋制方向和橫向;

r 為各向異性系數(shù)平均值。

2. 2 有限元建模

有限元模型如圖 4 所示,模具采用倒裝結(jié)構(gòu),凸模、凹模、壓邊圈選為剛性材料,模具運(yùn)動(dòng)類型為 single action,自適應(yīng)網(wǎng)格重劃次數(shù)為 4,時(shí)間步為 15,板料單元厚向積分點(diǎn)數(shù)為 6。板料采用等向強(qiáng)化模型,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為:

式中:k 為與材料有關(guān)的常數(shù)( k>0);n 為硬化系數(shù);圖片 為y方向應(yīng)力;圖片為 y 方向塑性應(yīng)變;圖片為等效塑性應(yīng)變。

汽車覆蓋件拉延成形中,一般采用拉延筋或 拉延檻。拉延筋增加了壓料面上各位置的進(jìn)料阻 力,控制材料的流動(dòng)方向,調(diào)節(jié)材料流入量,大大 改善零件的拉深條件。參考文獻(xiàn)[16—20]拉延筋 設(shè)計(jì)原則,考慮到 CAE 分析的計(jì)算時(shí)間,在初次計(jì) 算時(shí),使用等效拉延筋代替實(shí)體筋,待得到初次 CAE 結(jié)果后,再作針對(duì)性調(diào)整。等效拉延筋如圖 5 所示。

3 模擬結(jié)果及分析

模擬結(jié)果(FLD 圖)如圖 6 所示,從 FLD 圖中可 以看出,拉延型面零件部分變形充分,但圖 A 處的 變薄率達(dá) 21% ,FLD 存于臨界狀態(tài),存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。該處的開裂屬于塑性破裂,因?yàn)樵撎幮兔?R 角較 小,進(jìn)料阻力大,且存在階梯面,拉延至零件型面最 后階段,受雙向拉應(yīng)力的作用,變形過(guò)度集中,導(dǎo)致 周圍材料供料不暢而破裂。因此將 A 處 R 角放大, 且取消拉延拔模階梯面至平緩過(guò)渡,使成形得到改 善,后續(xù)整形工序再型面整形至制件要求,優(yōu)化前后 的工藝補(bǔ)充面如圖 7 所示。

根據(jù)以上分析及提出的改善措施,在各參數(shù)設(shè)置相同的情況下,利用新的型面對(duì)成形過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算,結(jié)果如圖 8 所示。從 FLD 圖(圖 8)中可以看出,A 處型面材料最大減薄率為 17. 3% ,在材質(zhì)減薄率安全范圍內(nèi)(18. 7% ),變形區(qū)控制在 FLC 安全范圍之內(nèi),材料流動(dòng)合理,零件有較好的塑性變 形,拉深零件無(wú)暗傷破裂風(fēng)險(xiǎn)。

4 優(yōu)化后模具設(shè)計(jì)實(shí)例

根據(jù)優(yōu)化后的型面數(shù)模,設(shè)計(jì)加工模具,根據(jù) CAE 優(yōu)化后的工藝參數(shù),試模得到拉深件及產(chǎn)品 件,如圖 9 和 10 所示。實(shí)驗(yàn)試模結(jié)果基本與模擬仿 真的結(jié)果吻合,零件成形良好,無(wú)暗傷開裂缺陷。

5 結(jié)論

針對(duì)前圍外板,研究了復(fù)雜型面拉深模具的型面設(shè)計(jì),通過(guò) CAE 仿真,調(diào)整相應(yīng)的工藝參數(shù),并將優(yōu)化的工藝參數(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中,通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性、準(zhǔn)確性。

1) CAE 仿真能夠預(yù)測(cè)覆蓋件成形過(guò)程中存在 的缺陷,CAE 仿真與實(shí)際加工的結(jié)合可以更好地指導(dǎo)設(shè)計(jì),減小模具調(diào)試時(shí)間,提高效率。

2) 優(yōu)化后的拉深件型面是合理的,它改善了零件成形時(shí)的條件,使材料各處的變形趨向均勻,保證 了坯料在拉深過(guò)程中不出現(xiàn)暗傷開裂缺陷,同時(shí)也方便了后續(xù)的修邊及翻邊等工藝的實(shí)施。

作者：韓永志, 徐迎強(qiáng), 張海洲, 余冰定