差厚拼焊板汽車覆蓋件回彈的研究

    拼焊板的沖壓成形過程是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)作用過程，是一個(gè)大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)、大變形的過程，所以在實(shí)際生產(chǎn)中常常反復(fù)進(jìn)行成形試驗(yàn)，多次修改工藝參數(shù)或修改模具結(jié)構(gòu)，避免出現(xiàn)拉裂、起皺和回彈等失效形式，進(jìn)而提高成形質(zhì)量。

    中通道是重要的汽車覆蓋件，是典型的大尺寸U型件?；貜検荱型件成形的主要缺陷，嚴(yán)重影響零件的尺寸精度，從而影響后續(xù)的裝配。因此，對(duì)拼焊板回彈問題的研究具有重要意義，對(duì)以后類似U型件具有一定的指導(dǎo)意義。

    目前，對(duì)拼焊板的研究主要集中在焊縫偏移、破裂和起皺方面，對(duì)回彈的研究不是很多。本文以差厚拼焊板中通道為研究對(duì)象，然后利用數(shù)值模擬方法對(duì)沖壓成形過程進(jìn)行模擬，而后對(duì)切邊沖孔后的結(jié)果進(jìn)行回彈模擬，并通過修改工藝參數(shù)來優(yōu)化成形質(zhì)量，最后采用布置拉延筋、控制板厚比和調(diào)整壓邊力的大小來控制拼焊板的回彈。

1 有限元模型的建立

1.1 工藝性分析

    中通道是典型的大尺寸U型覆蓋件，圖1為該沖壓件的三維零件圖，選用拼焊板材料編號(hào)為日本牌號(hào)：SP781－390BQ/SP781－440BQ，外形尺寸為1596mm×515mm，最大拉延深度為366mm。從圖中可以看出，該沖壓件的外形尺寸大，拉延深度大，截面呈非對(duì)稱U形，上頂面高度不一致，底面兩側(cè)形狀復(fù)雜，截面高度變化大。

圖1 中通道的三維零件圖

1.2 拉延模模型的建立

    中通道零件要求上表面平滑，所以差厚側(cè)朝向凸模和壓邊圈，即設(shè)置階梯形凸模和壓邊圈來補(bǔ)償厚度差。采用Dynaform軟件進(jìn)行沖壓模擬，成形過程采用動(dòng)態(tài)顯示算法，回彈過程采用靜態(tài)隱式算法。圖2為該拼焊板拉延模模型，在焊縫建模時(shí)，薄板和厚板采用剛性連接，用線代表焊縫位置。

圖2 拼焊板拉延模模型

1.3 有限元模型參數(shù)的設(shè)置

    該沖壓件板料的薄板材料牌號(hào)為SP781－390BQ冷軋鋼板，厚板材料牌號(hào)為SP781－440BQ冷軋鋼板。拼焊板材料力學(xué)性能參數(shù)見表1，其他參數(shù)設(shè)置如下：沖壓速度為2000mm·s－1，摩擦系數(shù)為0.125，其余參數(shù)按缺省設(shè)置。

表1 拼焊板的材料力學(xué)性能參數(shù)

1.4 初步模擬結(jié)果分析

    經(jīng)過Dynaform模擬計(jì)算后，得到初步的成形極限圖，如圖3所示。從圖中可以看出，成形結(jié)果較差，圓角過渡區(qū)已出現(xiàn)破裂，板料邊緣存在拉伸不足，焊縫部位明顯起皺，上頂面出現(xiàn)大面積拉伸不足。

圖3 初步模擬結(jié)果

    由后處理成形極限圖結(jié)果可知，由于焊縫偏移，使得拼焊板的沖壓成形質(zhì)量下降，尤其是在零件上頂面厚板向薄板過渡處，有明顯的大范圍、大幅度的起皺出現(xiàn)。這是由于厚板的硬化指數(shù)及厚向異性系數(shù)的數(shù)值比薄板側(cè)數(shù)值大，在板料流動(dòng)時(shí)的阻力也相對(duì)較大，板料變形相對(duì)充分；薄板側(cè)板料顯然沒有充分拉延，尤其是薄板高低頂面過渡區(qū)和低頂面區(qū)，由于拉延阻力過小，流入凹模的板料過多，造成材料在這些區(qū)域積聚，形成板料增厚和起皺，因此，需要通過調(diào)整壓邊力、合理布置拉延筋及修改拉延筋參數(shù)等來控制板料的流動(dòng)，來提高成形質(zhì)量。圖4為板料邊界運(yùn)動(dòng)圖。從圖4可以看出，薄板的材料流動(dòng)速度明顯比厚側(cè)快，由于流動(dòng)速度不均勻，造成拼焊板成形質(zhì)量下降。

