高強鋼后地板汽車覆蓋件成形數值模擬及工藝優化＊

張留偉，徐慧西，褚建忠，胡烈

（1.臺州科技職業學院，浙江臺州318000；2.浙江黃巖沖模有限公司，浙江臺州318000）

1 引言

隨著國家對環保和節能的要求，減輕汽車整車重量的趨勢越來越清晰。大量研究數據說明，當汽車的整體質量下降10%，燃油效率可以提升6%~8%，汽車整車重量每減少100千克，百公里油耗可以降低0.3至0.6升。因此，研究開發汽車用新材料或新工藝來減輕汽車整車重量越來越受到各大車企的重視[1~2]。

鋼鐵材料由于價格便宜、工藝比較成熟等一系列優點，所以可以運用相關新工藝作用于鋼鐵材料，充分發掘其性能，使其成為高強度鋼材，從而成為目前運用最多的材料[3]。

有限元分析模塊能夠快速評估研發過程中的質量問題，進而把設計中產生的缺陷控制在初始階段，因此，有限元分析模塊被廣泛運用于汽車模具設計，此技術的推廣應用極大地提高了汽車覆蓋件模具的設計能力，并能及時發現解決設計過程中的一些棘手問題，能夠顯著提高企業效益[4~5]。

2 制件分析和工藝安排

2.1 制件分析

高強鋼后地板工件如圖1所示，制件整體尺寸為：1,650×930×210mm，制件厚度0.8mm，所用板料為590DP，制件約重6.2kg。通過測量可知，制件外形尺寸較大、不規則面非常多、沖壓要求高等多個特點。為達到提升材料利用率的目的，應該從拉伸筋、拉伸深度和工藝補充面的優化等工藝方面作為切入點。

圖1 制件數模

2.2 工藝方案設計

在設計工藝方案時，保證沖出合格制件的前提下，應使設計出的工序數目最少，從而降低生產成本。綜合分析本制件的結構特征，特設計出5副模具來沖制，即拉伸（OP10）?修邊沖孔（OP20）?修邊沖孔側沖孔（OP30）?翻邊整形翻口（OP40）?沖孔側修邊側沖孔（OP50）5道工序，如表1所示。

表1 工藝設計

成形類制件，按照成形先后次序，由最后工序向前工序依次展開，最后得到坯料尺寸。對于能夠用理論計算公式展開的內容全部用理論公式計算。對于不能夠用理論計算公式展開的內容用Autoform優化展開。壓料面內能均勻地布置氣墊頂桿，即：凸模輪廓線在氣墊范圍以內，并有空間布置氣墊頂桿。保證成形及拉伸過程中材料不失控，無疊料、起皺現象，成形終了時，材料的減薄量、增厚量控制在理想范圍內。

3 模擬預處理

3.1 沖壓方向的確定

在汽車覆蓋件沖壓工藝拉伸、修邊、沖孔、翻邊等多個工序中，要盡量把各個工序的沖壓方向設計成相同的，這樣可以使在批量生產中不需要進行翻轉，便于工人操作，大大提高生產率，且有利于模具的設計與制造。本項目是將后地板覆蓋件數模導入模擬分析軟件Autoform中，通過調整相關參數，使后地板數模相對沖壓方向無負角，如圖2所示。

圖2 沖壓方向

3.2 壓料面設計

壓料面為組成工藝補充面部分，即凹模圓角半徑以外的部分。毛坯料被壓邊圈壓在凹模壓料面上，得到的工藝補充部分以無產生起皺和破裂為標準，從而保證毛坯料具有很好的拉伸作用。另外，壓料面形狀對制件質量、材料利用率等都有很大影響。運用有限元分析軟件相關命令可以形成相關壓料面，然后調整相關參數達到分析所需要求。

3.3 拉伸筋設計

拉伸筋的合理設計可以增加進料阻力、增加徑向拉應力、調整進料阻力和進料量等作用。拉伸筋參數的合理設置是控制金屬流動、防止出現起皺和破裂的重要手段，拉伸筋的設計是沖模設計的關鍵技術。一般來講，所設計的拉伸筋要放在壓邊圈之上，這樣可以提高材料剛性、保證坯料流入速度等，高強鋼后地板制件是運用圓形拉伸筋分析。

