汽車側(cè)圍外板尾翼拉延成型工藝改善研究

萬(wàn)　鵬，趙雪松，王幼民，韓小后

(1.安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 安徽　蕪湖　241000； 2.瑞鵠汽車模具有限公司， 安徽　蕪湖　241009)

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汽車側(cè)圍外板尾翼拉延成型工藝改善研究

萬(wàn)鵬1，趙雪松1，王幼民1，韓小后2

(1.安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 安徽蕪湖241000； 2.瑞鵠汽車模具有限公司， 安徽蕪湖241009)

[摘要]為解決汽車側(cè)圍外板尾翼在拉延成型后出現(xiàn)起皺和開(kāi)裂的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了3種造型方案.通過(guò)造型設(shè)計(jì)分析及Autoform模擬，對(duì)比3種方案，對(duì)原工藝進(jìn)行整改和優(yōu)化，得到了抬高造型臺(tái)階面的最優(yōu)造型方案.該方案能改善進(jìn)料速度、增加材料流動(dòng)性，有效地消除開(kāi)裂、起皺的缺陷，對(duì)同類和其他類似產(chǎn)品的沖壓工藝設(shè)計(jì)具有參考意義.

[關(guān)鍵詞]汽車側(cè)圍；拉延；起皺；開(kāi)裂；Autoform模擬；沖壓工藝

沖壓成型技術(shù)在汽車工業(yè)中占有重要地位，沖壓工藝方案的設(shè)計(jì)與制定對(duì)汽車覆蓋件成型來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵.汽車覆蓋件的沖壓成型是一個(gè)大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)、大變形的塑性變形過(guò)程，涉及板料在拉深等復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的塑性流動(dòng)、塑性強(qiáng)化及引起的起皺、拉裂和回彈等問(wèn)題；同時(shí)，它的結(jié)構(gòu)尺寸大，利用薄板材料成型，尺寸精度和成型質(zhì)量要求高.這些對(duì)汽車覆蓋件的沖壓工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)都提出了更高的要求，給實(shí)際生產(chǎn)帶來(lái)更多的問(wèn)題.

通常，在調(diào)試過(guò)程中起皺和開(kāi)裂是并存的，而且存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系.為了找到一個(gè)同時(shí)避免起皺和開(kāi)裂的狀態(tài)，需要借助CAE分析進(jìn)行精確指導(dǎo)調(diào)試[1，2].汽車側(cè)圍外板件是汽車覆蓋件中外形最大的板件之一，具有十分復(fù)雜的成型特征，汽車側(cè)圍尾翼處的質(zhì)量相比于其他位置更難以保證.為避免成型過(guò)程中在局部出現(xiàn)起皺開(kāi)裂等缺陷，需要合理控制板料進(jìn)料速度和成形力分布.在實(shí)際工藝設(shè)計(jì)中，還應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的產(chǎn)品特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)最佳的拉延成型工藝方案.

1制件結(jié)構(gòu)及工藝分析

1.1制件結(jié)構(gòu)

圖1為某兩廂汽車側(cè)圍外板制件產(chǎn)品形狀.此類制件具有尺寸大、形狀復(fù)雜、A面輪廓曲率大、拉深深度相對(duì)較深等特點(diǎn).在成型時(shí)要求制件拉深表面平整無(wú)皺紋，具有良好的剛度和足夠的變薄率.這些指標(biāo)與產(chǎn)品特征使得在拉延成型中多處存在成型性風(fēng)險(xiǎn).

圖1　汽車側(cè)圍制件圖

在整個(gè)汽車側(cè)圍外板造型中，產(chǎn)品要求高與成型工藝最復(fù)雜的區(qū)域是尾翼處.由于在成型過(guò)程中，縱向與橫向應(yīng)變的轉(zhuǎn)換與交互，通常會(huì)同時(shí)出現(xiàn)起皺和開(kāi)裂并存的情況.實(shí)際模具調(diào)試中，不僅要求過(guò)程不能有起皺，最終的變薄率也要控制在合理的范圍內(nèi).這是工藝設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮的[3-5].