圖4 板料距離

2 回彈的研究

    板料回彈主要是在沖壓結(jié)束后成形載荷被去除，零件的彈性變形開始恢復(fù)導(dǎo)致其外形尺寸發(fā)生改變。在實(shí)際生產(chǎn)中，必須采取有效的工藝措施對(duì)回彈進(jìn)行控制，采用CAE數(shù)值模擬技術(shù)可提前預(yù)測(cè)和控制板料的回彈，進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)際沖壓成形生產(chǎn)。

    中通道由于其表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成形后板料內(nèi)部的應(yīng)力分布極為不均勻，引起回彈的主要應(yīng)力集中在零件側(cè)壁上，如圖5所示。

圖5 后處理顯示的回彈量

2.1 拉延筋對(duì)回彈的影響

    為了控制回彈量，可以在工件的工藝補(bǔ)充面上添加拉延筋。拉延筋的作用如下：(1)可適當(dāng)增大壓料面與凹模間隙，模具的表面精度可適當(dāng)降低，減少模具拋光打磨時(shí)間，節(jié)約成本，提高效率；(2)對(duì)沖壓變形不充分區(qū)域，布置拉延筋可有效提高板料塑性變形程度以及硬化程度，能有效減小變形不充分區(qū)域，提高制件剛度；(3)對(duì)一些因板料流動(dòng)速度過快造成起皺缺陷的部位，增加拉延筋可有效減小、甚至消除制件的起皺或波紋缺陷；(4)可增加進(jìn)料阻力，減小板料外形尺寸，提高材料利用率，并可有效降低對(duì)設(shè)備噸位的要求。

    根據(jù)拉延筋本身的斷面形狀，可分為矩形筋、半圓形筋、三角形筋和拉深檻。拉延筋形式如圖6所示。其中，r1為凹筋圓角半徑；r2為凸筋圓角半徑；h為拉延筋高度；b為拉延筋寬度，這些參數(shù)對(duì)拉延筋阻力有重要影響。

圖6 拉延筋形式

(a)矩形筋 (b)半圓形筋 (c)三角形筋 (d)拉深檻

圖7 拉延筋的布置

    在保證拉延件質(zhì)量及材料利用率的情況下，拉延筋的高度取1，2，3和4mm進(jìn)行試驗(yàn)，參數(shù)凹筋圓角半徑(2mm)、凸筋圓角半徑(3mm)、拉延筋寬度(8mm)保持不變。圖8為拉延筋高度變化時(shí)對(duì)應(yīng)的拼焊板最大回彈量的影響曲線。從圖中可以明顯看出，隨著拉延筋高度的增加，板料的最大回彈量逐漸減小。這是因?yàn)樵黾永咏畹母叨?，可增大板料流?dòng)的阻力，同時(shí)經(jīng)過拉延筋后，板料的殘余應(yīng)力得到釋放，硬化能力得到提高，導(dǎo)致流入凹模內(nèi)的板料減少，焊縫向厚板側(cè)的移動(dòng)量減少。可見，通過調(diào)整拉延筋的高度，可增大板料的進(jìn)料阻力，控制拼焊板的回彈。

