解決沖壓成形過(guò)程中零件立壁起皺的方法

秦海斌，張 宇，馬延峰

（恒大新能源汽車集團(tuán)天津公司，天津 300301）

0 引 言

汽車產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的快速發(fā)展，規(guī)模越來(lái)越大，品牌種類也越來(lái)越多，消費(fèi)者選擇汽車時(shí)，除了考慮價(jià)格因素外，越來(lái)越注重汽車的整體品質(zhì)及細(xì)節(jié)質(zhì)量。對(duì)于目前的鈑金成形工藝，汽車車身上的內(nèi)外覆蓋件大部分采用沖壓成形，由于沖壓工藝排在汽車整車制造四大工藝的首位，沖壓產(chǎn)生的缺陷不僅影響沖壓?jiǎn)渭钠焚|(zhì)，還會(huì)對(duì)后工序的制造工藝產(chǎn)生影響，而且會(huì)增加現(xiàn)場(chǎng)操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

為了保證沖壓零件的使用性能與外觀需求以及某些成形性的需求，沖壓零件或拉深補(bǔ)充造型會(huì)設(shè)計(jì)較深的立壁造型。沖壓成形過(guò)程中這些較深的立壁造型位置由于橫向及縱向受力不平衡，容易出現(xiàn)起皺缺陷，影響沖壓零件的外觀質(zhì)量及使用性能，大批量生產(chǎn)時(shí)還會(huì)對(duì)沖模零件造成磨損，影響模具的使用壽命。板料的沖壓成形理論是相通的，現(xiàn)通過(guò)建立簡(jiǎn)單的方盒形零件試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑧?yīng)用Auto-Form軟件進(jìn)行仿真分析，展示具有較深立壁零件的沖壓成形過(guò)程，并針對(duì)沖壓成形過(guò)程中立壁出現(xiàn)的起皺缺陷，在立壁上增加造型，消除成形時(shí)零件產(chǎn)生的質(zhì)量問(wèn)題。

1 沖壓零件常見(jiàn)的起皺缺陷及判定方法

起皺的主要原因是坯料在成形過(guò)程中由于材料流動(dòng)不均勻、壓力不足等因素引起的厚度方向上的失穩(wěn)，導(dǎo)致產(chǎn)生起皺缺陷。坯料在成形過(guò)程中與工具體接觸，接觸狀態(tài)分為2種，即雙面工具體接觸和單面工具體接觸，簡(jiǎn)稱雙面接觸和單面接觸，不論是單面接觸還是雙面接觸，坯料的起皺都是由于受力原因?qū)е虏牧狭鲃?dòng)不均勻引起的。雙面接觸狀態(tài)為壓料區(qū)域坯料的成形狀態(tài)，雙面接觸坯料的起皺主要是由于壓力不足引起，除此之外其他區(qū)域的成形狀態(tài)均為單面接觸，單面接觸按照時(shí)機(jī)又可分為成形過(guò)程和成形結(jié)束2種，單面接觸坯料的起皺主要是由于坯料受到的主應(yīng)力和次應(yīng)力不均衡、差異過(guò)大導(dǎo)致的。

AutoForm軟件中雙面接觸區(qū)域的起皺可采用表面缺陷高度進(jìn)行判定，判定值規(guī)定在-0.5～+0.5 mm，超過(guò)該范圍，可判定為起皺。

單面接觸區(qū)域的起皺，要針對(duì)不同成形階段使用不同的判定方式，需注意的是成形結(jié)束不一定是模具閉合到底，例如翻邊類成形等。成形結(jié)束前1～3 mm，觀察起皺的趨勢(shì)，如果出現(xiàn)明顯的褶皺，則實(shí)際成形到底時(shí)板料會(huì)出現(xiàn)起皺問(wèn)題，并且不會(huì)被模具零件壓平。AutoForm仿真分析結(jié)果出現(xiàn)此類問(wèn)題，則需優(yōu)化工藝方案或造型方案，并反復(fù)分析，直到問(wèn)題得到解決。

AutoForm軟件中，單面接觸區(qū)域成形結(jié)束后板料上的起皺缺陷，可用Potential Wrinkles命令來(lái)判定，此判定命令需要在當(dāng)前工序成形結(jié)束后查看，判定值控制在0.03 mm以內(nèi)，如超過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)值，即可判定為成形零件起皺。

