基于CAE技術(shù)的并行工程在拼焊板成形工藝上的應(yīng)用

文/明強，常桂靜，王正立等·重慶長安汽車模具事業(yè)部

基于CAE技術(shù)的并行工程在拼焊板成形工藝上的應(yīng)用

文/明強，常桂靜，王正立等·重慶長安汽車模具事業(yè)部

拼焊板成形的技術(shù)問題從20世紀(jì)80年代起便開始引起人們的廣泛關(guān)注，在焊接工藝、鋼板材料、沖壓成形工藝等方面都作了相關(guān)的探討。目前，國內(nèi)外各汽車生產(chǎn)企業(yè)和科研院所對拼焊板的研究主要集中在以下幾個方面：成形性、焊縫移動控制、起皺問題、沖壓成形數(shù)值模擬如何進(jìn)行有限元建模等。

工序

圖1所示為某轎車的車門內(nèi)板產(chǎn)品圖，材料為DC06，料厚為0.7mm和1.2mm。從圖1可以看出，該零件的形狀較復(fù)雜，高差較大，局部成形形狀較多，板料變形不單純是拉延成形，同時也有脹形變形，是非常典型的覆蓋件。拼焊后的板料如圖2所示。

結(jié)合車門內(nèi)板的本身特點，拉延工序的沖壓方向、壓料面及工藝補充簡圖如圖3所示。同時結(jié)合零件的結(jié)構(gòu)形狀以及工藝性，在拉延工序作了如下處理：

⑴考慮后工序都有沖孔內(nèi)容，窗框部分采用向下整形，簡化了模具結(jié)構(gòu)。所以在零件的A處通過加大相應(yīng)的模具圓角半徑來減小材料的進(jìn)料阻力，從而消除破裂，在后工序?qū)ο鄳?yīng)優(yōu)化部分進(jìn)行整形。

⑵在零件的B處，由于深度較深，很有可能出現(xiàn)開裂、起皺等現(xiàn)象，因此分兩次成形，降低第一次成形的深度和難度，如圖3中的局部視圖Ⅰ所示。

圖1 后門內(nèi)板模型

圖2 拼焊工序

圖3 拉延工序簡圖

有限元建模

在進(jìn)行差厚拼焊板有限元模擬仿真的過程中，有限元模型建立的難點和重點是板料模型的建立，這將直接影響著模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性及可靠性。拼焊板板料有限元模型，與傳統(tǒng)的板料模型不一樣，需要對焊縫區(qū)域的建立加以重點考慮。

焊縫的處理方法主要有兩種：第一種是精確地建立起焊縫和HAZ區(qū)域的模型，這種情況下需要充分考慮焊縫尺寸、形狀以及焊縫和HAZ區(qū)的馬氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)等；第二種就是忽略焊縫的類型即材料硬化等性能，只考慮焊縫的位置。由于目前應(yīng)用最多的拼焊板是激光拼焊板，焊縫寬度小于1mm，HAZ熱影響區(qū)域也比較窄，約2mm左右。因此，本文中采用了第二種建模方法，只考慮不同材料、厚度的板料之間的單元連接問題?？紤]工件在實際生產(chǎn)中為一模雙件，為提高計算效率，對工件進(jìn)行對稱設(shè)置，即只采用一半坯料進(jìn)行模擬計算。

零件材料牌號為DC06，厚度為0.7mm和1.2mm，材料性能參數(shù)：彈性模量E為207GPa；硬化指數(shù)n為0.246；K為536.8；泊松比μ為0.28；厚向異性系數(shù)r為r00＝2.369，r45＝2.341，r90＝3.129。依據(jù)材料性能參數(shù)，選用材料模型為36號（*MAT_3-PARAMETER_BARLAT）各向異性材料模型，單元模型采用BT殼單元。屈服準(zhǔn)則為Hill屈服準(zhǔn)則，等效應(yīng)力、應(yīng)變曲線采用冪函數(shù)形式。模擬參數(shù)設(shè)置：板料與工具間摩擦系數(shù)為0.125；凸凹模間隙為1.1t；壓邊/成形速度為2m/5s；壓邊力為55t；拉延成形150mm；積分點個數(shù)為3；最小單元格尺寸為2；網(wǎng)格劃分等級為3。

