縱梁前段全工序回彈預測與控制

常桂靜,曾兵華,江明潔,陳身武

(重慶長安汽車股份有限公司模具事業部,重慶401120)

縱梁前段全工序回彈預測與控制

常桂靜,曾兵華,江明潔,陳身武

(重慶長安汽車股份有限公司模具事業部,重慶401120)

目的 結合高強度鋼板縱梁前段工藝難點及特征,提出對該零件回彈進行預測和控制的方法。方法 采用經驗設計和CAE分析技術相結合的方法,對零件全工序成形及回彈過程進行了仿真模擬分析,同時對零件產生回彈的原因進行了深入分析,提出了回彈問題的解決方案。結果通過采取有效措施對回彈進行控制,成功解決了零件質量問題,回彈控制在了1 mm之內,平均合格率達到了91.8%,滿足了裝車要求。結論 全工序CAE分析可有效預測高強度鋼板梁類零件的成形質量缺陷和回彈狀態,并指導工藝設計和模具型面補償,合理的梁類扭曲回彈解決方案為類似零件模具的開發提供了參考。

高強度鋼板;縱梁前段;回彈;預測;控制

梁類零件是構成車身骨架的重要結構件,決定著整個車身的承載能力和剛性,對車輛在行駛過程中的安全性能起著至關重要的作用。在梁類零件的沖壓生產中出現的主要沖壓質量問題,是回彈以及因零件各部位回彈不均造成的回彈畸變和扭曲問題,特別是隨著梁類零件材料的強度等級不斷提升,抗拉強度達到440～780 MPa,使得回彈畸變和扭曲現象尤為嚴重,基本上是普通鋼板的5～10倍左右,這對梁類零件的精度控制提出了極大挑戰。

文中主要從某縱梁前段的沖壓工藝設計方面入手,結合數值模擬仿真技術,對該零件全工序成形及回彈過程進行了模擬分析。同時通過對零件回彈問題的整改,積累了高強度鋼板梁類零件回彈問題解決方法的寶貴經驗,為解決此類問題提供了很好的參考。

1 零件的工藝性及有限元分析

1.1 零件工藝性分析及工序安排

圖1所示為某車型縱梁前段零件,材料為高強度鋼板B240VK,該零件為重要的結構件,在防止車體變形和吸收沖擊能量方面起著至關重要的作用。

圖1 縱梁前段零件Fig.1 Part of the front longitudinal beam

該零件狹長而窄,采用成形方式難以控制零件側壁的質量缺陷以及回彈,因此采用拉延方式。此外,零件兩側壁拔模角度為0°,為有效控制梁類零件的回彈,不僅在工藝設計時需考慮工藝型面的回彈補償,還要增加側整形工序對零件型面進行校正。

根據該零件的工藝性和本身的結構特點,結合實際生產情況,該縱梁前段的沖壓工藝過程如下。

工序一:拉延;工序二:切邊+沖孔;工序三:翻邊+整形;工序四:側整形;工序五:側切邊+側沖孔+沖孔。

1.2 全工序成形及回彈CAE分析

為了減少拉延的調試時間以及對回彈情況進行預測,為模具型面的補償提供參考,運用數值模擬軟件Dynaform進行沖壓全工序成形及回彈分析。在設計階段對沖壓過程中可能產生的缺陷進行預測并加以消除,為設計人員在模具設計和工藝參數制定時提供可靠的理論依據。

拉延工序有限元模型如圖2所示,沖壓成形分析材料為B240VK,厚度1.75mm,摩擦因數為0.125,壓邊力為90 t。經過多次的模擬分析計算及工藝優化,得到拉延分析結果如圖3所示,由圖3可以看出零件拉延成形變形比較充分,材料流動均勻,產品部分無明顯的開裂和起皺。同時進行了后工序翻邊、側整形以及回彈的CAE分析,分析結果如圖4和5。

通過對比實際生產結果,零件回彈預測趨勢基本一致,回彈數值預測準確率70%左右,因此,參考回彈CAE分析結果,能夠有效地對型面回彈補償工作進行指導。

圖2 拉延工序有限元模型Fig.2 FEA model of drawing process

圖3 拉延成形分析結果Fig.3 Analysis result of drawing process

圖4 翻邊、側整形分析結果Fig.4 Analysis result of flange and CAM-restrike

圖5 回彈分析結果Fig.5 Analysis result of springback

2 縱梁前段回彈問題整改

2.1 零件存在的問題點

該縱梁前段模具經過現場調試,最突出的難點表現在零件側壁彎曲,整體扭曲,回彈大,合格率僅為73.28%。如圖6中A處翻邊拱起,最大間隙約13 mm,如圖7a所示。

圖6 零件問題點標識Fig.6 Problem points of the part

圖7 現場樣件狀態Fig.7 The state of sample

由于零件整體扭曲造成圖6中B處頂上及兩側間隙不一致,左側無間隙,右側5.4 mm,端頭法蘭邊零貼無法貼合,間隙超差,如圖7b。

如圖8所示,左側壁因成形時流料經過上模R作用,造成彎曲和回彈嚴重。

圖8 樣件側壁彎曲回彈Fig.8 Side wall bending of sample

圖9中所示法蘭零貼未貼合,整體深度偏淺,間隙超差3～5 mm,同時法蘭邊因R硬化作用,造成翹曲。

圖9 樣件法蘭回彈Fig.9 Springback of Flange Face

2.2 原因分析

該縱梁前段材料為高強度板B240VK,易產生回彈;如圖10中A處兩端頭切邊后應力釋放,造成回彈;B處拉延成形后再翻邊整形,回彈大;兩側壁為直壁,無夾角,易產生回彈。

