汽車前壁板沖壓件的拉延成形缺陷工藝優化與Autoform應用

李林鑫，陳顯均，銀強，馮鈴，賴麗莉

(四川化工職業技術學院，四川瀘州 646005)

0 引言

近年來，隨著我國汽車工業的快速發展，競爭日益激烈。為滿足人們對汽車產品多樣性的需求，各汽車企業的產品特點已從原來品種少、批量大、換代周期長向品種多、批量小、換代周期短轉變[1]。沖壓工藝作為汽車主機廠沖壓、焊接、涂裝及總裝四大工藝之首，在汽車制造行業具有舉足輕重的作用[2]。傳統的汽車板材的沖壓，在經驗指導下，設計一個初步工藝方案，然后采用試錯法，反復調整直至得到合格的零件，這種方法耗時長，材料浪費較嚴重[3-7]。本文作者采用Autoform軟件，通過沖壓工藝的虛擬仿真調試，指導實際的模具設計和工藝參數調整，獲得了較好的效果。

1 缺陷問題介紹

汽車前壁板是將發動機空間與駕駛空間隔開的一個零件，如圖1所示，該產品由OP10拉延→OP20切邊沖孔側切邊→OP30切邊沖孔側沖孔→OP40切邊沖孔側沖孔→OP50翻邊整形等5道工序沖壓而成，其具有較多凸凹臺結構，形狀復雜，零件長寬約為1 300 mm×800 mm，而其最大拉延深度接近300 mm，零件加工工藝性差，特別是采用鍍鋅板為材料，因摩擦因數和成分不均勻的影響，在沖壓加工過程中，很容易出現裂紋和疊料缺陷。

圖1 汽車前壁板結構

如圖2所示，某企業生產的前壁板，出現了裂紋和疊料缺陷。該零件要求的報廢目標0.04%，返修目標0.06%，實際生產中每批次生產均出現疊料、破裂缺陷，返修高達0.396 5%，報廢高達0.130 4%。為了得到合格的產品，降低報廢和返修百分比，文中通過使用流程圖、魚骨圖和因果矩陣圖等工具，全面分析各個環節，查找問題原因，并采用有限元模擬Autoform軟件對成型過程進行仿真，以期驗證改進方案和得到較好的工藝參數，得到質量合格的產品。

圖2 前壁板產品缺陷圖

2 缺陷產生原因分析

產品沖壓生產流程圖如圖3所示，可以看出在OP10拉延工序后沒有再出現使材料變薄和增厚的工序，由此可以判定，裂紋和起皺必然是在OP10拉延工序中產生。

圖3 前壁板沖壓生產流程

3 改進措施

針對流程圖和魚骨圖分析找到的缺陷產生因素，結合生產經驗，擬從以下方面進行改進：

(1)檢測機床頂桿高度，停止使用超過公差范圍的頂桿；

(2)分別設置工藝參數范圍中的最大最小值生產，判斷參數設置是否合理；

(3)用藍丹擦拭已成型零件上下面，機床上合模檢查模具型面貼合度，消除未能貼合的型面位置；

(4)調節模具上材料定位，判斷是否對材料成型產生影響及允許調節定位的最大位置；

(5)硬度計檢測壓邊圈和模具型面表面硬度，不合適處重新熱處理；

(6)根據零件成型破裂和起皺位置，調節對應方向上的拉延筋R角大小，破裂縮頸處放大R角、起皺疊料處減小R角；

(7)每垛料首尾料生產時，對比生產過程中的全檢零件狀態，發生變化及時調整生產參數；

(8)用Autoform分析材料性能指標是否滿足零件成型要求，得到最佳工藝參數；

(9)記錄不同鋼卷號的原材料生產產生的不良品數量，判定原材料波動是否明顯影響零件成型。

4 Autoform分析

4.1 數據導入

導入了如圖4所示的上下模具和壓邊圈。壓邊圈的起始位置設與實際加工位置一致，為220 mm。初始模擬壓邊力，按照下式計算：

圖4 上下模與壓邊圈設置

FQ=Ap

式中：A為壓邊圈下毛坯的投影面積(mm2)；p為單位壓邊力(MPa)。

由UG投影后可得到A值為5 136 mm2，查閱《現代沖壓技術手冊》，DC56D+Z(St07Z)材料的p值為(2.5～3)MPa，則FQ(N)=686 914 mm2×(2.5～3)MPa=1 717～2 060 kN。該壓邊力包含兩部分，一是壓邊圈壓力，二是拉延筋的力，因此實際壓邊力要小于該數據，在模擬過程中，要根據模擬結果進行調整。設置初始壓邊力為1 500、1 200、1 000、800 kN。

