徐迎強(qiáng)，韓永志，崔禮春

(安徽江淮汽車股份有限公司，合肥 230601)

車身覆蓋件尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為空間曲面形狀，用簡單的數(shù)學(xué)解析很難表達(dá)，其加工過程涉及幾何、材料非線性和復(fù)雜的摩擦狀態(tài)等問題。由于影響因素較多，因此無法精確控制材料的流動(dòng)，較難找到變形規(guī)律，出現(xiàn)的質(zhì)量問題較多[1—6]。傳統(tǒng)意義上的試模法造成大量資源浪費(fèi)，已無法應(yīng)對(duì)如今產(chǎn)品更新?lián)Q代的短周期的要求，板料成形CAE使工藝設(shè)計(jì)人員可以在投產(chǎn)準(zhǔn)備階段，預(yù)估零件成形中可能出現(xiàn)的缺陷，如回彈、起皺及破裂等，并優(yōu)化工藝參數(shù)，驗(yàn)證并指導(dǎo)后期的模具設(shè)計(jì)工作[7—13]。

前圍橫梁連接板的成形工藝，由拉延(DR)、修邊(TR)、翻邊(FL)及整形(RST)等4道工序完成，其中DR是關(guān)鍵，它決定了TR，F(xiàn)L和RST等工序的內(nèi)容及成形狀態(tài)。文中針對(duì)汽車前圍橫梁連接板，用板料成形CAE軟件AUTOFORM對(duì)其成形過程進(jìn)行數(shù)值仿真，根據(jù)CAE分析結(jié)果對(duì)DR型面及工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，消除零件制造過程中的暗傷及開裂的風(fēng)險(xiǎn)，減小模具開發(fā)周期，保證零件成形狀態(tài)。

1 零件工藝性分析

汽車前圍橫梁連接板二維圖如圖1所示，零件材料為B340LA，材料厚度為1.0 mm，最大外觀尺寸為268 mm×74 mm，型面較復(fù)雜，局部位置成形深度大，型面結(jié)構(gòu)變化較大，變形規(guī)律難以掌握，易產(chǎn)生成形缺陷。

圖1 汽車前圍橫梁連接板二維圖Fig.1 Sketch of front beam connecting part

根據(jù)沖壓件的成形工藝，針對(duì)零件沖壓方向的設(shè)計(jì)、拉延壓料面設(shè)計(jì)及后工序成形狀態(tài)等內(nèi)容，對(duì)汽車前圍橫梁連接板進(jìn)行工藝方法設(shè)計(jì)[14—15]。

圖1在添加工藝補(bǔ)充面時(shí)，A處直面由后續(xù)FL工序完成，因此現(xiàn)沿翻邊線圓角處展平;B處型面翹曲，增加其拉延深度，減小型面翹曲角度，后續(xù)通過RST工序完成，這樣會(huì)保證零件在該處的型面精度;隨零件外輪廓增加壓料面，并保證和數(shù)模實(shí)體之間有圓滑過渡，以及合適的圓角和型面光順，保證DR成形順利，完成后的工藝數(shù)模如圖2所示。

圖2 工藝數(shù)模Fig.2 Diagram of process digital

2 參數(shù)設(shè)定與有限元建模

2.1 參數(shù)設(shè)定

汽車前圍橫梁連接板的材料為B340LA，坯料尺寸為420 mm×190 mm×1.0 mm，其材料的物理性能參數(shù)如表1所示。采用Hill屈服模型，表示為:

表1 材料的物理性能參數(shù)Table1 Mechanical properties of material

2.2 有限元建模

有限元模型如圖3所示，拉延成形采用倒裝結(jié)構(gòu)，凸凹模及壓邊圈選為剛性結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格自適應(yīng)重劃分次數(shù)為3，時(shí)間步長為20，板材單元厚度方向積分為5。采用等向強(qiáng)化板材模型，材料本構(gòu)關(guān)系為[19—20]:

式中:k為與材料屬性有關(guān)的常數(shù)(k＞0);n為硬化系數(shù)。

圖3 模擬成形的有限元模型Fig.3 Model for FEM analysis

3 模擬結(jié)果分析與優(yōu)化

3.1 結(jié)果分析

CAE分析結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，在A處存在開裂風(fēng)險(xiǎn)，原因?yàn)樵撎幉牧系某尚螌儆诿浶纬尚危艿诫p向拉應(yīng)力作用，且型面圓角小，變形較為集中，致周圍材料流動(dòng)不暢而開裂。將A處型面進(jìn)行球化處理，使成形效果得到了改善，后續(xù)整形工序再將放大的球化型面整形回制件的要求。從圖4中還可以看出，在B處翻邊時(shí)，受翻邊工具運(yùn)動(dòng)作用，受到雙向拉應(yīng)力，材料流向兩側(cè)，翻邊開裂嚴(yán)重，為此DR工序工藝方法需優(yōu)化。

圖4 成形極限Fig.4 Forming limit diagram

3.2 優(yōu)化方案

由于采用原工藝方法進(jìn)行DR成形，會(huì)產(chǎn)生多處開裂缺陷，因此對(duì)DR工藝方法進(jìn)行調(diào)整。針對(duì)B處翻邊開裂缺陷，將零件兩側(cè)翻邊線提高，使翻邊線成直線，消除兩側(cè)拉應(yīng)力，使材料更易流動(dòng)，消除該處的成形缺陷危險(xiǎn)度。對(duì)A處型面進(jìn)行球化處理，后續(xù)整形工序再將放大的球化型面整形回制件的要求，優(yōu)化前后的模面如圖5所示。根據(jù)以上結(jié)果，在各工藝參數(shù)相同的情況下，利用新的DR型面對(duì)成形過程進(jìn)行了CAE計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，A處型面球化后，角部無暗傷及拉裂，材料最大減薄率為14.6%，在B340LA(t=1.0 mm)材質(zhì)減薄率安全范圍內(nèi)(16.9%);B處無翻邊開裂風(fēng)險(xiǎn)，材料流動(dòng)均勻，成形結(jié)果得到很大改善。

圖5 優(yōu)化前后的工藝補(bǔ)充面Fig.5 Addendum before and after optimization

圖6 優(yōu)化工藝面后的模擬結(jié)果Fig.6 Simulation result with optimized addendum

4 物理驗(yàn)證

按照上述模擬結(jié)果，根據(jù)修改及優(yōu)化的拉深件型面，重新設(shè)計(jì)加工制造模具，調(diào)試得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7和8所示。零件成形良好，無暗傷與開裂缺陷。

圖7 最終拉延零件Fig.7 Finished drawing part

圖8 最終產(chǎn)品Fig.8 Final product

5 結(jié)論

針對(duì)汽車前圍橫梁連接板，通過CAE分析，優(yōu)化成形各工藝參數(shù)，并將優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)制造中，通過生產(chǎn)結(jié)果驗(yàn)證了CAE仿真的準(zhǔn)確性及有效性。

1)CAE仿真能夠預(yù)測(cè)零件成形過程中存在的缺陷，CAE分析與物理驗(yàn)證的結(jié)合可更好地指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)工作，減小模具開發(fā)周期，保證零件成形狀態(tài)。

2)優(yōu)化后的DR工藝方法是合理的，它改善了零件成形狀態(tài)，使材料均勻一致，消除了坯料在制造過程中出現(xiàn)的多處開裂缺陷的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也支撐了后續(xù)的修邊、翻邊等工藝內(nèi)容。

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