圖8 拉延筋高度對(duì)回彈量的影響

2.2 壓邊力對(duì)回彈的影響

    控制回彈的根本原理是增加板料成形時(shí)的貼膜性，貼膜性越好，回彈越小?；貜椓侩S壓邊力的變化曲線如圖9所示。

    當(dāng)壓邊力很小時(shí)，回彈量隨著壓邊力的增加而逐漸增加直至達(dá)到最大值；之后，隨著壓邊力的繼續(xù)增大，回彈量逐漸減?。浑S著壓邊力的持續(xù)增加，回彈量又逐漸增加。這是因?yàn)椋寒?dāng)壓邊力很小時(shí)，主要由彈性變形導(dǎo)致變形回彈；隨著壓邊力的繼續(xù)增加，壓邊力產(chǎn)生的軸力效應(yīng)引起總的彈性變形大于塑性變形，應(yīng)力釋放產(chǎn)生的彎矩較大，造成相應(yīng)的回彈也較大；當(dāng)壓邊力增至400kN后，回彈沒有明顯變化，而且部分區(qū)域回彈量略有降低，這是因?yàn)樵诘晚斆嬗胁糠謪^(qū)域未充分拉延，當(dāng)增加壓邊力后，該處板料產(chǎn)生彈性變形，使壓料面邊緣回彈量降低。隨著壓邊力的進(jìn)一步增加，板料逐漸由彈性變形轉(zhuǎn)化為塑性變形的量增大。這時(shí)壓邊力越大，造成塑性變形越大，使內(nèi)外層應(yīng)力分布不均勻，應(yīng)力差增大，從而使回彈增大，由于壓邊力過大，局部區(qū)域有破裂危險(xiǎn)。

圖9 壓邊力對(duì)回彈的影響

2.3 板料厚度比對(duì)回彈的影響

    壓邊力設(shè)置為700kN，采用不同的板厚比組合，如表2所示。而后對(duì)板料進(jìn)行拉延分析和回彈模擬，得到不同板厚組合條件下的最大回彈量曲線，所得曲線如圖10所示。

圖10 板厚比對(duì)回彈的影響

表2 拼焊板板厚的厚度組合

    從圖10中可以明顯看出，薄板側(cè)的最大回彈量明顯大于厚板側(cè)，且隨著薄板厚度的增加，薄板和厚板的最大回彈量均逐漸減小，但薄板相對(duì)于厚板減小的幅度更大。薄板厚度為0.7mm時(shí)，薄厚板的最大回彈量都急劇減小。這是由于差厚拼焊板在成形過程中，厚度方向的應(yīng)力分布存在著不均勻性，且厚板側(cè)的不均勻性小于薄板，導(dǎo)致薄板側(cè)回彈量大于厚板，并伴隨著厚板發(fā)生塑性變形變遲，隨著薄板和厚板厚度趨于一致，薄板和厚板的應(yīng)力也趨于接近直至最后應(yīng)力相等。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    利用Dynaform后處理的板料距離對(duì)拼焊板的回彈量進(jìn)行測(cè)量，得到模擬最大回彈量和實(shí)際最大回彈量對(duì)比結(jié)果，見表3。從表中可以看出，模擬最大回彈量和實(shí)際最大回彈量基本一致，最大回彈量產(chǎn)生在零件側(cè)壁部分，故符合實(shí)際要求。實(shí)際生產(chǎn)零件圖如圖11所示。從圖中可以看出，該生產(chǎn)件的成形質(zhì)量良好，與數(shù)值模擬結(jié)果吻合，對(duì)于以后類似零件的成形回彈具有一定的指導(dǎo)作用。

圖11 實(shí)際生產(chǎn)零件

表3 模擬最大回彈量和實(shí)際最大回彈量對(duì)比(mm)

4 結(jié)論

    對(duì)拼焊板中通道的工藝性進(jìn)行了分析，通過調(diào)整拉延筋深度、調(diào)節(jié)壓邊力和選擇合適的板厚比，使回彈得到了有效的控制。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，選擇出最優(yōu)的工藝參數(shù)方案，對(duì)沖壓件重新進(jìn)行了模擬和回彈分析，使回彈控制在可接受范圍內(nèi)，成形質(zhì)量得到明顯提高，消除了破裂，減小了起皺趨勢(shì)。

    (1)通過合理設(shè)置拉延筋和選擇拉延筋的高度，充分發(fā)揮薄板材料的塑性變形能力。在保證拉延件質(zhì)量及材料利用率情況下，提高拉延筋的高度，可在一定程度上減小回彈。

    (2)通過調(diào)整壓邊力的大小，可改善板料成形時(shí)的貼膜性，但要避免壓邊力過大造成局部開裂。

    (3)隨著板厚比的增加(即薄板厚度的增加)，薄板和厚板的回彈量均逐漸減小，當(dāng)板厚比為0.5時(shí)，薄板和厚板的最大回彈量都急劇減小。