基于Autoform的汽車外腰線加強(qiáng)板沖壓成形工藝分析 ①

張本松

(宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 宣城 242000)

0 引 言

為適應(yīng)汽車消費(fèi)新趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)自主品牌汽車生產(chǎn)商加快了汽車升級(jí)和改款的速度，開發(fā)出多種滿足消費(fèi)者審美特點(diǎn)、消費(fèi)習(xí)慣和不同層次的汽車款型，2020年我國(guó)模具行業(yè)規(guī)模以上企業(yè)銷售收入達(dá)2709億元，國(guó)內(nèi)模具企業(yè)均把數(shù)字化模具技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)，而汽車生產(chǎn)中95%的零部件都需要依靠模具成型。汽車覆蓋件因其板料薄、外觀質(zhì)量要求高且形狀復(fù)制，在沖壓成形過(guò)程中容易出現(xiàn)開裂[1]、起皺[2]等表面缺陷。通過(guò)優(yōu)化“藏料凸包”和平衡壓料力和整形力，解決了表面問(wèn)題，達(dá)到了生產(chǎn)穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量的要求[3]。通過(guò)CAE軟件對(duì)產(chǎn)品的拉延工序進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)切整工藝和穿刀塊側(cè)沖孔工藝進(jìn)行優(yōu)化，能夠穩(wěn)定生產(chǎn)出尺寸精度合格、外觀品質(zhì)良好的產(chǎn)品[4-6]。沖壓回彈的預(yù)測(cè)及補(bǔ)償，尤其是面畸變等微觀質(zhì)量缺陷的控制仍然處于探索階段，利用Autoform軟件對(duì)汽車沖壓回彈進(jìn)行數(shù)值模擬分析，生產(chǎn)的后側(cè)圍零件尺寸合格率達(dá)到90%以上[7-9]。

利用Autoform分析軟件，以國(guó)內(nèi)自主品牌汽車的外腰線加強(qiáng)板的沖壓成形進(jìn)行CAE分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)坯料設(shè)計(jì)、沖壓方向、壓邊力和拉延筋的布置進(jìn)行優(yōu)化，可以解決汽車外腰線加強(qiáng)板在成形過(guò)程中的缺陷，提高產(chǎn)品尺寸精度，大大提高模具的設(shè)計(jì)周期。

1 Autoform分析流程

Autoform分析汽車外腰線加強(qiáng)板的工作流程如下：

(1)利用三維軟件Pro/E5.0建立汽車外腰線加強(qiáng)板的幾何模型，要考慮到外腰線加強(qiáng)板的的沖壓方向、壓料面等因素。

(2)將汽車外腰線加強(qiáng)板的幾何模型導(dǎo)入Autoform分析軟件進(jìn)行曲面網(wǎng)格劃分。

(3)建立有限元網(wǎng)格模型，設(shè)置坯料、沖壓方向、壓邊力等相關(guān)工藝參數(shù)。

(4)根據(jù)設(shè)定的工藝參數(shù)和條件進(jìn)行模擬計(jì)算。

2 零件結(jié)構(gòu)分析

圖1為某車型外腰線加強(qiáng)板的零件結(jié)構(gòu)圖，零件產(chǎn)品拐角處造特征比較復(fù)雜，兩端翹起角度相差比較大，零件中段沖壓成形深度大于兩端，且兩端深度變化不一致，需要進(jìn)行多次沖壓成形，成形過(guò)程中易出現(xiàn)開裂、開裂、回彈等缺陷，需要重點(diǎn)關(guān)注。根據(jù)以往車型的沖壓經(jīng)驗(yàn)結(jié)合零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和沖壓成形工藝設(shè)計(jì)要求，外腰線加強(qiáng)板采用五工位沖壓成形，分別為落料、拉延成形、修邊沖孔、修邊和側(cè)沖孔、側(cè)沖孔和切斷。

圖1 外腰線加強(qiáng)板零件結(jié)構(gòu)圖

3 沖壓工藝分析

3.1 坯料的材料

在進(jìn)行Autoform分析前需要輸入外腰線加強(qiáng)板的材料信息。外腰線加強(qiáng)板采用寶鋼冷軋?zhí)间摫“錝PCC，薄板的厚度為0.7mm(如表1所示)，其屈服強(qiáng)度為240，抗拉強(qiáng)度為270，加工硬化n值為0.211、K值為530，F(xiàn)LD0為0.296，安全裕度為20，其中加工硬化n越大，極限變形能力越大，說(shuō)明材料具有良好的拉深性能。

塑性應(yīng)變比r為板料在單向拉伸試驗(yàn)中，將寬度方向上的真實(shí)應(yīng)變比上厚度方向上的真實(shí)應(yīng)變，如式1：

(1)

式中：l、lo、b、bo分別為變形前后板料試樣的長(zhǎng)度、寬度和厚度；

由于上述比值具有方向性，所以一般取平均值，如式2：

(2)

式中0、45、90為單向拉伸試樣軸向與板材軋制方向的夾角。

r平值越小，板料在厚度方向上變形越容易，會(huì)因局部過(guò)度減薄而開裂，拉深性能就越差。

通過(guò)Autofrom對(duì)板料進(jìn)行成形模擬分析，可以得出材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖，如圖2所示，其σo為161.6，n為0.382，Rm為438.7，AG為0.632，可以看出其成形性能良好，屈服強(qiáng)度、塑性變形和抗拉強(qiáng)度滿足外腰線加強(qiáng)板拉延成形的要求。

圖2 應(yīng)力應(yīng)變曲線

3.2 坯料的設(shè)計(jì)

