轎車前縱梁拉延模擬分析

文／楊威，高志純，郎慶東·一汽大眾汽車有限公司

轎車前縱梁拉延模擬分析

文／楊威，高志純，郎慶東·一汽大眾汽車有限公司

左 /右前縱梁沖壓件是轎車車身中重要的保安件，在整車安全性和結(jié)構(gòu)尺寸匹配準(zhǔn)確性上起著至關(guān)重要的作用。左/右前縱梁沖壓件在強(qiáng)度、尺寸和形狀精度、焊接表面質(zhì)量等方面有著很高的要求。

國內(nèi)整車生產(chǎn)廠中，一汽大眾在全自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線上，對(duì)左/右前縱梁成形首次采用一模雙件的生產(chǎn)方式，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化批量生產(chǎn)。徹底克服了因制件重量大、尺寸狹長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜而不適合全自動(dòng)化生產(chǎn)的難題，使整線連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行節(jié)拍達(dá)到了7.5次/分鐘的國際創(chuàng)記錄水平。本文就左/右前縱梁沖壓件的產(chǎn)品特性和產(chǎn)能要求，對(duì)拉延工藝進(jìn)行了詳細(xì)的模擬分析。

技術(shù)難點(diǎn)

左/右前縱梁的產(chǎn)品特性要求高

RPS基準(zhǔn)孔和基準(zhǔn)面既是沖壓?jiǎn)渭叽鐪y(cè)量、定位、找正、對(duì)中基準(zhǔn)，也是總成或分總成焊接的定位、找正基準(zhǔn)。故2個(gè)RPS基準(zhǔn)孔的形狀公差為+0.2mm，位置公差為±0.2mm；2個(gè)RPS面的Z向位置公差為0mm。

由于左/右前縱梁法蘭面和翼面分別與縱梁蓋板，前、后支撐塊輔助支架，前地板梁，前地板等零件都有匹配和焊接要求，且該沖壓件的強(qiáng)度要求很高，決定著焊接總成和白車身結(jié)構(gòu)尺寸是否合格與穩(wěn)定。故其翼面的形狀公差為+0.7mm。

高強(qiáng)度激光拼焊鋼板不利于制件的成形及精度保證

HX260 LAD+Z 100 MBO高強(qiáng)度激光拼焊鋼板，抗拉強(qiáng)度達(dá)到430MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到330MPa，斷裂延伸率為26%，制件拉延深度大、成形和整形困難，需要的成形力很大。

制件為U型帶法蘭邊兩端頭呈開口的形狀，其兩翼面最窄截面間距為19.5mm(左件)/36mm(右件)，制件長(zhǎng)度為1739mm，腹面與法蘭面截面高度為85mm，制件整體高度為731mm，三段激光拼焊鋼板厚度分別為2mm、2.85mm、1.35mm，厚度差異大，對(duì)成形穩(wěn)定性影響較大，對(duì)制件的回彈、扭曲變形、縮頸裂紋、波浪皺褶的控制難度大。

圖1 料片輪廓形狀

拉延模擬分析

確定料片形狀

按產(chǎn)品三段不同料厚（2/2.85/1.35mm ）的激光拼接焊縫位置和焊縫對(duì)產(chǎn)品形狀和孔位孔徑的要求，考慮料片在拉延成形中X方向的材料流動(dòng)量確定料片的焊縫位置。

根據(jù)拉延成形制件的形狀、拉延工藝補(bǔ)充壓料面的需求、拉延檻的設(shè)置及收料線的位置（在拉延成形制件上保留整體拉延檻）、修邊余量和最小搭邊值、定位等要求，確定料片的輪廓形狀，如圖1所示。

設(shè)置拉延模擬參數(shù)

焊接時(shí)需注意板料纖維方向，成形時(shí)采用單動(dòng)拉延方式，單件壓料力為220t，成形力為600t。在拉延成形后，激光拼焊焊縫位置的變化不能出現(xiàn)影響產(chǎn)品功能和沖壓工藝的位移，即不能跨越或接近孔、基準(zhǔn)面、安裝面、匹配面等特征。