焊縫移動控制

拉延筋對焊縫移動的影響

拉延筋是覆蓋件拉延成形過程中調(diào)節(jié)和控制壓料面作用力、改善成形性能，提高成形質(zhì)量的一種最有效的方法。該工件在成形過程中，薄板側(cè)材料會向厚板側(cè)流動，導(dǎo)致了焊縫向厚板側(cè)偏移。為改善車門內(nèi)板在成形過程中的焊縫移動問題，在保證工件成形性能的前提下，對焊縫兩側(cè)工藝面上的拉延筋進(jìn)行優(yōu)化，即在薄板側(cè)設(shè)置梯形筋，厚板側(cè)設(shè)置半圓形筋。具體形狀及尺寸如圖4所示。其中，高度H與h分別取6mm，8mm；4mm，6mm兩種。

圖4 拉延筋的結(jié)構(gòu)

梯形拉延筋和半圓形拉延筋H和h采用了三種組合，分別是6mm，6mm；8mm，6mm；8mm，4mm。通過多次模擬仿真，得到不同拉延筋設(shè)置情況下，焊縫上各點的焊縫移動量隨該點與焊縫端點C距離變化的曲線如圖5所示。圖6為距離焊縫3mm處薄板側(cè)各點厚度變化隨該點與焊縫端點C距離變化的曲線。

由圖5可以看出，增加拉延筋深度，薄板部分的板料流動受到的阻力增大，拉入凹模內(nèi)的板料減少，焊縫向厚板側(cè)的移動量減少?？梢娬{(diào)整拉延筋形狀，增大薄板側(cè)的進(jìn)料阻力，對減少焊縫移動量是有效的。但從圖6可以看出，隨著薄板側(cè)拉延筋高度的增加，導(dǎo)致薄板側(cè)由于應(yīng)力應(yīng)變增加而成形性能下降，甚至產(chǎn)生開裂。但是同時焊縫的移動量減少，說明了拉延筋對控制焊縫移動的有效性。

壓邊力對焊縫移動的影響

壓邊力及摩擦是影響拼焊板成形的重要參數(shù)。根據(jù)零件的不同、板厚的差異，可以在不同的部位施加不同的壓邊力，以消除成形過程中可能出現(xiàn)的開裂起皺等問題，并有效控制焊縫的移動。為了研究壓邊力對車門內(nèi)板焊縫移動量的影響，針對表1中三種情況進(jìn)行了模擬仿真，其中方案二為整體式壓邊圈均一壓邊力。

圖5 焊縫移動量曲線對比

圖6 變薄率變化曲線

圖7 三種方案焊縫移動曲線對比

圖8 焊縫上82798號節(jié)點的移動曲線對比

表1 壓邊圈形式及壓邊力

根據(jù)模擬仿真結(jié)果，從焊縫端點的C開始每隔50mm取一點進(jìn)行焊縫移動量的測量比較。焊縫上各點的焊縫移動量隨該點與焊縫端點C距離變化的曲線如圖7所示。

如圖8所示，焊縫上的第82798號節(jié)點，在不同拉延筋的設(shè)置沖壓過程中，隨著沖壓過程時間步的變化，焊縫移動量也相應(yīng)地產(chǎn)生變化。在方案1中，壓邊階段的移動量為1.36mm，到成形結(jié)束時，焊縫移動量高達(dá)19.6mm；在方案2中，壓邊階段的移動量為1.36mm，到成形結(jié)束時，焊縫移動量高達(dá)30.9mm；在方案3中，壓邊階段的移動量為1.36mm，到成形結(jié)束時，焊縫移動量高達(dá)39.1mm。

圖9為距離焊縫3mm處薄板側(cè)各點厚度變化隨該點與焊縫端點C距離變化的曲線。由圖7，8可以看出，使用分塊壓邊圈可以減少焊縫的移動，但由圖9可以看出薄板側(cè)的最大應(yīng)力應(yīng)變都有所增加，成形性能有所下降。

焊縫位置對焊縫移動量的影響

如圖10所示，焊縫上各點隨著與焊縫端點C距離的變化，焊縫移動量也隨之發(fā)生變化，這正好反映了不同焊縫位置對車門內(nèi)板拼焊板成形中焊縫移動情況有著一定的影響。