圖10 零件關鍵特征點Fig.10 Key feature points of the part

2.3 整改思路分析

1)扭曲:拉延時材料變形不均勻,在切邊后的應力釋放后,應力不均衡造成零件扭曲,因此解決措施是在拉延工序使材料變形盡量均勻。

2)側壁彎曲:因其成形時,板料通過上模的R流入而發生變形,使得側壁材料發生彎曲變形,又因成形最后無法變形充分,造成彎曲無法通過后期來進行校正。解決措施是在后期使其充分變形,彌補彎曲。

3)側壁回彈:因板料成形時,凸模的R作用,使零件內側承受壓應力,外側承受拉應力,且R沒有通過特殊校正,從而產生回彈的趨勢。解決措施是在所有成形工序中,保證頂部R部位的強壓變形,固化產品的側壁夾角。

4)翻邊不直:產品工藝性問題,需要在切邊時保證正切后再翻邊。因拉延R硬化嚴重,無法通過翻邊使它滿足產品要求,只有通過側整形進行補償。

5)結合全工序和回彈CAE分析結果和實踐經驗,對模具型面進行補償。

2.4 具體整改措施

2.4.1 拉延模整改-修改拉延造型

拉延工序零件的成形狀態對回彈控制起著決定性的作用,拉延塑性變形不充分,存在較多的彈性變形,在后工序更易造成彈性回復,從而產生回彈。如圖11所示,在拉延工序中對工藝造型進行整改,通過增加余肉,使板料在后期通過側壁鎖料,臺階部分通過脹形成形,使零件的側壁材料變形充分;用降低法蘭面,減小凸模R的方法,保證零件成形到位和較大的塑性變形,整改前后拉延工藝數模如圖12所示。拉延模整改后拉延成形狀態良好,如圖13所示。

圖11 拉延數模斷面示意圖Fig.11 Section sketch of drawing die

圖12 整改前后拉延數模對比Fig.12 Comparison of drawing die before and after improvement

2.4.2 翻邊整形模整改

翻邊整形模凸模圓角處強壓,減小模具間隙;產品法蘭面做3°的回彈補償,如圖14所示。

2.4.3 側整形模整改

側整形工序采用水平65°方向側整形,模具設計時將R根部包括在內對R根部進行整形;產品側壁進行6°回彈補償,翻邊處回彈補償進行特殊處理,第一次補償2.3°,第二次補償7°,如圖15所示。

圖13 整改后拉延工序件Fig.13 The drawing process part

圖14 翻邊整形模整改Fig.14 Rectification of Flange and restrike die

圖15 側整形模整改Fig.15 Rectification of CAM-restrike die

2.5 效果驗證

通過實施各工序的回彈控制措施,重新進行全工序及回彈CAE分析驗證、研配模具,整改后效果較好,如圖16所示,回彈控制在1 mm之內,零件平均合格率達到91.8%,滿足了裝車要求。

圖16 合格樣件Fig.16 The proper product

3 結論

1)充分結合CAE技術可有效預測成形時的質量缺陷和回彈狀態,為工藝設計和模具型面補償提供強有力的參考。

2)實現了高強度鋼板梁類的全工序CAE分析,為提高產品開發的成功率和產品質量提供了保障。

3)提出了縱梁前段整體扭曲回彈問題的合理解決方案,為以后其他類似零件模具的開發打下了基礎。

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Springback Prediction and Control in the W hole Process of Front Longitudinal Beam

CHANGGui-jing,ZENG Bing-hua,JIANGMing-jie,CHEN Shen-wu
(Mold&Die Business Department,Chongqing Chang'an Automobile Co.,Ltd.,Chongqing 401120,China)

The aim of this study was to propose amethod for prediction and control the springback base on the technical difficulties and features of the front longitudinal beam.Using themethod of design experience and CAE technology,the numerical simulation of forming process and springback for the front longitudinal beam was studied.The springback causes were analyzed in details and the solution were put forward.The quality of the products is guaranteed through the effective technicalmeasures.Springback was controlled within 1 mm,and the average qualified rate reached 91.8%.Through the whole process of CAE analysis,the quality defect and springback condition can be effectively predicted.It also can guide the technological design and die surface compensation,which provides a reference for the process plan and springback solution of similar part.

high strength steel;front longitudinal beam;springback;predict;control

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.04.008

TG386

:A

:1674-6457(2015)04-0037-05

2015-05-10

常桂靜(1979—),女,河北泊頭人,碩士,高級工程師,主要研究方向為汽車覆蓋件模具CAD/CAE/CAM。