汽車縱梁的成形仿真分析及工藝優(yōu)化

文/柴克文，何桂嬌·安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心

汽車縱梁的成形仿真分析及工藝優(yōu)化

文/柴克文，何桂嬌·安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心

柴克文，沖壓工藝工程師，主要從事汽車覆蓋件的工藝設(shè)計(jì)及新開發(fā)模具的調(diào)試工作。

根據(jù)縱梁外形對(duì)其成形過程進(jìn)行模擬，縱梁造型最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間落差較大，在成形過程中在落差較大的區(qū)域形成懸空區(qū)，產(chǎn)品容易起皺。通過分析起皺原因，在懸空區(qū)增加壓料芯進(jìn)行模擬。在產(chǎn)品可接受范圍內(nèi)，在拉延過程中對(duì)懸空區(qū)壓料進(jìn)行處理，對(duì)普通拉延模具進(jìn)行改進(jìn)，使模具結(jié)構(gòu)達(dá)到工藝要求。

駕駛室縱梁是車身中主要的連接及受力零件，是車身高強(qiáng)度鋼中的困難件，更是汽車沖壓件生產(chǎn)領(lǐng)域的一個(gè)短板。由于成形過程較難控制，各車型縱梁零件形狀各異，各車型縱梁成形方式各不相同，模具調(diào)試周期長(zhǎng)，匹配性差，往往很難達(dá)到預(yù)期設(shè)定的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，主要表現(xiàn)為零件開裂、起皺、回彈嚴(yán)重、扭曲、模具拉毛、面精度低等。零件的成形性及精度得不到保證，嚴(yán)重影響地板總成及白車身的精度。

沖壓成形工藝分析

拉延是沖壓件成形最重要的工序，通過拉延沖壓件的形狀基本或全部呈現(xiàn)，其直接影響沖壓件精度及外觀品質(zhì)。拉延工藝設(shè)計(jì)過程主要包括對(duì)零件數(shù)模進(jìn)行分析、確定沖壓方向、對(duì)沖壓件的孔進(jìn)行填充、確定修邊線、設(shè)計(jì)壓料面、對(duì)沖壓件進(jìn)行工藝補(bǔ)充、拉延筋的設(shè)計(jì)、初步確定拉延用板料的尺寸。

產(chǎn)品分析

縱梁是卡車駕駛室重要的承重零件，縱梁總成更是白車身的基準(zhǔn)，其與駕駛室前、中、后地板搭接構(gòu)成整個(gè)地板總成，縱梁的精度直接影響著白車身的整體精度。圖1為江淮某輕卡縱梁零件。

圖1 縱梁零件圖

該縱梁零件的材質(zhì)為B170P1（表1為B170P1基本參數(shù)），料厚為1.2mm，零件長(zhǎng)1140mm、寬430mm、深度270mm，零件整體呈S形；零件造型較復(fù)雜，工藝設(shè)計(jì)時(shí)要考慮成形過程中零件起皺、開裂的問題，以及零件的回彈控制、扭曲變形。由于縱梁需與前、中、后地板同時(shí)搭接，縱梁造型呈前后不同的兩段落差，此落差急劇且深度為216mm，拉延成形時(shí)極容易起皺疊料，同時(shí)前后兩段落差段呈S形，側(cè)壁角度為93°，成形后會(huì)產(chǎn)生扭曲變形，零件側(cè)壁與縱梁加強(qiáng)板搭接成形性差，存在回彈，拉深成形后需整形確保零件尺寸精度，零件前段造型限制無法拉延成形，需后期整形。

表1 B170P1基本參數(shù)

沖壓方向的確定

圖2為縱梁沖壓方向，方向確定時(shí)，主要考慮以下因素，拉延工序下不存在沖壓負(fù)角；工件拉延過程定位可靠不存在竄料等現(xiàn)象；沖壓件整體拉延深度盡可能小；為保證拉延過程材料流動(dòng)的均勻性，應(yīng)盡量擴(kuò)大坯料進(jìn)入凹模時(shí)的接觸面；沖壓件各部分拉延深度應(yīng)盡量相差不大。

