張本松

(宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 宣城 242000)

0 引 言

為適應(yīng)汽車消費(fèi)新趨勢，國內(nèi)自主品牌汽車生產(chǎn)商加快了汽車升級和改款的速度，開發(fā)出多種滿足消費(fèi)者審美特點、消費(fèi)習(xí)慣和不同層次的汽車款型，2020年我國模具行業(yè)規(guī)模以上企業(yè)銷售收入達(dá)2709億元，國內(nèi)模具企業(yè)均把數(shù)字化模具技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計、制造和檢驗等環(huán)節(jié)，而汽車生產(chǎn)中95%的零部件都需要依靠模具成型。汽車覆蓋件因其板料薄、外觀質(zhì)量要求高且形狀復(fù)制，在沖壓成形過程中容易出現(xiàn)開裂[1]、起皺[2]等表面缺陷。通過優(yōu)化“藏料凸包”和平衡壓料力和整形力，解決了表面問題，達(dá)到了生產(chǎn)穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量的要求[3]。通過CAE軟件對產(chǎn)品的拉延工序進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果對切整工藝和穿刀塊側(cè)沖孔工藝進(jìn)行優(yōu)化，能夠穩(wěn)定生產(chǎn)出尺寸精度合格、外觀品質(zhì)良好的產(chǎn)品[4-6]。沖壓回彈的預(yù)測及補(bǔ)償，尤其是面畸變等微觀質(zhì)量缺陷的控制仍然處于探索階段，利用Autoform軟件對汽車沖壓回彈進(jìn)行數(shù)值模擬分析，生產(chǎn)的后側(cè)圍零件尺寸合格率達(dá)到90%以上[7-9]。

利用Autoform分析軟件，以國內(nèi)自主品牌汽車的外腰線加強(qiáng)板的沖壓成形進(jìn)行CAE分析，結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，對坯料設(shè)計、沖壓方向、壓邊力和拉延筋的布置進(jìn)行優(yōu)化，可以解決汽車外腰線加強(qiáng)板在成形過程中的缺陷，提高產(chǎn)品尺寸精度，大大提高模具的設(shè)計周期。

1 Autoform分析流程

Autoform分析汽車外腰線加強(qiáng)板的工作流程如下：

(1)利用三維軟件Pro/E5.0建立汽車外腰線加強(qiáng)板的幾何模型，要考慮到外腰線加強(qiáng)板的的沖壓方向、壓料面等因素。

(2)將汽車外腰線加強(qiáng)板的幾何模型導(dǎo)入Autoform分析軟件進(jìn)行曲面網(wǎng)格劃分。

(3)建立有限元網(wǎng)格模型，設(shè)置坯料、沖壓方向、壓邊力等相關(guān)工藝參數(shù)。

(4)根據(jù)設(shè)定的工藝參數(shù)和條件進(jìn)行模擬計算。

2 零件結(jié)構(gòu)分析

圖1為某車型外腰線加強(qiáng)板的零件結(jié)構(gòu)圖，零件產(chǎn)品拐角處造特征比較復(fù)雜，兩端翹起角度相差比較大，零件中段沖壓成形深度大于兩端，且兩端深度變化不一致，需要進(jìn)行多次沖壓成形，成形過程中易出現(xiàn)開裂、開裂、回彈等缺陷，需要重點關(guān)注。根據(jù)以往車型的沖壓經(jīng)驗結(jié)合零件的結(jié)構(gòu)特點和沖壓成形工藝設(shè)計要求，外腰線加強(qiáng)板采用五工位沖壓成形，分別為落料、拉延成形、修邊沖孔、修邊和側(cè)沖孔、側(cè)沖孔和切斷。

圖1 外腰線加強(qiáng)板零件結(jié)構(gòu)圖

3 沖壓工藝分析

3.1 坯料的材料

在進(jìn)行Autoform分析前需要輸入外腰線加強(qiáng)板的材料信息。外腰線加強(qiáng)板采用寶鋼冷軋?zhí)间摫“錝PCC，薄板的厚度為0.7mm(如表1所示)，其屈服強(qiáng)度為240，抗拉強(qiáng)度為270，加工硬化n值為0.211、K值為530，F(xiàn)LD0為0.296，安全裕度為20，其中加工硬化n越大，極限變形能力越大，說明材料具有良好的拉深性能。

塑性應(yīng)變比r為板料在單向拉伸試驗中，將寬度方向上的真實應(yīng)變比上厚度方向上的真實應(yīng)變，如式1：

(1)

式中：l、lo、b、bo分別為變形前后板料試樣的長度、寬度和厚度；

由于上述比值具有方向性，所以一般取平均值，如式2：

(2)

式中0、45、90為單向拉伸試樣軸向與板材軋制方向的夾角。

r平值越小，板料在厚度方向上變形越容易，會因局部過度減薄而開裂，拉深性能就越差。

通過Autofrom對板料進(jìn)行成形模擬分析，可以得出材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖，如圖2所示，其σo為161.6，n為0.382，Rm為438.7，AG為0.632，可以看出其成形性能良好，屈服強(qiáng)度、塑性變形和抗拉強(qiáng)度滿足外腰線加強(qiáng)板拉延成形的要求。