由圖11可以看出三個方案焊縫移動趨勢基本相同，頂部型面的焊縫向厚板方向移動最大值達(dá)到41.1mm（方案3），沿Y軸兩個方向焊縫移動量逐漸減小。這是由于法蘭邊緣處，左右兩側(cè)的應(yīng)力值始終相當(dāng)，在變形終了時方案1在D端處焊縫向右側(cè)厚板方向移動量只有0.4mm。焊縫位置越遠(yuǎn)離產(chǎn)品中心、越靠近厚板一側(cè)，焊縫移動量越大。焊縫兩側(cè)材料變形的不均勻性是導(dǎo)致焊縫移動的主要原因。因此，把焊縫布置在應(yīng)變較小，并遠(yuǎn)離變形集中處可減少焊縫的移動。

焊縫位置對成形性能的影響

圖11為焊縫向-X方向移動50mm，焊縫初始位置，焊縫向+X方向移動50mm三種情況下的成形極限圖。從圖12中可以看出，在采用方案3的過程中，薄板側(cè)板料出現(xiàn)嚴(yán)重的破裂是由焊縫向厚板方向移動所引起的。焊縫位置向薄板側(cè)設(shè)置時，焊縫處形狀簡單，受右側(cè)拉應(yīng)力減小，破裂點的應(yīng)變大幅度下降，到方案1位置時基本上消除了焊縫處的破裂趨勢。

圖12為距離焊縫3mm處薄板側(cè)各點的主應(yīng)力值隨該點與焊縫端點C距離變化的曲線。圖13為距離焊縫3mm處薄板側(cè)各點的主應(yīng)變值隨該點與焊縫端點C距離變化的曲線。圖14為距離焊縫3mm處薄板側(cè)各點厚度變化隨該點與焊縫端點C距離變化的曲線。從圖12～13可以看出，焊縫愈靠近圓角，圓角部位的主應(yīng)力、主應(yīng)變和變薄率值就相應(yīng)增大，并出現(xiàn)最大值，造成成形性能的下降。拼焊板焊縫位置離產(chǎn)品中心越遠(yuǎn)，拼焊板的成形性能也就越差。

圖9 變薄率變化曲線

圖10 不同焊縫位置焊縫移動曲線對比

圖11 三種方案的成形極限圖

圖12 主應(yīng)力變化曲線

圖13 主應(yīng)變變化曲線

圖14 變薄率變化曲線

試驗

模具及設(shè)備

圖15是零件的拉延工序模具圖，結(jié)構(gòu)設(shè)計時模具的上模、下模以及壓邊圈均使用MoCr材料，熱處理58～62HRC。試驗所采用設(shè)備為12000kN單動壓力機。

工序件及產(chǎn)品

圖16是工序經(jīng)過優(yōu)化后，在12000kN的單動液壓機上沖壓得到的合格拉延件。經(jīng)過簡單研配后，可以得到合格的沖壓制件，如圖17所示，試驗結(jié)果吻合得較好，符合產(chǎn)品設(shè)計要求。

結(jié)束語

從本文可以總結(jié)以下幾點：

⑴對于車門內(nèi)板，在成形過程中應(yīng)力較集中的下部圓角部位焊縫移動量最大，離此處越遠(yuǎn)的位置，焊縫移動量也隨之逐漸減小。

⑵合理地安排焊縫的位置可以減少焊縫的移動。對于本文中的車門內(nèi)板把焊縫盡量布置在靠近產(chǎn)品幾何中心、遠(yuǎn)離車門下部圓角的位置，即焊縫位置遠(yuǎn)離變形集中處，焊縫的移動量減少，拼焊板的成形性能相應(yīng)得到提高。

⑶通過合理的拉延筋布置，可以有效調(diào)節(jié)材料的流動，從而解決拼焊板沖壓過程中的成形性及焊縫移動問題。

⑷通過對車門內(nèi)板進(jìn)行試驗，指導(dǎo)實際生產(chǎn)與試模，得到了滿意的結(jié)果，使得試模修模次數(shù)大大減少，生產(chǎn)制造成本大大降低，同時也使得設(shè)計和生產(chǎn)效率大大提高。

圖15 拉延模具圖

圖16合格的拉延工序件

圖17合格樣件