某貨車側(cè)圍外板沖壓工藝設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

韓永志，余冰定，趙烈偉，楚偉峰

汽車覆蓋件具有結(jié)構(gòu)尺寸大、形狀復(fù)雜、板料薄、精度高等特點(diǎn)。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝分析、模具設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試到最終生產(chǎn)，這一過程相當(dāng)復(fù)雜。其中沖壓工藝的確定與模具設(shè)計(jì)制造是非常重要的環(huán)節(jié)。

沖壓工藝優(yōu)劣和模具狀態(tài)決定了零件的最終質(zhì)量，以致能否成功量產(chǎn)。傳統(tǒng)試錯(cuò)法造成大量資源浪費(fèi)，已不能適應(yīng)如今產(chǎn)品更新?lián)Q代、周期越來越短的要求，板料成形仿真使設(shè)計(jì)人員可以在生產(chǎn)準(zhǔn)備階段，預(yù)測(cè)成形中可能出現(xiàn)的問題，如起皺、破裂等，確定成形所需工藝過程和技術(shù)參數(shù)，驗(yàn)證并優(yōu)化模具設(shè)計(jì)。對(duì)覆蓋件成形進(jìn)行了虛擬試模調(diào)試，利用仿真結(jié)果驗(yàn)證了工藝方案的可行性，改進(jìn)后的工藝指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)，節(jié)省模具調(diào)試時(shí)間，極大提高了模具生產(chǎn)效率，縮短整車開發(fā)周期。

側(cè)圍外板是汽車外覆蓋件，屬于A級(jí)零件，要求外表面必須光順平滑、棱線清晰、剛性良好，無凸包、麻點(diǎn)、凹陷等缺陷，同時(shí)由于其與車門外板、頂蓋外板、角板及前照燈等零件搭接。側(cè)圍外板三維數(shù)模，如圖1所示。

一、零件沖壓工藝分析

1.產(chǎn)品ECR的提出

在得到產(chǎn)品數(shù)模初期，在保證零件品質(zhì)的前提下，為盡量減少工序，以降低模具開發(fā)成本，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行SE同步分析，提出ECR交由產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門進(jìn)行數(shù)模更改，規(guī)避后期調(diào)試風(fēng)險(xiǎn)，縮短模具的開發(fā)周期。圖2所示綠圈處修邊后翻邊存在質(zhì)量缺陷，將止口切掉一塊便于修邊，保證翻邊質(zhì)量。

2.沖壓工藝及模面的設(shè)計(jì)

通過對(duì)產(chǎn)品數(shù)模的分析，初步規(guī)劃工序?yàn)?序。具體工藝內(nèi)容為：拉深→修邊+側(cè)修邊+沖孔+整形→修邊+側(cè)修邊+沖孔+整形+側(cè)整形→修邊+沖孔+整形+側(cè)整形+翻邊+側(cè)沖孔。

（1）確定沖壓方向 拉深模面的工藝補(bǔ)充部分的多少及修邊沖孔的質(zhì)量，是沖壓工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。其不但決定能否生產(chǎn)出合格沖壓件，且影響到后續(xù)各工序的設(shè)計(jì)方案，在拉深工序中，沖壓件常會(huì)由于沖壓方向確定不當(dāng)，而增加調(diào)整困難。

圖1 側(cè)圍外板

圖2 ECR示意

此側(cè)圍外板沖壓方向確定所遵循的原則：①無負(fù)角。保證拉深件凸模能夠順利進(jìn)入拉深凹模，不應(yīng)出現(xiàn)凸模接觸不到的死區(qū)。②最小拉深深度。拉深開始時(shí)凸模和坯料接觸面積大，避免點(diǎn)接觸，接觸部位應(yīng)盡量處于沖模中心，避免在成形過程中材料竄動(dòng)，最好應(yīng)使制件在一次拉深中完成；在保證拉深質(zhì)量的前提下，使拉深深度盡可能淺，保證二級(jí)外觀面的質(zhì)量要求，滿足材料利用率最大化。③制件品質(zhì)優(yōu)良，有利于防止表面缺陷。為了保證此側(cè)圍外板表面件表面質(zhì)量，棱線位置要保證拉深時(shí)不產(chǎn)生偏移線、顫動(dòng)線等表面缺陷。④后工序合理可行。要考慮后續(xù)修邊沖孔時(shí)候的角度，此側(cè)圍外板沿X軸選擇3°，保障后續(xù)沖孔為正沖。