3.4 壓邊力的計算

通常壓邊力的計算按照公式：

式中Pb——壓邊力，kN

Sb——壓邊圈面積，mm2

γ——系數，內板件一般取0.22kN·mm-2

P——拉伸筋的力，kN

通常，企業為了利益最大化，會采用前人經驗推算壓邊力數值，壓邊力=（制件長+制件寬）×4/100=120t，最后依據模擬數值依次調整壓邊力大小。

4 高強鋼后地板的模擬和優化

4.1 成形過程

高強鋼后地板汽車零部件的成形過程模擬如圖3所示，高強鋼后地板成形模擬示意圖可直觀反映拉伸過程。

圖3 坯料成形過程

高強鋼后地板汽車覆蓋件在有限元分析過程中會產生起皺及破裂等缺陷，產生這些缺陷的因素可以歸納為[1]：①在有限元分析中，設定的壓邊力太高，從而使得制件在模擬成形中發生破裂；②分析中所使用的拉伸筋或拉伸筋參數錯誤，從而導致制件發生開裂或起皺現象；③分析所用工藝補充面發生錯誤，直接會使毛坯料在凹?？诹鲃硬粫?，從而引起缺陷的產生。

起皺和破裂現象可以用以下方法解決：①根據實際生產情況取壓邊力數值，壓邊力過大會使得制件直接破損，而壓邊力過小則會導致制件起皺現象的產生，所以運用Autoform軟件循環分析，高強鋼后地板拉伸工序壓邊力選用120t，模擬結果制件完好；②不使用整體拉伸筋形式，而是運用分段式的，每段可以調為不同參數，以適應不同工況下壓邊力的需要；③優化各序所做的3D工法圖，尤其是工藝補充方面，這樣可以保證后續的模擬、模具設計以及最后試模的順利進行。

4.2 模擬結果分析

通過調整壓邊力的大小、工藝補充面的優化和相關拉伸筋的設置，最終模擬是以制件的下型面做為基準，可以允許的最大減薄率為25%，壓邊力設置為130t，壓邊圈的行程為140mm，摩擦系數定為0.13。圖4所示為成形極限圖表，即FLD圖形，圖4中可得出制件無開裂現象發生，成形狀況良好。圖5所示為板料減薄率分布圖，從圖5中可以看出最大減薄率17%，在接受范圍之內。

圖4 板料成形極限圖（FLD）

圖5 板料減薄率分布圖

4.3 高強鋼后地板試生產

運用Autoform軟件的分析結果指導沖壓系列模具的設計，圖6所示為高強鋼后地板OP10拉伸模結構圖，其上模座、壓邊圈和凸模采用GGG70L材質，下模座采用HT300材料整體鑄造，拉伸模整體重量10.6t。OP20、OP30、OP40和OP50所設計模具的上模座、壓料板和下模座均采用HT300整體鑄造，修邊刀塊采用ICD-5材料，其模具整體重量分別為7.8t、7.1t、8.7t和7.1t。其中拉伸模的壓邊圈上裝有墩死塊，限制下壓行程，保護模具零部件。

圖6 拉伸模結構

圖7所示為高強鋼后地板成品件，生產過程中沒有出現起皺和開裂等不良現象，制件的成形效果較好，能夠滿足客戶對制件的各項性能要求。

圖7 試生產高強鋼后地板

5 結語

（1）依據制件的結構特點，制定了高強鋼后地板的成形工藝方案。

（2）運用Autoform模擬分析軟件，通過優化模擬參數，得出了制件的成形極限圖表、制件減薄率/增厚率等參數圖形。

（3）對于后地板制件發生起皺和開裂等不良現象，提出了對應解決措施。

（4）模具設計制造完成后，試模得出符合各項技術指標的制件，從側面驗證了Autoform分析的正確性。