基于Autoform的汽車上防撞梁內板成形工藝分析*

丁 海,馬秉馨,王會敏,熊志毅

(1.河南工學院 材料科學與工程學院,河南 新鄉(xiāng) 453003;2.河南省金屬材料改性技術工程技術研究中心,河南 新鄉(xiāng)453003)

0 引言

在汽車設計制造的整個周期中,汽車覆蓋件沖壓成形工藝設計及相關模具制造調試水平始終是汽車研發(fā)速度與品質提升的核心因素。汽車覆蓋件的成形是汽車能否批量化生產(chǎn)的基礎保證,但在此階段出現(xiàn)的質量問題相對較多,原因也很復雜。沖壓調試過程中各種質量問題的解決,可主要依靠工程人員的調試經(jīng)驗和成功生產(chǎn)的實例進行類比,通過試錯加以解決[1],還可通過優(yōu)化汽車覆蓋件設計,提高仿真成形的并行程度快速解決問題。本文將詳細闡述汽車上防撞梁內板的研制過程。

1 汽車上防撞梁內板成形工藝分析

汽車上防撞梁內板零件三維結構如圖1,坯料板厚1.8mm,材質HC340/590DPD+Z,尺寸1237mmX163mmX131mm。坯料為雙相(DP系列)高強度鍍鋅板,顯微組織主要由軟基體鐵素體和硬質相馬氏體組成,且馬氏體以島狀分布于鐵素體基體中,具有強度高和延塑性好的特點。

圖1 零件三維結構

從圖1可以看出,該零件的結構比較復雜,必須經(jīng)過多道工序才能生產(chǎn)出最終產(chǎn)品。通常沖壓生產(chǎn)先從拉延開始,然后通過修邊、切斷、翻邊、整形等工序完成最終鈑金件成形。上防撞梁內板結構的特點是:不需要翻邊,制件外形輪廓及孔的精度要求較高,但制件存在的回彈現(xiàn)象會影響制件上定位孔的最終成形精度。故考慮采用四道工序:拉延—修邊—沖孔—整形。由于汽車覆蓋件的拉延成形工序直接決定產(chǎn)品壁厚分布的均勻性,進而決定制件的力學性能,因此,首先對汽車上防撞梁內板拉延成形過程進行成形工藝模擬仿真,再進行相關模具結構設計。

2 拉延成形工藝仿真

利用有限元方法對成形過程進行數(shù)值模擬,常通過壓料力、板料尺寸、拉延筋、工藝補充面等參數(shù)之間的合理匹配來提高板料成形質量,降低模具開發(fā)成本。本研究制件三維結構以.igs 格式導入Autoform有限元軟件,用BT殼單元對三維制件體進行幾何離散,采用靜態(tài)隱式算法進行模擬計算。

由于拉延筋的參數(shù)會影響金屬板料塑性變形的快慢,通常通過調整拉延筋R角的大小改變板料變形阻力、調整進料速度,以防止板料起皺[2-4]。為保證進料均勻、成形效果良好,可將汽車上防撞梁內板成形中拉延筋設為周圈封閉式,如圖2虛線所示,拉延筋半徑設置為6mm,壓邊圈行程設置為55mm,摩擦系數(shù)分別設置為0.20、0.18、0.15、0.12進行拉延成形過程有限元模擬仿真。

圖2 壓邊圈位置圖

如圖3所示依次設置模擬分析中的凸模、凹模和壓邊圈。

圖3 拉延工序成形模具模型

摩擦系數(shù)取0.20、0.18時在制件兩端尖角處出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象,而摩擦系數(shù)取0.12時制件兩側出現(xiàn)了褶皺。分析原因,主要因為制件立面角度較小,摩擦系數(shù)太大時制件成形阻力太大;制件型面高低落差較大,摩擦系數(shù)較小時制件兩側出現(xiàn)了褶皺。摩擦系數(shù)為0.15,壓邊力為150T時,不同拉延位置的仿真結果如圖4所示。

30mm to the draw home

圖5 成形極限圖

圖6 坯料減薄率分布圖

從圖4中可以看出零件得到充分拉延,從圖5—7中可以看出,制件的成形沖擊線、成形線分布在制件的側壁上,制件外觀表面未出現(xiàn)起皺、開裂、變形不足和表面質量問題;同時,板料在形狀變化過程中得到充分的拉延變形,制件的力學性能得到充分保證。故拉延筋半徑及位置設置合理,拉延成形參數(shù)選取可行。

3 修邊、沖孔、整形成形工藝

零件的多步成形工藝方案為,拉延成形、修邊沖孔、整形、側修邊+沖孔?？紤]到制件實際尺寸,為了提高機床生產(chǎn)效率,將前上防撞梁內板的修邊沖孔、整形、沖孔等工序整合成一幅級進模進行模具整體結構設計。但實際模具生產(chǎn)調試時,所成形汽車上防撞梁內板在邊角處(如圖8所示)出現(xiàn)毛刺和變形量過大現(xiàn)象,產(chǎn)品精度無法保證。

圖8 制件結構修改

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),因制件的邊角處修邊角度較大從而導致在沖裁過程中出現(xiàn)應力集中、塑性變形過大,制件在該處出現(xiàn)毛刺和起皺現(xiàn)象。

和汽車廠家溝通修改汽車上防撞梁內板制件局部結構(如圖8所示)后,制件修邊沖裁成形過程中無毛刺、起皺現(xiàn)象出現(xiàn),制件的成形精度得以保證,模具壽命得以提升。

按照拉延成形仿真方案所設計的拉延模具和依據(jù)實際生產(chǎn)結果優(yōu)化后的多工序級進模具所生產(chǎn)的拉延制件和汽車上防撞梁內板產(chǎn)品如圖 9所示。拉延制件沒有出現(xiàn)拉裂、起皺、沖擊線等質量缺陷,外觀質量良好,力學性能滿足產(chǎn)品要求;多工序級進模具生產(chǎn)的汽車上防撞梁內板,尺寸精度符合要求,外觀無毛刺,成形質量好。

圖9 產(chǎn)品

4 結語

采用Autoform對汽車上防撞梁內板拉延成形過程進行有限元仿真模擬,確定了最優(yōu)拉延成形方案及工藝參數(shù),為模具制造和調試提供了參考依據(jù),提升了拉延模具的設計效率,保證了產(chǎn)品的成形質量;通過優(yōu)化制件修邊角度,保證了制件的成形精度,提高了模具的使用壽命。本文的實踐為大型汽車覆蓋件的設計和成形精度的優(yōu)化提供了借鑒,具有一定的現(xiàn)實意義。