汽車(chē)側(cè)圍拉延成型的數(shù)值模擬分析及運(yùn)用

林金海

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 福建福州 350007)

汽車(chē)外覆蓋件一般具有外形尺寸大、板料薄、拉延深度深、外觀質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，在拉延成型過(guò)程中比較容易產(chǎn)生零件開(kāi)裂、縮頸、起皺、疊料等缺陷[1-3]。為了解決這些問(wèn)題，采用CAE(Computer Aided Engineering)分析技術(shù)，通過(guò)對(duì)金屬板料成型過(guò)程進(jìn)行模擬分析，提前了解產(chǎn)品可能產(chǎn)生的缺陷，在不變動(dòng)產(chǎn)品外形和尺寸的條件下，對(duì)產(chǎn)品做出合理的工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)變更、減少模具的實(shí)際維修調(diào)試工時(shí)。本文采用Autoform分析軟件，以某公司A301項(xiàng)目的側(cè)圍外板的拉延成型進(jìn)行CAE分析為例，介紹CAE分析技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用。汽車(chē)覆蓋件成型比較復(fù)雜，模具設(shè)計(jì)調(diào)試比較困難，因此利用CAE分析技術(shù)，可以大大提高模具設(shè)計(jì)效率以及調(diào)試的周期。目前國(guó)內(nèi)外該技術(shù)運(yùn)用已經(jīng)比較廣泛。

1 CAE分析流程

CAE分析側(cè)圍的一般的工作流程如下：

(1)在三維軟件UG建立側(cè)圍外板的幾何模型，建立時(shí)要考慮到零件的沖壓方向、工藝缺口和壓料面等因素[4]。

(2)將幾何模型通過(guò)數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)入分析軟件Autoform前處理器，然后再對(duì)其做曲面網(wǎng)格的劃分。

(3)建立有限元網(wǎng)格模型，定義好沖壓工作時(shí)的各個(gè)系數(shù)、相關(guān)的參數(shù)和邊界條件。

(4)根據(jù)定義的數(shù)據(jù)和條件進(jìn)行模擬計(jì)算[5-6]。

2 側(cè)圍CAE分析結(jié)果及說(shuō)明

2.1 側(cè)圍CAE分析結(jié)果

2.1.1 拉延的定義

拉延是用凸模把板料沖擠入凹模，以形成具有凹模模腔形狀的立體制件的沖壓方法，亦稱拉深或深沖，是最重要的板料立體成型方法。

2.1.2 CAE分析模擬參數(shù)

CAE分析模擬參數(shù)如下：材料為DC06FD(詳細(xì)參數(shù)如圖1所示),經(jīng)過(guò)分析選用形狀料(如圖2所示)，材料力學(xué)性能屈服強(qiáng)度為150 MPA，抗拉強(qiáng)度為305 MPA，90°塑性應(yīng)變比值R為2.23，90°應(yīng)變硬化指數(shù)N為0.23，料厚為0.7 mm,拉延方式是單動(dòng)拉延，拉延筋為實(shí)體筋，摩擦系數(shù)取0.15，壓邊力350 KN。

圖1 側(cè)圍材料參數(shù)

圖2 側(cè)圍拉延坯料

2.1.3 流入量分布圖

側(cè)圍流入量分布圖如圖3所示。實(shí)際在車(chē)間調(diào)試模具時(shí)，要確保材料流入量和CAE分析的模擬結(jié)果相近，如果試模時(shí)材料流入量未達(dá)到模擬值,那么CAE分析結(jié)果的參考價(jià)值比較小。

圖3 側(cè)圍流入量分布圖

2.1.4 成型極限圖

通過(guò)圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，側(cè)圍成型產(chǎn)品部分屬于安全區(qū)域，不會(huì)起皺也不會(huì)開(kāi)裂，邊緣大部分會(huì)起皺，調(diào)試時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注，側(cè)圍門(mén)洞邊緣和B柱已經(jīng)存在開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，該模擬結(jié)果處于臨界值，必須想辦法對(duì)其進(jìn)行整改，如工藝上無(wú)法整改，則應(yīng)該在分析報(bào)告中指明現(xiàn)場(chǎng)解決該問(wèn)題的方向。

注：黑色部分是指?jìng)?cè)圍零件上的點(diǎn)圖4 成型極限圖

圖5 側(cè)圍零件成型顏色分析圖

2.1.5 坯料減薄率分布圖

減薄率是汽車(chē)外覆蓋件的一項(xiàng)重要指標(biāo)，減薄率太大零件會(huì)有開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，一般會(huì)要求減薄率在20%以內(nèi)，這也是好的模擬結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)之一，如圖6所示，最大減薄率0.185，最小減薄率0.0201，均滿足要求。

圖6 側(cè)圍坯料減薄率分布圖

2.1.6 回彈計(jì)算分析

沖壓回彈指金屬板料在力的作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)壓力釋放時(shí)所產(chǎn)生的還原或近還原的狀態(tài)的物理變化。影響回彈的主要因素是材料的力學(xué)性能、相對(duì)彎曲半徑等，因?yàn)閭?cè)圍零件大，形狀復(fù)雜，很容易產(chǎn)生回彈，為了提高零件的尺寸準(zhǔn)確性，對(duì)后續(xù)修邊工序進(jìn)行回彈補(bǔ)償，做了回彈計(jì)算分析，如圖7所示。