圖2 縱梁沖壓方向

設(shè)計(jì)壓料面

設(shè)計(jì)拉延壓料面應(yīng)保證整個(gè)壓料面過渡平順，控制合適的拉延深度（太深降低材料利用率，太淺容易塑性變形不充分，零件剛性不足），為保證拉延過程中坯料均勻的流動(dòng)并且逐漸貼合凸模，壓料面應(yīng)和零件形狀相似，圖3為縱梁壓料面形狀。

圖3 壓料面形狀

對(duì)零件進(jìn)行工藝補(bǔ)充

工藝補(bǔ)充是根據(jù)零件形狀特點(diǎn)添加合適的補(bǔ)充部分以便成形出合格零件，其對(duì)拉延過程及結(jié)果影響巨大，坯料的變形，工藝參數(shù)以及零件表面質(zhì)量和精度等都受到工藝補(bǔ)充的影響。圖4為縱梁的工藝補(bǔ)充，根據(jù)工藝設(shè)計(jì)，前段需攤平做工藝補(bǔ)充為更好的成形，對(duì)局部拉伸深度較大且不易流動(dòng)的補(bǔ)充區(qū)域進(jìn)行局部圓角擴(kuò)大增加工藝補(bǔ)充量，防止此處拉延開裂，工藝補(bǔ)充最淺拉延深度為140mm，最深拉延深度為195mm。

圖4 縱梁工藝補(bǔ)充

坯料形狀及尺寸的確定

坯料形狀及尺寸是一個(gè)很重要的工藝參數(shù)，板件的大小及形狀影響著拉延成形過程中材料流動(dòng)的均勻性及塑性變形是否充分，影響板件的成形極限，同時(shí)影響修邊余量及材料利用率。為了達(dá)到更好的零件成形情況及提高材料利用率，確定毛坯形狀如圖5所示，板料采用方料，在拉延之前增加落料工序。

圖5 落料形狀

成形過程模擬

拉延工序模擬與分析

設(shè)置模具與板料之間的摩擦系數(shù)為0.15，拉延筋采用虛擬筋，圖6為拉延模擬初始狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)為凹模在上，凸模在最下，中間壓邊圈，板料在壓邊圈之上，拉延模擬成形過程為凸模不動(dòng)，凹模向下移動(dòng)與壓邊圈接觸壓緊板料，然后共同下移完成與凸模的成形貼合過程。

圖6 拉延模擬初始狀態(tài)

根據(jù)拉延模擬的結(jié)果對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行更改設(shè)計(jì)，在壓邊力為900kN，拉延深度為195mm，摩擦系數(shù)為0.15的情況下，模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 工藝分析結(jié)果

拉延工序模擬優(yōu)化

根據(jù)以上模擬結(jié)果可以看出，在縱梁臺(tái)階急劇變化的地方有增厚起皺，并且無法消除，影響零件質(zhì)量，且此處與縱梁內(nèi)板加強(qiáng)板搭接無法增加吸皺筋，其他地方成形均勻，符合設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過分析，由于零件結(jié)構(gòu)此處變化急劇，在成形過程中由于沒有設(shè)置預(yù)彎工序，成形過程中凸凹模貼合時(shí)間不同，此處較其他地方貼合較晚，形成懸空區(qū)引起材料流動(dòng)不均勻，導(dǎo)致產(chǎn)品件起皺嚴(yán)重。

由于產(chǎn)品件造型復(fù)雜，目前已通過5道工序完成此零件從板料到產(chǎn)品件的出件，從模具工裝成本及生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性考慮不增加預(yù)彎工序，所以對(duì)拉延模擬過程進(jìn)行調(diào)整再次進(jìn)行模擬分析，具體方案是根據(jù)以上模擬的結(jié)果在拉延開始時(shí)就對(duì)起皺嚴(yán)重的地方進(jìn)行壓料，具體如圖8所示，確保板料在拉延過程中流動(dòng)的均勻性，來降低縱梁零件變化急劇地方起皺、疊料的風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 凹模拉延壓料位置

調(diào)整后的拉延模擬初始狀態(tài)，除了在凹模相應(yīng)部位增加活動(dòng)壓料面外，其余和第一次模擬初始狀態(tài)基本相似，設(shè)置壓邊力為900kN，摩擦系數(shù)為0.15，活動(dòng)壓料面的壓料力為3MPa。