工藝補(bǔ)充形狀設(shè)置

⑴取沖壓基準(zhǔn)點(diǎn)（左件）為：X=300、 Y=-430、Z=0，沖壓方向?yàn)椋涸赮OZ面內(nèi)繞X軸旋轉(zhuǎn)12°。在此沖壓基準(zhǔn)點(diǎn)和沖壓方向上，拉延成形力和壓料力分布相對(duì)均勻，拉延深度變化小，全部拉延形面無負(fù)角且拔模斜度適中，可以滿足退件和后續(xù)工序修邊工藝要求。

⑵結(jié)合工藝補(bǔ)充部分高度的選取，板料與拉延凸模的初始接觸位置基本合理，把板料拉延成形性調(diào)整到相對(duì)合理的狀態(tài)，沒有明顯的起皺及厚度變化情況。

⑶為了保證制件法蘭面形狀，取制件法蘭面形狀沿周輪廓并延長(zhǎng)至大于修邊輪廓區(qū)域，形成工藝補(bǔ)充的形狀面，并以該形面輪廓做為拉延凸模輪廓。

為了提高拉延工藝性，使板料的塑性變形充分，保證制件具有足夠的剛性，制件回彈變形小。結(jié)合產(chǎn)品的腹面深度，以達(dá)到拉延制件拉延深度相對(duì)均勻?yàn)槟康模龀龉に囇a(bǔ)充形狀面的拉延深度補(bǔ)償變化，并生成與產(chǎn)品腹面接近平行的壓料形面，如圖2所示。

⑷為了減小拉延成形件的回彈、扭曲變形，將產(chǎn)品開口端在拉延工序封閉，形成封閉的拉延形狀，如圖3所示。

⑸為了減小由于兩側(cè)翼面形狀不對(duì)稱和腹面輪廓非直線帶來制件扭曲變形的問題，在中部區(qū)域工藝補(bǔ)充的形狀面設(shè)計(jì)上，在考慮接近產(chǎn)品形狀的同時(shí)，也做了兩側(cè)形狀面受力均衡的考慮，如圖4所示。

⑹由于制件中部?jī)蓚?cè)翼面與法蘭面交匯圓角過小，且法蘭面形狀變化大，故需要在拉延時(shí)，做出適于拉延成形的、接近產(chǎn)品的圓角和法蘭面形狀，再通過后續(xù)整形達(dá)到產(chǎn)品形狀尺寸，如圖5所示。

⑺根據(jù)產(chǎn)品的輪廓形狀和后續(xù)修邊工序的修邊輪廓，并考慮后續(xù)工序?qū)に囇a(bǔ)充的要求，確定拉延凸模輪廓及修邊位置，如圖6所示。保證制件的外表面形狀和主要匹配面等包含在凸模輪廓范圍內(nèi)，并具有良好的表面質(zhì)量和尺寸精度。

⑻為了能夠目測(cè)制件拉延成形到位的狀態(tài)，在工藝補(bǔ)充中接近水平面的、相距較遠(yuǎn)的、在修邊后至少可以保留大半個(gè)標(biāo)記的位置，設(shè)置2個(gè)拉延到位標(biāo)記，如圖7所示。

⑼為了能夠保證翼面的尺寸精度和形狀精度，根據(jù)產(chǎn)品的形狀，確定在拉延深度相對(duì)較深的區(qū)域，對(duì)兩側(cè)翼面分別做3°的預(yù)回彈設(shè)置處理，如圖8所示。

成形性評(píng)估分析結(jié)果檢查

⑴拉延模擬成形性評(píng)估。制件處于安全區(qū)域范圍內(nèi)，如圖9所示。

Formability—可成形性/Splits —破裂/Excess thinning —過度變薄/Risk of splits—有破裂危險(xiǎn)/Safe—安全/Insuff stretch—變形不足/Comprss—有起皺趨勢(shì)/ Thicking—起皺