材料模型選擇Autoform材料庫中的DX56D_Z_D080_TEM，其力學性能如表1所示，與寶鋼鋅鐵合金DC56D+Z(St07Z)性能基本一致。

表1 導入的材料力學性能參數

拉延筋的設置，如圖5所示，將原模具上拉延筋進行了編號，共計17段。根據改進措施分析，文中將左右兩側(圖5中的6、14號拉延筋)的等效系數增大(即減小R)，以保證中間的疊料區域將料拉開，消除疊料缺陷，同時將裂紋出現區域的等效拉延筋系數減小(即增大R)，防止裂紋缺陷產生。

圖5 等效拉延筋的優化設置

第一次模擬的拉延筋的等效系數設置見表2。

表2 第一次模擬的拉延筋等效系數設置

4.2 結果分析

4.2.1 成形極限圖分析

初次模擬成形極限圖結果如圖6所示，壓邊力不小于1 000 kN時，都在I區(破裂區，區域位置如圖6(a)所示)中出現了不同程度的點分布，都有極大可能會產生拉裂缺陷。壓邊力為800 kN時，I區中的分布點消失，有0.05%的點分布在Ⅱ區(減薄區)域和8.76%的Ⅳ區(增厚區)。在Autoform的成形極限圖出現Ⅳ區中點分布，并不代表一定會產生起皺(疊料)缺陷，要結合后續Wrinkles結果進行判斷。

圖6 不同壓邊力下的成形極限圖結果

4.2.2 起皺模擬結果分析

如圖7所示，通過軟件分析，在圖中深黑色標記為Wrinkles值不小于0.1的區域，根據經驗，在料厚小于3 mm時，都會出現起皺，且料厚越小，起皺的程度越高。

圖7 坯料起皺分析結果圖

通過經驗判定，出現該起皺缺陷的原因是該位置的坯料未被拉開，過多的材料進入了該區域中。為了消除該缺陷，在其他拉延筋等效參數不變的情況下，對影響起皺位置編號為6、7、10、12、13的拉延筋參數進行了調整，如表3所示，進行了再次成形模擬。

表3 第一次調整后的拉延筋參數

4.2.3 第二次成形模擬結果分析

如圖8(a)所示，第二次模擬成形極限圖結果中沒有出現在Ⅰ區(拉裂區)的點分布；如圖8(b)所示，起皺區域明顯減小，但仍然存在，說明起皺缺陷對應拉延筋的壓邊力還不夠，還應該繼續增大。

圖8 第二次分析成形極限圖和起皺判定結果

為了得到理想的模擬結果，進行了第三次模擬，參數調整見表4，因第二次模擬成形極限圖結果中Ⅱ區(減薄區)中的點分布增加到了0.5%，且邊緣非常靠近Ⅰ區(破裂區)，第三次模擬的壓邊力減小至750 kN。

表4 第二次調整后的拉延筋參數

4.2.4 第三次成形模擬結果分析

如圖9(a)所示，第三次模擬成形極限圖結果中沒有出現Ⅰ區(破裂區)點分布，且Ⅱ區(減薄區)域邊緣與Ⅰ區(破裂區)有一定距離，模型安全系數大；如圖9(b)所示，起皺區域消失。通過第三次模擬確定了模具17條拉延筋的等效參數和壓邊力大小。

圖9 第三次分析成形極限圖和起皺判定結果

5 實際生產效果

根據模擬確定的工藝參數進行了實際生產，如圖10所示，工件原有缺陷被消除，產品質量符合客戶要求。

圖10 工藝改進后的實際生產產品圖

6 結論

(1)在沖壓生產中，通過產品流程圖和魚骨因果圖的合理運用，可以快速地找到缺陷產生的根本原因，并進行系統分析和改善。

(2)針對較大拉深深度和復雜凸凹臺結構鍍鋅板零件，通過拉延筋和壓邊力的調整，改善了拉延成形產品質量，消除裂紋和起皺缺陷，對同類產品的工藝改進和現場試模有較大的指導意義。

(3)經過實際生產效果驗證，Autoform模擬確定的工藝參數，具有較高的可行性，可以在實際生產中得到應用。減少了試模次數，有利于縮短模具開發時間，降低生產成本。