基于CAE技術的并行工程在拼焊板成形工藝上的應用

2014-10-10 06:43:12明強常桂靜王正立等重慶長安汽車模具事業部

鍛造與沖壓 2014年6期

關鍵詞：焊縫

文/明強，常桂靜，王正立等·重慶長安汽車模具事業部

文/明強，常桂靜，王正立等·重慶長安汽車模具事業部

拼焊板成形的技術問題從20世紀80年代起便開始引起人們的廣泛關注，在焊接工藝、鋼板材料、沖壓成形工藝等方面都作了相關的探討。目前，國內外各汽車生產企業和科研院所對拼焊板的研究主要集中在以下幾個方面：成形性、焊縫移動控制、起皺問題、沖壓成形數值模擬如何進行有限元建模等。

工序

圖1所示為某轎車的車門內板產品圖，材料為DC06，料厚為0.7mm和1.2mm。從圖1可以看出，該零件的形狀較復雜，高差較大，局部成形形狀較多，板料變形不單純是拉延成形，同時也有脹形變形，是非常典型的覆蓋件。拼焊后的板料如圖2所示。

結合車門內板的本身特點，拉延工序的沖壓方向、壓料面及工藝補充簡圖如圖3所示。同時結合零件的結構形狀以及工藝性，在拉延工序作了如下處理：

⑴考慮后工序都有沖孔內容，窗框部分采用向下整形，簡化了模具結構。所以在零件的A處通過加大相應的模具圓角半徑來減小材料的進料阻力，從而消除破裂，在后工序對相應優化部分進行整形。

⑵在零件的B處，由于深度較深，很有可能出現開裂、起皺等現象，因此分兩次成形，降低第一次成形的深度和難度，如圖3中的局部視圖Ⅰ所示。

圖1 后門內板模型

圖2 拼焊工序

圖3 拉延工序簡圖

有限元建模

在進行差厚拼焊板有限元模擬仿真的過程中，有限元模型建立的難點和重點是板料模型的建立，這將直接影響著模擬結果的準確性及可靠性。拼焊板板料有限元模型，與傳統的板料模型不一樣，需要對焊縫區域的建立加以重點考慮。

焊縫的處理方法主要有兩種：第一種是精確地建立起焊縫和HAZ區域的模型，這種情況下需要充分考慮焊縫尺寸、形狀以及焊縫和HAZ區的馬氏體質量分數等；第二種就是忽略焊縫的類型即材料硬化等性能，只考慮焊縫的位置。由于目前應用最多的拼焊板是激光拼焊板，焊縫寬度小于1mm，HAZ熱影響區域也比較窄，約2mm左右。因此，本文中采用了第二種建模方法，只考慮不同材料、厚度的板料之間的單元連接問題。考慮工件在實際生產中為一模雙件，為提高計算效率，對工件進行對稱設置，即只采用一半坯料進行模擬計算。

零件材料牌號為DC06，厚度為0.7mm和1.2mm，材料性能參數：彈性模量E為207GPa；硬化指數n為0.246；K為536.8；泊松比μ為0.28；厚向異性系數r為r00＝2.369，r45＝2.341，r90＝3.129。依據材料性能參數，選用材料模型為36號（*MAT_3-PARAMETER_BARLAT）各向異性材料模型，單元模型采用BT殼單元。屈服準則為Hill屈服準則，等效應力、應變曲線采用冪函數形式。模擬參數設置：板料與工具間摩擦系數為0.125；凸凹模間隙為1.1t；壓邊/成形速度為2m/5s；壓邊力為55t；拉延成形150mm；積分點個數為3；最小單元格尺寸為2；網格劃分等級為3。

焊縫移動控制

拉延筋對焊縫移動的影響

拉延筋是覆蓋件拉延成形過程中調節和控制壓料面作用力、改善成形性能，提高成形質量的一種最有效的方法。該工件在成形過程中，薄板側材料會向厚板側流動，導致了焊縫向厚板側偏移。為改善車門內板在成形過程中的焊縫移動問題，在保證工件成形性能的前提下，對焊縫兩側工藝面上的拉延筋進行優化，即在薄板側設置梯形筋，厚板側設置半圓形筋。具體形狀及尺寸如圖4所示。其中，高度H與h分別取6mm，8mm；4mm，6mm兩種。