圖2 應(yīng)力應(yīng)變曲線

3.2 坯料的設(shè)計

坯料的設(shè)計是否合理，會直接影響外板腰線加強(qiáng)板沖壓成形質(zhì)量。坯料設(shè)計尺寸過大或過小會增加坯料與凹凸模的摩擦力，容易使零件產(chǎn)生破裂和起皺缺陷，如圖2所示，根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點、尺寸和工藝補(bǔ)充面，由Autoform分析軟件生成坯料形狀的尺寸為1025mm×360mm。

3.3 沖壓方向

零件的沖壓方向的確定對零件拉延成形質(zhì)量、起皺、開裂以及后續(xù)工序都有很大影響，沖壓方向應(yīng)滿足沖壓成形過程凹形或反成形要求，外腰線加強(qiáng)板采用一次拉延成形、修邊沖孔、修邊和側(cè)沖孔的工序，有效消除凸模接觸不到的死角和死區(qū)，保證凸模和凹模與坯料全部接觸，如圖3所示。

圖3 坯料形狀和尺寸

圖4 沖壓方向

表1 材料參數(shù)

3.4 壓邊力

在拉延成形過程中，由于汽車外腰線加強(qiáng)板兩端翹起圓角大小不一致，且臺階過渡不光順，容易起皺和開裂，如圖5所示。為了滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能和安裝要求，零件中間有6個孔采用圓角過渡，且放大圓角尺寸，最大圓角半徑為210mm,同時設(shè)置壓邊力增加坯料的拉應(yīng)力，控制材料的流動性，壓邊圈的行程為60mm,壓邊力為800KN，可以有效改善起皺和開裂。

圖5 起皺和開裂風(fēng)險

3.5 拉延筋的布置和工藝補(bǔ)充面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計

從零件結(jié)構(gòu)和坯料尺寸方面，汽車外腰線加強(qiáng)板兩端翹起處和四個圓角，采用布置封閉式單筋和增加工藝補(bǔ)充面來改善拐角處起皺問題，在拉延成形過程中增加的潤滑劑，降低凹凸模和坯料的摩擦阻力，可以有效防止坯料在沖壓成形過程中塑性變形量和材料流動方向無法達(dá)到設(shè)定值的控制值，根據(jù)Autoform分析軟件的結(jié)果可以看出汽車外腰線加強(qiáng)板左右兩側(cè)沖壓成形質(zhì)量良好，四個圓角處無破裂，如圖6所示。

圖6 零件成形結(jié)果

4 模擬過程及成形結(jié)果

外腰線加強(qiáng)板采用800T單動模具沖壓成形，在模擬沖壓成形過程，凹凸模在Autofrom分析軟件中均設(shè)置為剛體，外腰線加強(qiáng)板中段拉伸深度較深，兩邊板料在成形時中間部分容易隆起和起皺，通過增加800KN的壓邊力控制制件的流動性，解決板料在成性時隆起和起皺問題。以凹模為基準(zhǔn)面，壓邊圈行程為60mm,壓邊圈與凹模的間隙為1.1,摩擦系數(shù)為0.15，通過控制制件四周法蘭邊材料的流動方向和流量，保證拉伸側(cè)壁厚度保持一致[10-11]。

(a) 重力狀態(tài) (b) 到底前10mm

通過圖8可以看出，板料在拉延成形過程中變化均勻，將零件四個圓角增大到210mm,圓角與兩邊輪廓采用圓角過渡，增加材料流入阻力，減小坯料流入量，通過對每個階段板料變化的觀察，板料在沖壓成形到底前5mm沒有出現(xiàn)起皺缺陷，沖壓成形到底時也沒有出現(xiàn)開裂缺陷，對模具設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

圖8 板料厚度變化圖

通過優(yōu)化沖壓成形工藝，從圖6可以看出，板料厚度變化范圍在-0.059至-0.244之間，四個圓角處減薄率為-0.202、-0.193、-0.227、-0.244，6個圓孔-0.0622、-0.059、-0.071、-0.0549、-0.0553、-0.0687,零件的最大減薄率均在允許范圍內(nèi)，滿足產(chǎn)品的使用要求。根據(jù)圖9所示，產(chǎn)品區(qū)域成型充分，起皺程度輕，采用五工位沖壓成形工序：落料、拉延成形、修邊沖孔、修邊和側(cè)沖孔、側(cè)沖孔和切斷，是適合該產(chǎn)品的較佳成型工藝方案。

圖9 板料起皺分布

5 結(jié) 論

(1) 通過Autoform分析軟件對汽車外腰線加強(qiáng)板進(jìn)行數(shù)值模擬，分析出外腰線加強(qiáng)板成形缺陷位置，即兩端翹起過渡處和四個圓角的起皺、開裂缺陷。

(2)通過對汽車外腰線加強(qiáng)板的模擬分析，通過對坯料的材料、坯料設(shè)計、沖壓方向、壓邊力、拉延筋的布置和工藝補(bǔ)充面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，確定了壓邊圈的行程為60mm,壓邊力為800KN，摩擦系數(shù)為0.15，模具間隙1.1 mm。

(3)汽車外腰線加強(qiáng)板采用五工位沖壓成形工序：落料、拉延成形、修邊沖孔、修邊和側(cè)沖孔、側(cè)沖孔和切斷，有效改善起皺和開裂，是該產(chǎn)品的較佳成型工藝方案。