某發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)邊梁蓋板成形工藝分析及回彈控制

文/呂琳，趙鵬，鄧明·重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院唐云峰·重慶市華青汽車(chē)配件有限公司

某發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)邊梁蓋板成形工藝分析及回彈控制

文/呂琳，趙鵬，鄧明·重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院唐云峰·重慶市華青汽車(chē)配件有限公司

發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)邊梁蓋板為典型淺拉深高強(qiáng)鋼沖壓件，在零件成形后存在回彈量大的缺陷。本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)邊梁蓋板進(jìn)行了零件特征和沖壓工藝分析，并且用DYNAFORM軟件模擬了制件拉延成形過(guò)程，對(duì)模擬后所出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行了工藝改進(jìn)。找出了兩個(gè)重要工藝參數(shù)—壓邊力和拉深檻對(duì)制件回彈的影響，通過(guò)對(duì)典型截面回彈量大小的研究，總結(jié)了制件回彈的規(guī)律并對(duì)回彈進(jìn)行了有效控制，根據(jù)模擬結(jié)果選取了最優(yōu)參數(shù)，設(shè)計(jì)了沖壓方案，沖壓出了合格的產(chǎn)品。

發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)邊梁蓋板結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，零件的孔位、凸緣、圓角等較多，并且拉深深度淺，沖壓回彈量較大，在高強(qiáng)鋼淺拉深汽車(chē)零部件沖壓加工中具有代表性，這些特征使其零件成形質(zhì)量嚴(yán)重下降。為了提高零件質(zhì)量，本文以發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)邊梁蓋板為研究對(duì)象，利用DYNAFORM軟件模擬了單動(dòng)拉延沖壓成形過(guò)程，并且對(duì)其成形工藝參數(shù)的影響進(jìn)行分析，找出了壓邊力變化和拉深檻對(duì)其成形質(zhì)量的影響，從而得到最優(yōu)的成形工藝方案，本研究為實(shí)際沖壓成形生產(chǎn)過(guò)程提供了一定的理論依據(jù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)邊梁蓋板零件特征和成形分析

發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)邊梁蓋板零件特征

發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)邊梁蓋板用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩上方，保護(hù)汽車(chē)在發(fā)生碰撞時(shí)不損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起到增加剛度和支撐的作用，其材質(zhì)為高強(qiáng)鋼B280VK，厚度為1.6mm，長(zhǎng)為821.3cm,寬為239.2cm,發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)邊梁蓋板左右件（圖1）為淺拉深零件，拉延時(shí)深度不超過(guò)50mm，表面面積大形狀復(fù)雜但起伏很小，圖1零件中A部位為半球形狀淺拉深,B部位為翻邊。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)邊梁蓋板零件圖

發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)邊梁蓋板零件成形工藝分析

發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)邊梁蓋板減薄率不得超過(guò)12%～16%，回彈量不得大于3.5%?？紤]到零件為左右對(duì)稱(chēng)件，擬采用一模兩件的沖壓方式，即發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)邊梁蓋板左件和右件用一套復(fù)合模具沖壓成形，其制件布置方式如圖2所示。這樣左右件對(duì)稱(chēng)布置，在拉延時(shí)坯料受力均勻，減少摩擦阻力，避免零件在圓角部分被拉破。

圖2為添加合理工藝補(bǔ)充面和壓料面后的零件模型。其中A部分和C部分分別為發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)邊梁蓋板左右件，由于拉深很淺，材料變形很不充分，為了使中間部分變形充分和抑制回彈，在工藝補(bǔ)充面中的B處三角部分添加了一個(gè)深度為30cm盒形三角形，圖2中B所示，這樣會(huì)增大材料的流動(dòng)阻力，使零件中間部分變形充分回彈減少。D部分拉延深度最深且與凹模圓角接近，為了減少材料邊緣部分流動(dòng)阻力，加大了D部分圓角半徑，E部分為零件壓料面。其沖壓工序?yàn)椋豪印捱厸_孔→剖切沖孔修邊→翻邊整形。

圖2 補(bǔ)充工藝面后的發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)邊梁蓋板幾何模型

發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)邊梁蓋板沖壓成形模擬

零件模型及其參數(shù)的選擇

圖3為基于DYNAFORM軟件平臺(tái)建立的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)邊梁蓋板FEM模型，該零件所需坯料尺寸及相關(guān)工藝參數(shù)均來(lái)源于相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際數(shù)據(jù)，成形模擬時(shí)選擇自動(dòng)設(shè)置，拉延類(lèi)型為單動(dòng)拉延，無(wú)拉深檻，壓邊力初選為200t。

圖3 基于DYNAFORM建立的FEM成形模擬模型

成形缺陷分析和改善措施

經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的數(shù)值模擬，其成形模擬結(jié)果如圖4，紅色代表拉破區(qū)域，綠色代表正常，紫色為起皺。從中可以明顯的看出有破裂情況發(fā)生。導(dǎo)致板料拉破的因素主要有兩個(gè)：一是模具間隙過(guò)小材料流動(dòng)阻力大；二是壓邊力過(guò)大，在拉延時(shí)拉延力超過(guò)材料抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致材料破裂，外邊緣起皺主要原因是未添加拉深檻，材料變形不均勻。