圖7 側(cè)圍回彈計(jì)算分析圖

2.1.7 風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)說(shuō)明

通過(guò)CAE分析結(jié)果，可以得出以下三個(gè)零件質(zhì)量的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)：B柱破裂風(fēng)險(xiǎn)、A柱上方起皺風(fēng)險(xiǎn)、A柱下方起皺風(fēng)險(xiǎn)(如圖8、9、10所示)。

圖8 B柱破裂風(fēng)險(xiǎn)

圖9 A柱上方起皺風(fēng)險(xiǎn)

圖10 A柱上方起皺風(fēng)險(xiǎn)圖

2.2 CAE分析結(jié)果說(shuō)明

板料的厚度、板料減薄率和表示材料的成型極限圖是判斷材料成型性優(yōu)劣(破裂)的三個(gè)重要參數(shù)，據(jù)此，可以將CAE分析結(jié)果分為以下兩種。

2.2.1 好的模擬結(jié)果

零件沒(méi)有破裂、失效點(diǎn)，零件的減薄率要求低于20%，但是高強(qiáng)板等成型性能較差的材質(zhì)最大的允許減薄率可能不足20%，這時(shí)候的破裂判斷則以FLC為準(zhǔn)—成型充分，考慮到位置以及材料拉應(yīng)力的變化，在外觀區(qū)域的最小板料厚度減薄允許≥3%，但是要求零件無(wú)起皺和波紋(通過(guò)成型過(guò)程中的板料形狀和應(yīng)力狀態(tài)來(lái)判斷)。

2.2.2 差的模擬結(jié)果

圖11 側(cè)圍拉延模具圖

零件出現(xiàn)破裂和失效，板料的最大變形點(diǎn)在成型極限曲線以上，板料的最大減薄率大于30%，外板成型不充分，考慮到位置以及材料拉應(yīng)力的變化，在外觀區(qū)域內(nèi)的最小板料厚度減薄<2%，零件出現(xiàn)起皺和波紋(通過(guò)成型過(guò)程中的板料形狀和應(yīng)力狀態(tài)來(lái)判斷)，整個(gè)變形過(guò)程中零件有起皺，而且是在外板的可見(jiàn)區(qū)域有表面的損傷；外板在可見(jiàn)區(qū)域有滑移線。

3 根據(jù)CAE分析結(jié)果制造整改模具

3.1 模具制造運(yùn)用

根據(jù)以上CAE分析結(jié)果的拉延筋分布和大小來(lái)制造模具(如圖11所示)。

3.2 模具整改運(yùn)用

根據(jù)以上風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析，存在B柱開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)和A柱上下方起皺風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)際模具調(diào)試如圖12、13、14所示。

B柱開(kāi)裂與CAE分析結(jié)果(圖12)一致，開(kāi)裂是因?yàn)樵撎幉牧线^(guò)拉量太大，整改措施就是減小過(guò)拉量，后續(xù)整形工序再增加整形量，經(jīng)過(guò)CAE的多次分析模擬和鉗工對(duì)模具進(jìn)行整改，該問(wèn)題得到解決。

以上零件起皺與CAE分析結(jié)果(圖13、14)一致，起皺原因主要是該處壓料力偏小導(dǎo)致失穩(wěn)，金屬材料流入過(guò)多，堆積在一起造成零件的起皺，因?yàn)榱慵鸢檿?huì)影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，影響整車(chē)的美觀，所以必須消除。經(jīng)過(guò)CAE模擬得出，需要在該處增加吸料包，將多余的金屬材料吸收，可以解決起皺問(wèn)題，鉗工根據(jù)CAE的數(shù)據(jù)對(duì)模具進(jìn)行整改，該問(wèn)題最終得到解決，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量，減少了模具的調(diào)試工時(shí)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某公司的側(cè)圍產(chǎn)品的拉延工序進(jìn)行CAE分析并得出分析報(bào)告，根據(jù)分析結(jié)果和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)制造并且調(diào)試模具，驗(yàn)證CAE分析技術(shù)在汽車(chē)外覆蓋件實(shí)際運(yùn)用的準(zhǔn)確性和重要性。

側(cè)圍的起皺和開(kāi)裂問(wèn)題，某公司經(jīng)過(guò)CAE的仿真成型，最終確定模具整改方案和維修數(shù)據(jù)，模具工程師根據(jù)CAE分析數(shù)據(jù)指導(dǎo)鉗工對(duì)模具進(jìn)行整改，最終解決產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，使模具順利投入生產(chǎn)，保證新車(chē)型順利上市，這樣不僅大大縮短了模具開(kāi)發(fā)調(diào)試工時(shí)，而且提高了汽車(chē)外覆蓋件沖壓件的產(chǎn)品質(zhì)量，降低了模具調(diào)試產(chǎn)品的報(bào)廢率，節(jié)約了模具開(kāi)發(fā)調(diào)試成本。