不等厚激光拼焊板拉延成形分析和調(diào)試

曾凡濤

(湖北三環(huán)車身系統(tǒng)有限公司,湖北 十堰 442001)

自從1985年德國在Audi100車身上成功采用了全球第一塊激光拼焊板至今,各大汽車生產(chǎn)廠開始在車身制造中大規(guī)模使用激光拼焊板技術(shù)。由于采用拼焊技術(shù)可減少零件數(shù)量,使生產(chǎn)設(shè)備和制造工藝簡化,提高了生產(chǎn)效率,降低整車制造成本,并且可減輕整車重量,降低油耗。因此,近年來該技術(shù)在全球車身設(shè)計(jì)和制造上獲得了日益廣泛的應(yīng)用[1]。目前國內(nèi)的激光拼焊板技術(shù)應(yīng)用開始起步。

現(xiàn)以某轎車的左右輪罩零件為例,介紹不等厚激光拼焊板拉延模的設(shè)計(jì)分析調(diào)試過程。

圖1所示是某轎車的左右輪罩零件,其上半部分料厚為1.5mm,下半部分為料厚為2mm,中間采用激光焊接工藝將兩種不同料厚的板料焊接在一起。

此制件左右基本對稱且形狀復(fù)雜,零件的深度存在一定的不均勻性,屬于比較典型的內(nèi)覆蓋件拉延件。零件上部有較寬的法蘭邊,下部最大成形深度達(dá)190mm,中部反成形深度達(dá)60mm,件拉延難度較大。同時(shí),由于采用了不等厚板料進(jìn)行激光拼焊,焊縫處的料厚間隙差異也會(huì)導(dǎo)致材料流動(dòng)失穩(wěn),使拉延成形的難度進(jìn)一步增大。

圖1 左右輪罩零件

1 拉延工藝設(shè)計(jì)與分析

為了取得良好的拉深效果,最大程度地降低材料消耗,提高設(shè)備利用率,經(jīng)初步的工藝分析,采用對稱化處理,將左右兩件拼在一起進(jìn)行拉深。由于激光拼焊板材的焊縫一般是直線,所以對拼的時(shí)候要注意調(diào)整兩個(gè)零件,以保證焊縫對齊成一條直線;其次,由于該零件為不等厚板料拼焊件,模具凸凹模之間的間隙也應(yīng)隨料厚不同而不同。如成形過程中焊縫兩側(cè)的材料過度流動(dòng),就可能出現(xiàn)破裂或起皺的現(xiàn)象,所以要盡量保證拼接焊縫走向與材料走料的方向一致,減小焊縫兩側(cè)材料在焊縫垂直方向的走料。

對產(chǎn)品數(shù)模繞原坐標(biāo)系進(jìn)行旋轉(zhuǎn)使拉伸高度基本相近,各部位材料流動(dòng)趨于均勻。前部法蘭邊處為避免凸臺(tái)形狀影響材料流動(dòng),在拉延件中先將其取消(凸臺(tái)后序整形完成),并進(jìn)行平滑過渡,構(gòu)建了一個(gè)相對平順的拉延壓料模面[2]。

拉延工藝補(bǔ)充面的設(shè)計(jì):直接將左、右件間的空隙進(jìn)行橋接光順,使之保持曲率連續(xù)即可。此外,在補(bǔ)充面上增加了兩處凹筋以確保零件后部的塑性變形充分。在中部反成形最深處增加向上的鼓包,為預(yù)埋破料刀創(chuàng)造條件(圖2)。

圖2 左右輪罩拉延數(shù)模

拉延數(shù)模導(dǎo)入板料成形模擬分析軟件Auto-Form進(jìn)行模擬分析。分析的結(jié)果見圖3。在增設(shè)了破料刀后,中部反成形最深處的焊縫薄料側(cè)仍有較明顯的開裂現(xiàn)象。所以后序調(diào)整及模具設(shè)計(jì)調(diào)試重點(diǎn)考慮薄料側(cè)材料的流入問題。

圖3 拉延工藝數(shù)模CAE分析過程圖片

模具設(shè)計(jì)中凸凹模及壓邊部分的間隙根據(jù)料厚的不同設(shè)計(jì)成階梯式[3],為保證焊縫部位的材料在模具內(nèi)的移動(dòng),須在模具中焊縫線處設(shè)置30mm寬的料厚過渡區(qū),此區(qū)域內(nèi)的料厚間隙由1.5mm向2mm逐漸過渡。另外,為保證激光拼焊焊縫位置尺寸的穩(wěn)定性,同時(shí)考慮到拉延時(shí)利用形狀料進(jìn)行壓料力補(bǔ)償,因此需要在拉延前增加落料工序,以確保焊縫在模具中的精確定位。