圖9所示為在凹模設(shè)置活動(dòng)壓料面的拉延模擬結(jié)果和材料成形極限圖，對(duì)比第一次模擬結(jié)果及成形過程，可以看出縱梁急劇變化的地方只存在輕微的起皺，總體零件成形均勻符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。

拉延凹模壓料面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析結(jié)果可以看出，在凹模設(shè)置活動(dòng)壓料面的結(jié)果優(yōu)于普通分析結(jié)果，但是凹模設(shè)置活動(dòng)壓料面需對(duì)拉延模具進(jìn)行改進(jìn)。圖10所示為改進(jìn)后縱梁拉延模具的結(jié)構(gòu)，一端為可伸縮的彈性壓料機(jī)構(gòu)安裝于凹模的底部，可伸縮端面為凹模局部工作型面，在機(jī)床上滑塊帶動(dòng)下凹模下行，當(dāng)上模下行時(shí)伸縮端的端面沿模具沖壓方向運(yùn)動(dòng)到一定位置后彈性壓料機(jī)構(gòu)的伸縮端首先與板料接觸，并將板料壓緊在凸模上，凹模繼續(xù)下行，直至彈性壓料機(jī)構(gòu)的伸縮端面與凹模的模面平齊，此時(shí)模具閉合，完成整個(gè)拉延過程；之后，凹模在機(jī)床上滑塊的帶動(dòng)下向上移動(dòng)，彈性壓料機(jī)構(gòu)將工件推出凹模，在凹模內(nèi)部限位作用下伸出到一定位置。

彈性壓料機(jī)構(gòu)包括固定座、伸縮彈性元件、料芯、墊塊和限位塊，固定座固定于凹模底面上，伸縮彈性元件安裝在固定座上，壓料芯的端面與板料接觸后沿模具沖壓方向反方向運(yùn)動(dòng)，直到接觸到限位塊，此時(shí)模具閉合拉延結(jié)束，伸縮端面與凹模型面平齊。由于伸縮端面為凹模型面一部分，同時(shí)為提高預(yù)變形效果壓料芯的可伸縮端面形狀根據(jù)制件的形狀設(shè)定。本縱梁端面形狀為零件落差較大處形狀；為防止壓料芯晃動(dòng)而導(dǎo)致的板料竄動(dòng)，提高結(jié)構(gòu)性能，壓料芯上設(shè)置有中心線沿著模具沖壓方向延伸導(dǎo)向孔，伸縮彈性元件的一端穿過導(dǎo)向孔與壓料芯連接，導(dǎo)向孔內(nèi)設(shè)置墊塊防止壓料芯受力損壞。

圖9 在凹模設(shè)置活動(dòng)壓料面的工藝分析結(jié)果

圖10 優(yōu)化后模具結(jié)構(gòu)

CAE分析情況與量產(chǎn)情況對(duì)比

縱梁底面落差處存在輕微不平整，在可接受范圍內(nèi)，與CAE模擬分析結(jié)果一致，此處材料增厚，后段閉合處存在疊料現(xiàn)象，增加吸皺工藝，CAE模擬分析時(shí)料片此處存在疊料，由于對(duì)廢料區(qū)未做處理，實(shí)際疊料嚴(yán)重對(duì)模具影響較大。

結(jié)束語

本文對(duì)汽車駕駛室縱梁進(jìn)行成形過程仿真分析，根據(jù)結(jié)果對(duì)相關(guān)模擬過程進(jìn)行優(yōu)化，并且通過改進(jìn)拉延模相關(guān)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工藝的設(shè)計(jì)。通過模擬狀態(tài)對(duì)比，在懸空處增加壓料裝置能顯著改善成形過程材料的流動(dòng)，提高材料的成形性能，降低起皺缺陷；通過模擬狀態(tài)與實(shí)物對(duì)比，確定模擬結(jié)果與實(shí)際狀態(tài)結(jié)果類似。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況做一定的調(diào)整就可調(diào)試出合格的沖壓件；整個(gè)模擬的過程及結(jié)果有效地指導(dǎo)了工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)化、模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及調(diào)試出件的驗(yàn)證過程。