1.2原成型工藝與拉延缺陷

對(duì)于汽車側(cè)圍外板在尾翼處的成型工藝，通常與其他搭接面位置設(shè)計(jì)方法相同，采用直壁打開(kāi)拔模角度、增加二次臺(tái)階造型，打開(kāi)拔模角有利于減輕開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，二次臺(tái)階既可以提高工藝補(bǔ)充以及整個(gè)A面區(qū)域的變薄率，同時(shí)也有利于避免一次沖擊線對(duì)A面的影響.因此，在初次設(shè)計(jì)階段基本都會(huì)采用該工藝，且在CAE階段不能暴露明顯的成型缺陷.

在實(shí)際拉延沖壓生產(chǎn)調(diào)試過(guò)程中，尾翼處發(fā)生較為嚴(yán)重的起皺和開(kāi)裂現(xiàn)象，實(shí)際板件狀態(tài)件如圖2所示.可以看出，在凹模R角處有明顯的起皺壓痕.這說(shuō)明在拉延過(guò)程中板料發(fā)生了嚴(yán)重的起皺.二次臺(tái)階處也殘留著板件起皺的波紋，而尾翼處的A面與R角處直接破裂斷開(kāi)，拉延板件的狀態(tài)存在嚴(yán)重缺陷.

圖2　側(cè)圍外板尾翼產(chǎn)生開(kāi)裂和起皺現(xiàn)象

2制件缺陷原因分析與優(yōu)化措施制定

2.1制件缺陷原因

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程發(fā)現(xiàn)，在到底10 mm時(shí)尾翼處的圓角位置，板件即開(kāi)始產(chǎn)生縮頸，繼而發(fā)生開(kāi)裂.在開(kāi)裂發(fā)生后，凹模圓角處的起皺明顯加劇.結(jié)合工藝造型特點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際拉延過(guò)程，可以知道在拉延開(kāi)始時(shí)尾翼部位進(jìn)料過(guò)快，且造型存在一個(gè)曲率較大的拐角.這就是導(dǎo)致板料向中間擠壓造成疊料的直接原因.根據(jù)CAE斷面分析，如圖3所示，研究模具與板料接觸時(shí)間和順序關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂處的圓角接觸板料時(shí)間較早，直壁部分在接觸后發(fā)生剪切拉深.這是造成開(kāi)裂的主要原因[6，7].因此，拉深造型不合理是導(dǎo)致制件缺陷的直接原因.根據(jù)以上分析，若要解決開(kāi)裂，同時(shí)改善起皺，需要延遲圓角接觸時(shí)間，取消直壁部分補(bǔ)充工藝.針對(duì)汽車側(cè)圍外板尾翼處的拉深成型工藝，制定了3種造型優(yōu)化措施[8，9].

圖3　側(cè)圍外板尾翼CAE斷面示意圖

2.2造型優(yōu)化措施

(1)方案一：取消造型臺(tái)階，優(yōu)化后造型截面示意圖如圖4所示.取消了原工藝方案中的二次臺(tái)階造型和直壁補(bǔ)充工藝部分，拔模角度并未受到明顯改變，相當(dāng)于加大了尾翼部位A面與補(bǔ)充工藝面之間的圓角，有利于解決開(kāi)裂問(wèn)題.

圖4　側(cè)圍外板尾翼拉深成型工藝造型(方案一)

在側(cè)壁與凹模R角之間設(shè)置“余肉”造型，解決起皺問(wèn)題.但是，該方案在解決開(kāi)裂起皺問(wèn)題的同時(shí)會(huì)對(duì)一次沖擊線有不利影響，側(cè)壁面產(chǎn)生扭曲回彈以及反弧也是需要考慮的風(fēng)險(xiǎn).

(2)方案二：優(yōu)化壓料面形式，降低拉深深度，造型截面示意圖如圖5所示.該方案是從減少板料進(jìn)料量、縮短成型過(guò)程來(lái)解決開(kāi)裂與起皺之間的矛盾關(guān)系.將尾翼處的壓料面按照一定曲率抬起一定的高度，一般不超過(guò)30 mm，同時(shí)分模線向內(nèi)收縮，從而降低該部位的拉延深度.拉延深度的降低對(duì)解決開(kāi)裂有明顯作用，并且進(jìn)料量的減少也能夠改善補(bǔ)充工藝面的起皺問(wèn)題.但是，由于拉延過(guò)程短，會(huì)一定程度上減小尾翼部位的A面變薄率.