對(duì)以上參數(shù)模擬所出現(xiàn)的缺陷，進(jìn)行合理分析后通過(guò)調(diào)整壓邊力及其他參數(shù)，把壓邊力調(diào)至為250t，模具間隙增大到1.76mm，坯料尺寸進(jìn)一步縮小為850×750（mm×mm），其他參數(shù)不變，再進(jìn)行一次模擬。

圖5為改善后的成形極限圖，在進(jìn)行汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)邊梁蓋板拉深成形中，整個(gè)拉深變形較為均勻，沒(méi)有出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。在零件中間部位由于壓邊力過(guò)小出現(xiàn)了成形不充分現(xiàn)象，有些部位在此零件拉延成形后還將進(jìn)行切邊工序，因此對(duì)整個(gè)成形質(zhì)量而言不存在較大影響。

圖4 模擬結(jié)果圖

圖5 修改后的模擬結(jié)果圖

發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)邊梁蓋板沖壓回彈模擬

在DYNAFORM中導(dǎo)入前步驟成形模型Dynain文件，選擇設(shè)置類(lèi)型為Springback，采用單步隱式算法。在對(duì)零件進(jìn)行回彈量大小分析時(shí)，根據(jù)該零件成形的特點(diǎn)，截取了可能產(chǎn)生明顯回彈的部位EF截面（圖6），主要分析產(chǎn)生回彈前后零件兩側(cè)的距離變化和截面兩個(gè)角度的變化，選取截面上A、B回彈角和兩側(cè)距離(圖7)。

圖6 選取回彈截面

圖7 回彈截面線

對(duì)于高強(qiáng)鋼淺拉深成形零件，塑性變形不充分，回彈無(wú)法避免。壓邊力和拉深檻的大小對(duì)零件沖壓成形后的回彈有較大影響。因此，本實(shí)驗(yàn)首先在無(wú)拉深檻的情況下，采用了五種不同壓邊力工藝方案，然后在有拉深檻的情況下，采用五種不同壓邊力工藝方案，壓邊力最小2.0×106kN，最大為2.8×106kN。在DYNAFORM中選擇虛擬拉深檻設(shè)置，這樣模擬結(jié)果誤差較小，其設(shè)置拉深檻部位均為起皺嚴(yán)重和應(yīng)力集中區(qū)域，其他部位成形較好。在實(shí)驗(yàn)中其他工藝參數(shù)不變，分別測(cè)出各方案回彈前后差值，即為A、B角度和距離回彈量值，結(jié)果如圖8、9所示。

根據(jù)圖8可知，沒(méi)有布置拉深檻時(shí)，隨著壓邊力的增大，回彈前后差值越來(lái)越小，其截面回彈前后角度和位移越來(lái)越小，差值為正，則側(cè)壁基本是以向外側(cè)回彈為主，在沒(méi)有拉深檻的情況下2.8×106kN最為合理。設(shè)置相同拉深檻后，隨著壓邊力的增大其回彈前后差值越來(lái)越小，但壓邊力為2.8×106kN，材料達(dá)到抗拉極限，零件底部有大面積破裂，其回彈值不具有參考性，在設(shè)置合理拉深檻的情況下，壓邊力為2.6×106kN時(shí)回彈值最小，零件質(zhì)量最優(yōu)。

圖8 回彈角隨壓邊力變化圖

圖9 回彈距離隨壓邊力變化圖

工藝試驗(yàn)

采用模擬優(yōu)化后的工藝方案，壓力機(jī)壓邊力設(shè)置為2.6×106kN，分布合理拉深檻，經(jīng)過(guò)第一道拉延工序后的零件實(shí)物如圖10所示，采用超聲測(cè)厚儀測(cè)量整個(gè)零件厚度，最小厚度為1.434mm，成形充分且不存在拉破的現(xiàn)象，回彈也較小，制件邊緣有稍微的起皺但不影響零件，起皺區(qū)域?yàn)榉橇慵^(qū)，切邊工序時(shí)要去除。經(jīng)過(guò)切邊、剖切、整形、翻邊后的零件實(shí)物如圖11所示，拉深深度較淺，變形充分，厚度和回彈控制在合理范圍內(nèi)，產(chǎn)品合格。

圖10 拉延成形后的制件

圖11 切邊后的零件

結(jié)論

⑴采用DYNAFORM軟件對(duì)高強(qiáng)鋼淺拉深零件進(jìn)行沖壓工藝研究，可減少修模次數(shù)，縮短生產(chǎn)周期，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高零件精度。

⑵零件在不同工藝條件下進(jìn)行沖壓時(shí)，不同部位產(chǎn)生的回彈大小和回彈趨勢(shì)不同，拉深深度較深，變形較劇烈的部位，在沖壓后發(fā)生回彈變形較?。焕钌疃容^淺，變形平緩的部位，發(fā)生的回彈變形較大。

⑶對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)邊梁蓋板，設(shè)置合理拉深檻和較大壓邊力可以增大材料流動(dòng)阻力，使其材料變形充分，能有效控制拉延后的回彈，提高零件成形質(zhì)量。