車門(mén)外板沖壓工藝設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

文/韓永志，余冰定，黃永生，趙烈偉，楚偉峰·安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心

車門(mén)外板沖壓工藝設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

文/韓永志，余冰定，黃永生，趙烈偉，楚偉峰·安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心

本文通過(guò)對(duì)車門(mén)外板的沖壓工藝性進(jìn)行分析，利用CAE軟件進(jìn)行有限元仿真模擬，并根據(jù)數(shù)值模擬情況進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)模修正，優(yōu)化數(shù)值模擬工藝參數(shù)及工藝造型，消除零件在工藝設(shè)計(jì)初期可能存在的缺陷，極大地降低了模具開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而通過(guò)模具現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，成功制造出合格的沖壓件。

汽車外覆蓋件一般具有尺寸較大、形狀復(fù)雜的特點(diǎn)，且多為空間自由曲面，不能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)解析來(lái)表達(dá)，其成形過(guò)程涉及幾何非線性、材料非線性和復(fù)雜的接觸與摩擦等問(wèn)題。由于影響其成形過(guò)程的因素很多，因此人們不能精確控制材料的流動(dòng)，變形規(guī)律不易被掌握，出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題也很多。采用傳統(tǒng)的試錯(cuò)法造成大量資源浪費(fèi)，已不能適應(yīng)如今產(chǎn)品更新?lián)Q代周期越來(lái)越短及成本控制的要求，而板料成形仿真使設(shè)計(jì)人員可以在生產(chǎn)準(zhǔn)備階段，預(yù)測(cè)成形中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，如起皺、破裂等，確定成形所需工藝過(guò)程和技術(shù)參數(shù)，驗(yàn)證并優(yōu)化模具設(shè)計(jì)。

車門(mén)外板是汽車外覆蓋件，屬于A級(jí)零件，要求外表面必須光順平滑、棱線清晰、剛性良好，無(wú)凸包、麻點(diǎn)、凹陷等缺陷。同時(shí)由于它與側(cè)圍外板、頂蓋外板、角板及前大燈等零件搭接，根據(jù)整車DTS分配，包邊后的四周外輪廓精度要求較高，公差要求為±0.5mm。左右車門(mén)外板三維數(shù)模圖如圖1所示 。

圖1 車門(mén)外板

零件沖壓工藝分析

產(chǎn)品ECR的提出

在得到產(chǎn)品數(shù)模初期，在保證零件品質(zhì)的前提下，為了盡量減少工序，以降低模具開(kāi)發(fā)成本，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行SE同步分析，提出ECR交由產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門(mén)進(jìn)行數(shù)模更改，規(guī)避后期的調(diào)試風(fēng)險(xiǎn)，縮短模具的開(kāi)發(fā)周期。如圖2所示。

圖2A處修邊后翻邊存在質(zhì)量缺陷，將此口切掉一塊，便于修邊，保證翻邊質(zhì)量；圖2B處無(wú)法正修，必須修邊后側(cè)修，將產(chǎn)品邊界延伸到上段，便于1序正修。

沖壓工藝及模面的設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品數(shù)模的分析，初步規(guī)劃工序?yàn)?序。具體工藝內(nèi)容為：拉延（左右合模）→修邊+沖孔→修邊+沖孔+側(cè)沖孔→翻邊+側(cè)翻邊。

圖3所示為此板件的典型斷面。

⑴確定沖壓方向。沖壓方向的確定關(guān)系到拉延模面的工藝補(bǔ)充部分的多少及修邊沖孔的質(zhì)量，是沖壓工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。它不但決定能否生產(chǎn)出合格的沖壓件，而且影響到后續(xù)各工序的設(shè)計(jì)方案。在拉延工序中，沖壓件往往會(huì)由于沖壓方向確定不當(dāng)，而增加調(diào)整難度。

此車門(mén)外板沖壓方向確定應(yīng)遵循的原則：

①無(wú)負(fù)角。保證拉延件凸模能夠順利進(jìn)入拉延凹模，不應(yīng)出現(xiàn)凸模接觸不到的死區(qū)。

②最小拉延深度。拉延開(kāi)始時(shí)凸模和坯料的接觸面積要大，避免點(diǎn)接觸，接觸部位應(yīng)盡量處于沖模中心，避免在成形過(guò)程中材料竄動(dòng)，最好應(yīng)使制件在一次拉延中完成；在保證拉延質(zhì)量的前提下，使拉延深度盡可能地淺，保證二級(jí)外觀面的質(zhì)量要求，滿足材料利用率最大化的要求。

③防止表面缺陷。對(duì)此車門(mén)外板表面件，為了保證其表面質(zhì)量，棱線位置要保證拉延時(shí)不產(chǎn)生偏移線、顫動(dòng)線等表面缺陷。