（2）確定壓料面 壓料面是指位于凹模圓角半徑以外的那一部分坯料，是工藝補(bǔ)充的一個(gè)重要組成部分，對(duì)拉深成形起重要作用。壓料面可使拉深深度均勻，坯料流動(dòng)阻力分布滿足拉深成形的需要。

合理的壓料不僅能保證壓料面上材料不起皺，還可以保證拉入凹模的材料不起皺、不破裂。壓料面設(shè)計(jì)不合理，會(huì)使壓邊圈壓料時(shí)形成起皺、余料、松弛等，甚至有的在成形過程中無法消失而殘留在制件上。

設(shè)計(jì)此側(cè)圍外板拉深模壓料面時(shí)：①壓料面形狀盡量簡單化，其阻力變化相對(duì)容易控制，有利于調(diào)模時(shí)調(diào)整到最有利于拉深成形所需的最佳壓料面阻力狀態(tài)。此側(cè)圍外板考慮其上柱滑移線，壓料為直紋可展曲面。②壓料面任一斷面曲線長度要小于拉深件內(nèi)部相應(yīng)斷面曲線長度，凹模內(nèi)毛坯產(chǎn)生一定程度的脹形變形，可保證坯料剛性，避免拉入凹模內(nèi)的多余材料無法延展。

綜上內(nèi)容，設(shè)計(jì)拉深模面并在UG軟件上建模，如圖3所示。

（3）有限元分析模擬 在拉深模面建模完成后進(jìn)行CAE模擬分析。首先對(duì)坯料尺寸、拉深筋系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。拉深筋作用主要是控制材料塑性流動(dòng)方向和進(jìn)料速度，提高制件剛性，同時(shí)也是防止覆蓋件起皺、開裂、拉深不足等成形缺陷發(fā)生最有效的方法。

側(cè)圍外板在拉深開始前，模具壓邊圈與凹模閉合后，坯料首先被拉深筋壓彎成形，隨后在模具凸模作用下，坯料周邊產(chǎn)生拉深變形并向凹模走料，坯料沿拉深筋表面滑動(dòng)產(chǎn)生摩擦阻力和彎曲變形阻力，都使毛坯斷面內(nèi)徑向拉應(yīng)力加大。改變拉深筋高度和圓角半徑，都可以達(dá)到調(diào)整進(jìn)料阻力的目的。這種調(diào)整徑向拉應(yīng)力的方法十分方便實(shí)用，且調(diào)整范圍也較大。模擬分析結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)此分析結(jié)果，產(chǎn)品無風(fēng)險(xiǎn)，如圖5所示。通過后期調(diào)試，達(dá)到產(chǎn)品要求。

圖3 拉深模面

圖4 坯料及拉深筋設(shè)置

圖5 CAE分析結(jié)果

圖6 各工序內(nèi)容

（4）產(chǎn)品工序分配 如圖6所示，通過前期對(duì)產(chǎn)品分析，對(duì)此側(cè)圍外板做了4工序排布。通過對(duì)工藝內(nèi)容和模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)4工序化的要求。

二、物理驗(yàn)證

按照CAE模擬結(jié)果，修改及優(yōu)化拉深件形面，調(diào)試得到試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。零件成形良好，無暗傷與開裂缺陷，外觀品質(zhì)優(yōu)良。

三、結(jié)語

側(cè)圍外板作為汽車車身開發(fā)過程中，最重要最復(fù)雜最難設(shè)計(jì)及制造的制件，若前期分析不充分，會(huì)造成產(chǎn)品設(shè)計(jì)出現(xiàn)大量變更，且后期制造反復(fù)，調(diào)試成本極高。數(shù)值模擬能夠預(yù)測(cè)側(cè)圍成形過程中存在的問題，也可有效指導(dǎo)模具現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，減小模具調(diào)試時(shí)間，提高效率。實(shí)際試模過程中，各工序調(diào)試，上檢具檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)很好達(dá)到了此車型量產(chǎn)要求，目前此側(cè)圍外板已在線批量生產(chǎn)。

圖7 最終拉深零件

圖8 最終合格實(shí)物產(chǎn)品