坯料的設(shè)計(jì)是否合理，會(huì)直接影響外板腰線加強(qiáng)板沖壓成形質(zhì)量。坯料設(shè)計(jì)尺寸過(guò)大或過(guò)小會(huì)增加坯料與凹凸模的摩擦力，容易使零件產(chǎn)生破裂和起皺缺陷，如圖2所示，根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、尺寸和工藝補(bǔ)充面，由Autoform分析軟件生成坯料形狀的尺寸為1025mm×360mm。

3.3 沖壓方向

零件的沖壓方向的確定對(duì)零件拉延成形質(zhì)量、起皺、開裂以及后續(xù)工序都有很大影響，沖壓方向應(yīng)滿足沖壓成形過(guò)程凹形或反成形要求，外腰線加強(qiáng)板采用一次拉延成形、修邊沖孔、修邊和側(cè)沖孔的工序，有效消除凸模接觸不到的死角和死區(qū)，保證凸模和凹模與坯料全部接觸，如圖3所示。

圖3 坯料形狀和尺寸

圖4 沖壓方向

表1 材料參數(shù)

3.4 壓邊力

在拉延成形過(guò)程中，由于汽車外腰線加強(qiáng)板兩端翹起圓角大小不一致，且臺(tái)階過(guò)渡不光順，容易起皺和開裂，如圖5所示。為了滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能和安裝要求，零件中間有6個(gè)孔采用圓角過(guò)渡，且放大圓角尺寸，最大圓角半徑為210mm,同時(shí)設(shè)置壓邊力增加坯料的拉應(yīng)力，控制材料的流動(dòng)性，壓邊圈的行程為60mm,壓邊力為800KN，可以有效改善起皺和開裂。

圖5 起皺和開裂風(fēng)險(xiǎn)

3.5 拉延筋的布置和工藝補(bǔ)充面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

從零件結(jié)構(gòu)和坯料尺寸方面，汽車外腰線加強(qiáng)板兩端翹起處和四個(gè)圓角，采用布置封閉式單筋和增加工藝補(bǔ)充面來(lái)改善拐角處起皺問(wèn)題，在拉延成形過(guò)程中增加的潤(rùn)滑劑，降低凹凸模和坯料的摩擦阻力，可以有效防止坯料在沖壓成形過(guò)程中塑性變形量和材料流動(dòng)方向無(wú)法達(dá)到設(shè)定值的控制值，根據(jù)Autoform分析軟件的結(jié)果可以看出汽車外腰線加強(qiáng)板左右兩側(cè)沖壓成形質(zhì)量良好，四個(gè)圓角處無(wú)破裂，如圖6所示。

圖6 零件成形結(jié)果

4 模擬過(guò)程及成形結(jié)果

外腰線加強(qiáng)板采用800T單動(dòng)模具沖壓成形，在模擬沖壓成形過(guò)程，凹凸模在Autofrom分析軟件中均設(shè)置為剛體，外腰線加強(qiáng)板中段拉伸深度較深，兩邊板料在成形時(shí)中間部分容易隆起和起皺，通過(guò)增加800KN的壓邊力控制制件的流動(dòng)性，解決板料在成性時(shí)隆起和起皺問(wèn)題。以凹模為基準(zhǔn)面，壓邊圈行程為60mm,壓邊圈與凹模的間隙為1.1,摩擦系數(shù)為0.15，通過(guò)控制制件四周法蘭邊材料的流動(dòng)方向和流量，保證拉伸側(cè)壁厚度保持一致[10-11]。

(a) 重力狀態(tài) (b) 到底前10mm

通過(guò)圖8可以看出，板料在拉延成形過(guò)程中變化均勻，將零件四個(gè)圓角增大到210mm,圓角與兩邊輪廓采用圓角過(guò)渡，增加材料流入阻力，減小坯料流入量，通過(guò)對(duì)每個(gè)階段板料變化的觀察，板料在沖壓成形到底前5mm沒(méi)有出現(xiàn)起皺缺陷，沖壓成形到底時(shí)也沒(méi)有出現(xiàn)開裂缺陷，對(duì)模具設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

圖8 板料厚度變化圖

通過(guò)優(yōu)化沖壓成形工藝，從圖6可以看出，板料厚度變化范圍在-0.059至-0.244之間，四個(gè)圓角處減薄率為-0.202、-0.193、-0.227、-0.244，6個(gè)圓孔-0.0622、-0.059、-0.071、-0.0549、-0.0553、-0.0687,零件的最大減薄率均在允許范圍內(nèi)，滿足產(chǎn)品的使用要求。根據(jù)圖9所示，產(chǎn)品區(qū)域成型充分，起皺程度輕，采用五工位沖壓成形工序：落料、拉延成形、修邊沖孔、修邊和側(cè)沖孔、側(cè)沖孔和切斷，是適合該產(chǎn)品的較佳成型工藝方案。

圖9 板料起皺分布

5 結(jié) 論

(1) 通過(guò)Autoform分析軟件對(duì)汽車外腰線加強(qiáng)板進(jìn)行數(shù)值模擬，分析出外腰線加強(qiáng)板成形缺陷位置，即兩端翹起過(guò)渡處和四個(gè)圓角的起皺、開裂缺陷。

(2)通過(guò)對(duì)汽車外腰線加強(qiáng)板的模擬分析，通過(guò)對(duì)坯料的材料、坯料設(shè)計(jì)、沖壓方向、壓邊力、拉延筋的布置和工藝補(bǔ)充面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了壓邊圈的行程為60mm,壓邊力為800KN，摩擦系數(shù)為0.15，模具間隙1.1 mm。

(3)汽車外腰線加強(qiáng)板采用五工位沖壓成形工序：落料、拉延成形、修邊沖孔、修邊和側(cè)沖孔、側(cè)沖孔和切斷，有效改善起皺和開裂，是該產(chǎn)品的較佳成型工藝方案。