④后工序合理可行。要考慮后續(xù)修邊沖孔時(shí)候的角度，此車門(mén)外板沿X軸選擇4.5°，保障后續(xù)沖孔為正沖。

⑵確定壓料面。壓料面是指位于凹模圓角半徑以外的那一部分坯料，是工藝補(bǔ)充的一個(gè)重要組成部分，對(duì)拉延成形起重要作用。壓料面可以使拉延深度均勻，坯料流動(dòng)阻力的分布滿足拉延成形的需要。合理的壓料不僅能保證壓料面上的材料不起皺，還可以保證拉入凹模的材料不起皺、不破裂。壓料面設(shè)計(jì)不合理，會(huì)使壓邊圈壓料時(shí)形成起皺、余料、松弛等，甚至有的在成形過(guò)程中無(wú)法消失而殘留在制件上。

設(shè)計(jì)此車門(mén)外板拉延模的壓料面時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

①壓料面形狀盡量簡(jiǎn)單化，其阻力變化相對(duì)容易控制，有利于調(diào)模時(shí)調(diào)整到最有利于拉延成形所需要的最佳壓料面阻力狀態(tài)。此車門(mén)外板考慮其剛性，壓料設(shè)計(jì)為單曲面直紋可展曲面。

②壓料面任一斷面的曲線長(zhǎng)度要小于拉延件內(nèi)部相應(yīng)斷面的曲線長(zhǎng)度，凹模內(nèi)的毛坯產(chǎn)生一定程度的脹形變形，可以保證坯料剛性，否則會(huì)使拉入凹模內(nèi)的多余材料無(wú)法延展。

綜合上述內(nèi)容，設(shè)計(jì)拉延模面并在UG軟件上建模。如圖4所示。

⑶有限元分析模擬。在拉延模面建模完成后進(jìn)行CAE的模擬分析。首先對(duì)坯料尺寸、拉延筋系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。拉延筋的作用主要是控制材料的塑性流動(dòng)方向和進(jìn)料速度，提高制件的剛性，同時(shí)也是防止覆蓋件起皺、開(kāi)裂、拉延不足等成形缺陷發(fā)生的最有效的方法。

車門(mén)外板在拉延開(kāi)始之前，在模具壓邊圈與凹模閉合的過(guò)程中，坯料被拉延筋壓彎成形，隨后在模具凸模作用下，坯料的周邊產(chǎn)生拉延變形并向凹模走料，坯料沿拉延筋表面滑動(dòng)產(chǎn)生的摩擦阻力和彎曲變形阻力，都使毛坯斷面內(nèi)的徑向拉應(yīng)力加大。改變拉延筋的高度和圓角半徑，都可以達(dá)到調(diào)整進(jìn)料阻力的目的。這種調(diào)整徑向拉應(yīng)力的方法十分方便實(shí)用，而且調(diào)整的范圍也比較大。

左右車門(mén)外板完全對(duì)稱，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，模擬分析時(shí)候只計(jì)算一半，如圖5所示。

根據(jù)此分析結(jié)果，產(chǎn)品無(wú)風(fēng)險(xiǎn)，如圖6所示。通過(guò)后期調(diào)試時(shí)的調(diào)整，可以達(dá)到產(chǎn)品要求。

圖2 ECR示意圖

圖3 斷面圖

⑷產(chǎn)品工序分配。通過(guò)前期對(duì)產(chǎn)品的分析，對(duì)此車門(mén)外板做了4工序的排布。對(duì)4工序影響大的主要是門(mén)把手處的沖孔與周圈修邊及翻邊的協(xié)調(diào)處理。通過(guò)對(duì)工藝內(nèi)容和模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了對(duì)4序優(yōu)化的要求。詳細(xì)工序分配如圖7所示。

圖4 拉延模面

圖5 坯料及拉延筋的設(shè)置

圖6 CAE分析結(jié)果

圖7 各工序內(nèi)容

圖8 最終拉延零件

圖9 最終合格實(shí)物產(chǎn)品

物理驗(yàn)證

按照CAE模擬結(jié)果，修改并優(yōu)化拉延件型面，調(diào)試得到如圖8、9所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。零件成形良好，無(wú)暗傷與開(kāi)裂缺陷，外觀品質(zhì)優(yōu)良。

結(jié)束語(yǔ)

數(shù)值模擬能夠預(yù)測(cè)覆蓋件成形過(guò)程中存在的問(wèn)題，也可以有效地指導(dǎo)模具現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，減小模具調(diào)試時(shí)間，提高效率；實(shí)際試模過(guò)程中，各工序調(diào)試，上檢具檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)很好地達(dá)到了此車型的量產(chǎn)要求，目前此車門(mén)外板已在線批量生產(chǎn)。