圖5　側(cè)圍外板尾翼拉深成型工藝造型(方案二)

(3)方案三：抬高拉深造型面，增加拉深深度，造型截面示意圖如圖6所示.該方案與方案一有些類似，與方案二在形式上相反.將二次臺(tái)階造型抬高，降低壓料面位置，增加了拉延深度，有利于改善起皺和提高尾翼A面變薄率；同時(shí)，二次臺(tái)階上部的直壁部分取消，側(cè)壁拔模角度增加，尾翼部位A面與補(bǔ)充工藝面之間的圓角加大，可以改善該位置的開(kāi)裂問(wèn)題.

圖6　側(cè)圍外板尾翼拉深成型工藝造型(方案三)

方案三的CAD三維造型如圖7所示.數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)部分為優(yōu)化后的工藝造型，臺(tái)階形式以及分模線走勢(shì)都有變更.可以看出， 臺(tái)階外形被最大程度地向外拓展，以此增加凹模圓角處的工藝補(bǔ)充面積.這對(duì)解決凹模圓角處的起皺非常有利.

同時(shí)，拐角處的分模線也有所變化.這能改變板料流動(dòng)方向，減輕板料在凹模R角內(nèi)發(fā)生聚積和起皺，從而改善起皺.另外，由于臺(tái)階造型的抬高，一次沖擊線被限制在一次臺(tái)階側(cè)壁上，風(fēng)險(xiǎn)大大降低.

圖7　方案三拉深造型

3優(yōu)化措施分析對(duì)比

針對(duì)上述3種不同的造型方案，基于沖壓成型仿真軟件Autoform進(jìn)行拉延模擬分析與方案實(shí)施效果驗(yàn)證.分析的有限元模型如圖8所示.上模為整體凹模，壓邊圈有外側(cè)壓邊圈和兩個(gè)內(nèi)壓邊圈組成，主要考察尾翼位置的拉延成型性.

圖8　側(cè)圍外板拉延模擬Autoform有限元模型

圖4、圖5、圖6所示3種工藝方案基于Autoform的有限元模型除了尾翼處的造型有區(qū)別，其余位置模型一致.所用工藝參數(shù)如表1所示.其中，拉延筋只展示了尾翼處的阻力系數(shù).

表1　Autoform模擬工藝參數(shù)

經(jīng)過(guò)分析，尾翼處的成型極限狀態(tài)分別如圖9、圖10、圖11所示.從方案一和方案二的Autoform成型極限圖可以看出，這兩種方案對(duì)該位置的起皺改善效果并不顯著，凹模圓角上面臺(tái)階處起皺明顯，且尾翼A面位置仍有成型開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn).根據(jù)成型極限圖分析，方案一成型效果優(yōu)于方案二.

圖9　方案一Autoform成型極限圖

圖10　方案二Autoform成型極限圖

圖11　方案三Autoform成型極限圖

圖12　方案三Autoform變薄率

圖11顯示了方案三造型分析結(jié)果.起皺區(qū)域被限制在凹模圓角附近，起皺程度得到明顯改善，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)被完全消除，成型狀態(tài)理想.

再次確認(rèn)3種方案的變薄狀態(tài)(如圖12)，A、B兩點(diǎn)位于圖2中所示原方案開(kāi)裂位置，其變薄率值見(jiàn)表2.表2顯示，方案一與方案二中A、B兩點(diǎn)位置的變薄雖然并未超過(guò)30﹪的極限要求，但都大于25﹪，驗(yàn)證了成型極限圖表現(xiàn)出來(lái)的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn).方案三分析結(jié)果顯示，相同位置的變薄率稍大于20﹪，變薄充分且遠(yuǎn)離風(fēng)險(xiǎn)值30﹪，變薄情況滿足要求[10，11].

表2　三種優(yōu)化方案尾翼處變薄率統(tǒng)計(jì)

由以上分析可以看出，方案一與方案二均未能達(dá)到CAE要求，拉延造型不成功；而方案三的CAE結(jié)果表明，開(kāi)裂起皺風(fēng)險(xiǎn)被控制在安全范圍內(nèi)，能有效解決側(cè)圍外板尾翼位置的開(kāi)裂起皺現(xiàn)象，是最優(yōu)方案.