2 創(chuàng)建AutoForm仿真分析試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

（1）創(chuàng)建工具體模型。在3D制圖軟件CATIA中創(chuàng)建方盒形零件工具體的幾何模型，并導(dǎo)入仿真分析軟件AutoForm中進(jìn)行工具體的設(shè)置，方盒形零件的立壁深度為200 mm，立壁拔模角度為7°，初始設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單的單一形狀立壁，如圖1所示。

圖1 方盒形零件工具體試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

（2）創(chuàng)建板料模型。初始板料設(shè)計(jì)成方形板料，尺寸為1 500 mm×1 500 mm×1 mm，材料選用深拉深零件常用材質(zhì)DC06，板料形狀如圖2所示。

圖2 沖壓成形仿真分析板料形狀

（3）在壓料面上將分模線向外擴(kuò)大20 mm作為拉深筋的中心線，設(shè)置直線段位置拉深筋高度為4 mm，拉深筋R角為3 mm。壓邊力1 000 kN，摩擦系數(shù)0.15。

運(yùn)動(dòng)方式為單動(dòng)拉深，模具在壓力機(jī)滑塊的作用下運(yùn)動(dòng)，板料因受到模具零件的作用力而發(fā)生流動(dòng)，并基于模具零件形狀發(fā)生變形，進(jìn)而產(chǎn)生塑性變形，得到所需的零件形狀。

3 沖壓成形仿真結(jié)果分析

（1）方盒形零件為單一形狀立壁時(shí)，無(wú)論是沖壓成形過(guò)程或是沖壓成形到底狀態(tài)，零件的立壁都出現(xiàn)了明顯的波紋，產(chǎn)生質(zhì)量缺陷，如圖3所示。初始狀態(tài)的板料在模具零件和壓力機(jī)滑塊的作用下，材料由外向內(nèi)流動(dòng)，發(fā)生塑性變形，最終變?yōu)榉胶行蔚男螤睢Ｔ摮尚芜^(guò)程中，材料在平行于板料流動(dòng)的方向受拉應(yīng)力的作用，容易開(kāi)裂，而在垂直于板料流動(dòng)的方向，由于板料由外向內(nèi)的收縮流動(dòng)，板料受壓應(yīng)力的作用，再加上沖壓零件一般形狀不規(guī)則，材料流動(dòng)更不均勻，容易起皺，特別是在外圍立壁位置，如果立壁深度較深時(shí)，壓應(yīng)力的作用比較集中，容易在立壁產(chǎn)生波紋。

圖3 單一形狀立壁方盒形沖壓成形仿真分析

（2）在方盒形工具體立壁中間部位設(shè)計(jì)一個(gè)臺(tái)階造型，寬度為10 mm，臺(tái)階R角半徑為3～5 mm，如圖4所示，實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)實(shí)際情況控制臺(tái)階尺寸。

圖4 帶臺(tái)階方盒形造型

仿真分析結(jié)果如圖5所示，臺(tái)階以上部位波紋消除，由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ土⒈谏疃冗^(guò)深，臺(tái)階以下至凹模口部位的立壁波紋仍然存在。

圖5 帶臺(tái)階立壁方盒形沖壓成形仿真分析

（3）鑒于一級(jí)臺(tái)階造型無(wú)法徹底消除立壁波紋缺陷，在一級(jí)臺(tái)階與凹模口之間的立壁中間位置設(shè)計(jì)二級(jí)臺(tái)階，分析結(jié)果表明立壁波紋缺陷基本消除，如圖6所示。在立壁上設(shè)計(jì)臺(tái)階造型可以有效消除沖壓零件立壁上的波紋缺陷，臺(tái)階的間隔及數(shù)量應(yīng)根據(jù)零件的成形狀態(tài)確定，并經(jīng)仿真分析結(jié)果驗(yàn)證。

圖6 二級(jí)臺(tái)階立壁方盒形沖壓成形仿真分析

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在沖壓零件的立壁設(shè)計(jì)臺(tái)階造型，材料在沖壓成形過(guò)程中流過(guò)立壁上的臺(tái)階處與臺(tái)階的R角接觸，避免了成形過(guò)程中整個(gè)板料的自由懸空狀態(tài)，減緩周圈壓應(yīng)力的影響，并且斷開(kāi)了起皺擴(kuò)展的整體趨勢(shì)，可以有效抑制起皺的產(chǎn)生。沖壓成形到底時(shí)，材料在臺(tái)階上的R角位置發(fā)生局部硬化，還能有效增強(qiáng)成形零件的剛度，減少其立壁處的回彈。