圖4 拉延筋的結構

梯形拉延筋和半圓形拉延筋H和h采用了三種組合，分別是6mm，6mm；8mm，6mm；8mm，4mm。通過多次模擬仿真，得到不同拉延筋設置情況下，焊縫上各點的焊縫移動量隨該點與焊縫端點C距離變化的曲線如圖5所示。圖6為距離焊縫3mm處薄板側各點厚度變化隨該點與焊縫端點C距離變化的曲線。

由圖5可以看出，增加拉延筋深度，薄板部分的板料流動受到的阻力增大，拉入凹模內的板料減少，焊縫向厚板側的移動量減少。可見調整拉延筋形狀，增大薄板側的進料阻力，對減少焊縫移動量是有效的。但從圖6可以看出，隨著薄板側拉延筋高度的增加，導致薄板側由于應力應變增加而成形性能下降，甚至產生開裂。但是同時焊縫的移動量減少，說明了拉延筋對控制焊縫移動的有效性。

壓邊力對焊縫移動的影響

壓邊力及摩擦是影響拼焊板成形的重要參數。根據零件的不同、板厚的差異，可以在不同的部位施加不同的壓邊力，以消除成形過程中可能出現的開裂起皺等問題，并有效控制焊縫的移動。為了研究壓邊力對車門內板焊縫移動量的影響，針對表1中三種情況進行了模擬仿真，其中方案二為整體式壓邊圈均一壓邊力。

圖5 焊縫移動量曲線對比

圖6 變薄率變化曲線

圖7 三種方案焊縫移動曲線對比

圖8 焊縫上82798號節點的移動曲線對比

表1 壓邊圈形式及壓邊力

根據模擬仿真結果，從焊縫端點的C開始每隔50mm取一點進行焊縫移動量的測量比較。焊縫上各點的焊縫移動量隨該點與焊縫端點C距離變化的曲線如圖7所示。

如圖8所示，焊縫上的第82798號節點，在不同拉延筋的設置沖壓過程中，隨著沖壓過程時間步的變化，焊縫移動量也相應地產生變化。在方案1中，壓邊階段的移動量為1.36mm，到成形結束時，焊縫移動量高達19.6mm；在方案2中，壓邊階段的移動量為1.36mm，到成形結束時，焊縫移動量高達30.9mm；在方案3中，壓邊階段的移動量為1.36mm，到成形結束時，焊縫移動量高達39.1mm。

圖9為距離焊縫3mm處薄板側各點厚度變化隨該點與焊縫端點C距離變化的曲線。由圖7，8可以看出，使用分塊壓邊圈可以減少焊縫的移動，但由圖9可以看出薄板側的最大應力應變都有所增加，成形性能有所下降。

焊縫位置對焊縫移動量的影響

如圖10所示，焊縫上各點隨著與焊縫端點C距離的變化，焊縫移動量也隨之發生變化，這正好反映了不同焊縫位置對車門內板拼焊板成形中焊縫移動情況有著一定的影響。

由圖11可以看出三個方案焊縫移動趨勢基本相同，頂部型面的焊縫向厚板方向移動最大值達到41.1mm（方案3），沿Y軸兩個方向焊縫移動量逐漸減小。這是由于法蘭邊緣處，左右兩側的應力值始終相當，在變形終了時方案1在D端處焊縫向右側厚板方向移動量只有0.4mm。焊縫位置越遠離產品中心、越靠近厚板一側，焊縫移動量越大。焊縫兩側材料變形的不均勻性是導致焊縫移動的主要原因。因此，把焊縫布置在應變較小，并遠離變形集中處可減少焊縫的移動。

焊縫位置對成形性能的影響

圖11為焊縫向-X方向移動50mm，焊縫初始位置，焊縫向+X方向移動50mm三種情況下的成形極限圖。從圖12中可以看出，在采用方案3的過程中，薄板側板料出現嚴重的破裂是由焊縫向厚板方向移動所引起的。焊縫位置向薄板側設置時，焊縫處形狀簡單，受右側拉應力減小，破裂點的應變大幅度下降，到方案1位置時基本上消除了焊縫處的破裂趨勢。

圖12為距離焊縫3mm處薄板側各點的主應力值隨該點與焊縫端點C距離變化的曲線。圖13為距離焊縫3mm處薄板側各點的主應變值隨該點與焊縫端點C距離變化的曲線。圖14為距離焊縫3mm處薄板側各點厚度變化隨該點與焊縫端點C距離變化的曲線。從圖12～13可以看出，焊縫愈靠近圓角，圓角部位的主應力、主應變和變薄率值就相應增大，并出現最大值，造成成形性能的下降。拼焊板焊縫位置離產品中心越遠，拼焊板的成形性能也就越差。