4改善效果確認(rèn)

根據(jù)確定的最優(yōu)工藝方案對(duì)汽車側(cè)圍外板進(jìn)行模具設(shè)計(jì)與加工，優(yōu)化后的側(cè)圍外板拉延沖壓制件尾翼部位實(shí)際狀態(tài)如圖13所示.對(duì)比圖2，可以看出優(yōu)化后的側(cè)圍尾翼未出現(xiàn)拉延疊料和起皺痕跡，尾翼處A面光順沒(méi)有變形，凹模圓角內(nèi)無(wú)積料和明顯起皺，拉延筋與凹模圓角之間區(qū)域板料平整，拉延件的料邊在拉延筋外，整個(gè)制件沖壓狀態(tài)良好.按照方案三現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)一批制件，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示.

圖13　汽車側(cè)圍外板尾翼成型工藝優(yōu)化后沖出的制件

分類起皺開(kāi)裂報(bào)廢率原狀疊料裂開(kāi)約5~8mm50﹪目標(biāo)波紋微皺變薄率小于25﹪3﹪實(shí)際無(wú)起皺變薄率達(dá)到客戶要求0

方案三不僅在Autoform模擬中滿足了CAE要求，在實(shí)際模具調(diào)試階段也沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)裂的情況，A面品質(zhì)沒(méi)有異常，制件滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求，改善效果顯著.方案三確實(shí)可行.

5結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)汽車側(cè)圍外板尾翼處在沖壓拉延成型過(guò)程中易發(fā)生起皺和開(kāi)裂缺陷的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出多種沖壓工藝造型優(yōu)化方案，再利用Autoform有限元模擬軟件進(jìn)行模擬，可以在CAE階段預(yù)測(cè)制件的詳細(xì)變形結(jié)果.

(1)根據(jù)不同成型方案對(duì)側(cè)圍尾翼進(jìn)行CAE模擬并指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試.通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的對(duì)比分析，最終采用抬高造型臺(tái)階面的最優(yōu)工藝方案.

(2)最優(yōu)方案取消了原方案設(shè)計(jì)的直壁工藝補(bǔ)充部分，增加一次臺(tái)階高度，同時(shí)拓展臺(tái)階外形，增加了凹模圓角處的補(bǔ)充面，改變板料流動(dòng)方向，減輕板料在凹模R角內(nèi)發(fā)生聚積和起皺.另外，臺(tái)階造型的抬高不僅增加了拔模角度，有利于減輕開(kāi)裂情況，同時(shí)大大降低了一次沖擊線的風(fēng)險(xiǎn).

(3)利用最優(yōu)方案指導(dǎo)實(shí)際側(cè)圍外板模具設(shè)計(jì)與調(diào)試，大大降低了模具制造與調(diào)試周期，一次試模沖壓板件狀態(tài)穩(wěn)定.

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(責(zé)任編輯吳強(qiáng))

Improvement of deep drawing forming process on the car side plate around the tail

WAN Peng1, ZHAO Xuesong1, WANG Youmin1, HAN Xiaohou2

(1. College of Mechanical and Automotive Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu Anhui 241000, China;2. Rayhoo Eg. Inc. Ltd, Wuhu Anhui 241009, China)

Abstract：In view of the wrinkling and cracking problems after the drawing and molding process on car spoiler, three kinds of modeling scheme were proposed. Through the analysis of the modeling design, the three modeling schemes were compared. With the improvement and optimization of the original technology, the best modeling scheme to raise the modeling steps was obtained. This scheme effectively eliminates the defect of cracking and wrinkling by improving the feeding speed and increasing the fluidity of material, which has some references for the stamping process design of the similar and other products.

Key words：car side; drawing; cracking; wrinkling; Autoform simulation; stamping process

[中圖分類號(hào)]TG386

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-8004(2016)02-0089-05

[作者簡(jiǎn)介]萬(wàn)鵬(1991—)，男，安徽蕪湖人，碩士，主要從事機(jī)械工藝與機(jī)械制造方面的研究.

[收稿日期]2015-11-11