2 調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決方法

調(diào)試中曾出現(xiàn)拉延件下部側(cè)壁破裂現(xiàn)象,通過提高凸模圓角光潔度和調(diào)節(jié)平衡塊使問題得到解決。但隨后中部反臺(tái)焊縫處薄料側(cè)出現(xiàn)了開裂,與前期CAE分析情況一致。經(jīng)分析認(rèn)為破裂原因主要如下:①由于零件拉延深度大,中部有較深反拉深臺(tái),材料難以得到補(bǔ)充引起開裂;②焊縫處薄料側(cè)的材料與厚料側(cè)受相同的拉應(yīng)力,但由于薄料側(cè)受熱硬化影響較大,而厚料側(cè)材料又難以及時(shí)對其進(jìn)行補(bǔ)充,因此使薄料側(cè)提前產(chǎn)生屈服變薄而開裂。為了減小材料變形時(shí)的拉應(yīng)力,同時(shí)對薄料側(cè)的材料進(jìn)行有效補(bǔ)充,調(diào)試時(shí)采取了以下措施:

(1)進(jìn)一步降低模具工作表面粗糙度值;在確保壓料面不起皺的前提下,逐步加大前部的凹模圓角半徑,調(diào)整拉延筋高度,以減小材料流入薄料側(cè)凹?？诘淖枇4]。

(2)局部改變工藝補(bǔ)充形狀。降低中部反成形處凹模高度和后部兩處凹筋造型高度,同時(shí)將反成形鼓包沿周圓角半徑加大,減少了中部反成形工藝補(bǔ)充面對材料的需求。

(3)調(diào)整試沖板料的毛坯形狀。局部減小了前后側(cè)的毛坯形狀,配合平衡塊的調(diào)整使薄料側(cè)材料更快地補(bǔ)充到反成形處。

(4)調(diào)整模具焊縫處料厚過渡區(qū)位置和間隙,進(jìn)一步調(diào)控焊縫處材料的流動(dòng),使厚料側(cè)材料向薄料側(cè)進(jìn)行傳遞和補(bǔ)充。

通過采取以上措施,拉延破裂問題得到了較好的解決。

3 結(jié)束語

總結(jié)以上模具設(shè)計(jì)調(diào)試過程,得出以下結(jié)論:

(1)對于不等厚激光拼焊零件的模具設(shè)計(jì)制造,平衡其薄料側(cè)與厚料側(cè)的流速差異,促使其焊縫處的材料趨于正常流動(dòng)是首先要解決的問題。應(yīng)通過調(diào)整拉延凹模圓角半徑、拉延筋位置及高度、模具間隙、壓料力來逐步達(dá)到拉延勻流的目的。

(2)板料的激光連續(xù)焊接工藝會(huì)使焊縫處熱影響區(qū)域內(nèi)的材料產(chǎn)生一定程度的硬化,尤其使薄料側(cè)材料脆性增大,強(qiáng)度降低,易導(dǎo)致焊縫處的薄料一側(cè)提前開裂。因此拼焊線必須與拉延走料方向一致,減小焊縫垂直方向的材料流動(dòng)及拉應(yīng)力。

(3)激光拼焊焊縫處模具料厚間隙過渡區(qū)域應(yīng)通過不等厚CAE模擬分析在設(shè)計(jì)階段予以分析并確定。一般壓料面上的料厚間隙應(yīng)由厚料側(cè)向薄料側(cè)直接過渡,過渡區(qū)域宜窄,使壓料面薄料側(cè)不至于因料厚間隙過大而出現(xiàn)起皺;而型腔內(nèi)料厚間隙應(yīng)由薄料側(cè)向厚料側(cè)逐漸過渡,過渡區(qū)域宜寬,使模具型腔內(nèi)厚料側(cè)的材料不至于因料厚間隙過小而出現(xiàn)材料流動(dòng)阻礙。

(4)由于不等厚激光拼焊拉延模具需要毛坯具有一個(gè)相對恒定的激光拼焊線位置,所以必須增加毛坯落料工序,同時(shí)還應(yīng)確保拉延定位裝置準(zhǔn)確可靠。

不等厚激光拼焊板零件的拉延成形與一般板料成形存在不少差異和難度,但在成形的本質(zhì)原理上是一樣的,合理處理好材的流動(dòng)問題都可得到解決。希望以上經(jīng)驗(yàn)?zāi)軐Υ蠹矣幸恍┙梃b。

[1]余小剛,魯曉波.激光拼焊板技術(shù)在汽車零部件制造領(lǐng)域的應(yīng)用.http://www.newmaker.com/art-1878.html,2006-2-5.

[2]史剛.汽車覆蓋件拉延件設(shè)計(jì)[J].模具技術(shù),2004(5):35-39.

[3]楊繼昌,陳煒,張福祥,等.差厚拼焊板拉延成形工藝研究[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,24(5):1-4.

[4]王孝培.沖壓手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.