⑵成形性FLD極限圖。制件處于成形限制曲線安全區(qū)范圍內(nèi)，如圖10所示。

⑶材料過度變薄、材料起皺、失效評(píng)定指標(biāo)顯示云圖。制件處于合理的安全范圍內(nèi)，如圖11所示。

圖2 工藝補(bǔ)充形狀設(shè)置

圖3 產(chǎn)品開口端在拉延時(shí)封閉

圖4 拉延工藝補(bǔ)充法蘭面

根據(jù)拉延模擬對(duì)制件板料料厚變化、變薄率變化和板料起皺的分析，其板料的變化范圍在允許的界限內(nèi)，且變化分布與工藝補(bǔ)充部分和成形部分的設(shè)計(jì)趨勢(shì)基本一致，雖然個(gè)別點(diǎn)出現(xiàn)接近極限值，有出現(xiàn)縮頸、開裂的可能，但可以通過實(shí)際模具的調(diào)整解決。

圖5 拉延圓角加大

圖6 拉延凸模輪廓及修邊輪廓

圖7 拉延到位標(biāo)記

圖8 兩側(cè)翼面預(yù)回彈設(shè)置圖

圖9 拉延模擬成形性評(píng)估

位移邊界條件指標(biāo)檢查

圖10 成形性FLD極限圖

圖11 材料變形顯示云圖

圖12 拉延最終進(jìn)料狀態(tài)

圖12所示為工件拉延的最終狀態(tài)，根據(jù)拉延模擬對(duì)制件邊緣位移邊界的變化情況檢查，為板料輪廓形狀、尺寸和拉延筋等的設(shè)置做出了趨勢(shì)判斷。

在凸模翼面兩側(cè)，在保證足夠壓料寬度的條件下（取壓料面平面寬度20mm），設(shè)置一條拉延檻。在中部?jī)A斜腹面接近薄料的彎折區(qū)域，由于制件在沖壓方向的拉延深度相對(duì)深（法向的拉延深度相對(duì)均勻），為了便于成形過程中板料的流動(dòng)，板料輪廓在該區(qū)域做成無拉延檻的凹入狀壓料面。

為了保證制件批量生產(chǎn)的穩(wěn)定性，在拉延件上，必須保留一條拉延筋寬度在2/3以上。在這種條件下，設(shè)置出板料的最小輪廓尺寸并做簡(jiǎn)化圓整的規(guī)范處理。

最終分析結(jié)果檢查

經(jīng)CAE分析表明，產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)的工藝性基本合理，但局部形狀存在破裂可能，調(diào)試過程中依賴于型面光潔度及局部圓角的修正，制件拉延工藝補(bǔ)充部分成形工藝性合理，能夠保證拉延及后續(xù)沖壓工藝的可行性，因此該制件及工藝補(bǔ)充部分可作為制造依據(jù)應(yīng)用于生產(chǎn)。

實(shí)際生產(chǎn)和質(zhì)量狀態(tài)與匹配效果

⑴在9100t全自動(dòng)化SPEEDBAR生產(chǎn)線上，采用1：1.38節(jié)拍運(yùn)行方式，單機(jī)的運(yùn)行節(jié)拍為11次/分鐘，整線連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行節(jié)拍為7.5次/分鐘。在大眾康采恩過程審核范圍內(nèi)，開創(chuàng)了2/2.85/1.35mm料厚、1765mm長(zhǎng)度、12.42kg單件重量、一模雙件、整線連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行節(jié)拍為7.5次/分鐘的先河。得到了大眾康采恩批量生產(chǎn)啟動(dòng)檢查團(tuán)的一致認(rèn)可。

⑵尺寸狀態(tài)和匹配效果。對(duì)有匹配功能的形面、輪廓、孔進(jìn)行尺寸優(yōu)化（形面、輪廓尺寸公差為±0.5mm，孔尺寸公差為±0.2mm）和匹配試裝，完全可以滿足實(shí)際生產(chǎn)的質(zhì)量要求。

⑶表面質(zhì)量。沖壓?jiǎn)渭嗀UDIT評(píng)價(jià)等級(jí)1.2，缺陷點(diǎn)數(shù)70點(diǎn)，其中C1類波浪缺陷3個(gè)，C類毛刺缺陷1個(gè)，優(yōu)于康采恩沖壓?jiǎn)渭嗀UDIT評(píng)價(jià)等級(jí)1.5的質(zhì)量狀態(tài)。