汽车连接板的冲压工艺设计及成形过程
车身覆盖件尺寸较大、结构复杂,为空间曲面形 状,用简单的数学解析很难表达,其加工过程涉及几何、材料非线性和复杂的摩擦状态等问题。由于影 响因素较多,因此无法精确控制材料的流动,较难找 到变形规律,出现的质量问题较多。传统意义上的试模法造成大量资源浪费,已无法应对如今产 品更新换代的短周期的要求,板料成形 CAE 使工艺 设计人员可以在投产准备阶段,预估零件成形中可 能出现的缺陷,如回弹、起皱及破裂等,并优化工艺 参数,验证并指导后期的模具设计工作。
前围横梁连接板的成形工艺,由拉延(DR)、修 边(TR)、翻边(FL)及整形(RST)等 4 道工序完成, 其中 DR 是关键,它决定了 TR,FL 和 RST 等工序的 内容及成形状态。针对汽车前围横梁连接板, 用板料成形 CAE 软件 AUTOFORM 对其成形过程进行数值仿真,根据 CAE 分析结果对 DR 型面及工艺 参数进行优化,消除零件制造过程中的暗伤及开裂 的风险,减小模具开发周期,保证零件成形状态。
1 零件工艺性分析
汽车前围横梁连接板二维图如图 1 所示,零件材料为 B340LA,材料厚度为 1. 0 mm,最大外观尺寸 为 268 mm伊74 mm,型面较复杂,局部位置成形深度 大,型面结构变化较大,变形规律难以掌握,易产生成形缺陷。
根据冲压件的成形工艺,针对零件冲压方向的设计、拉延压料面设计及后工序成形状态等内容,对汽车前围横梁连接板进行工艺方法设计 。图 1 在添加工艺补充面时,A 处直面由后续 FL 工序完成,因此现沿翻边线圆角处展平;B 处型面翘 曲,增加其拉延深度,减小型面翘曲角度,后续通过 RST 工序完成,这样会保证零件在该处的型面精度; 随零件外轮廓增加压料面,并保证和数模实体之间 有圆滑过渡,以及合适的圆角和型面光顺,保证 DR 成形顺利,完成后的工艺数模如图 2 所示。
2 参数设定与有限元建模
2. 1 参数设定
汽车前围横梁连接板的材料为 B340LA,坯料 尺寸为 420 mm伊190 mm伊1. 0 mm,其材料的物理性 能参数如表 1 所示。采用 Hill 屈服模型,表示为:
式中:
为沿轧制方向的等效应力;x,y 分别表示板材轧制方向和横向;
2. 2 有限元建模
有限元模型如图 3 所示,拉延成形采用倒装结 构,凸凹模及压边圈选为刚性结构,网格自适应重划分次数为3,时间步长为 20,板材单元厚度方向积分为 5。采用等向强化板材模型, 材料本构关系为 :
式中:k 为与材料有关的常数( k>0);n 为硬化系数;
为y方向应力;
为 y 方向塑性应变;
为等效塑性应变。
3 模拟结果分析与优化
3. 1 结果分析
CAE 分析结果如图 4 所示。 从图 4 中可以看 出,在A 处存在开裂风险,原因为该处材料的成形 属于胀形成形,受到双向拉应力作用,且型面圆角 小,变形较为集中,致周围材料流动不畅而开裂。 将 A 处型面进行球化处理,使成形效果得到了改善,后 续整形工序再将放大的球化型面整形回制件的要 求。 从图 4 中还可以看出,在 B 处翻边时,受翻边 工具运动作用,受到双向拉应力,材料流向两侧,翻 边开裂严重,为此 DR 工序工艺方法需优化。
3. 2 优化方案 由于采用原工艺方法进行 DR 成形,会产生多处开裂缺陷,因此对 DR 工艺方法进行调整。 针对 B 处翻边开裂缺陷,将零件两侧翻边线提高,使翻边 线成直线,消除两侧拉应力,使材料更易流动,消除 该处的成形缺陷危险度。 对 A 处型面进行球化处 理,后续整形工序再将放大的球化型面整形回制件 的要求,优化前后的模面如图 5 所示。 根据以上结 果,在各工艺参数相同的情况下,利用新的 DR 型面 对成形过程进行了 CAE 计算,结果如图 6 所示。 从 图 6 可以看出,A 处型面球化后,角部无暗伤及拉 裂,材料最大减薄率为 14. 6% ,在 B340LA( t = 1. 0 mm)材质减薄率安全范围内(16. 9% );B 处无翻边 开裂风险,材料流动均匀,成形结果得到很大改善。
4 物理验证
按照上述模拟结果,根据修改及优化的拉深件 型面,重新设计加工制造模具,调试得到的实验结果如图 7 和 8 所示。 零件成形良好,无暗伤与开裂缺 陷。
5 结论
针对汽车前围横梁连接板,通过 CAE 分析,优化成形各工艺参数,并将优化结果应用于实际生产 制造中,通过生产结果验证了 CAE 仿真的准确性及有效性。
1) CAE 仿真能够预测零件成形过程中存在的缺陷,CAE 分析与物理验证的结合可更好地指导模 具设计工作,减小模具开发周期,保证零件成形状 态。
2) 优化后的 DR 工艺方法是合理的,它改善了零件成形状态,使材料均匀一致,消除了坯料在制造 过程中出现的多处开裂缺陷的风险,同时也支撑了 后续的修边、翻边等工艺内容。
作者：徐迎强, 韩永志, 崔礼春