前擺臂沖壓仿真分析及其工藝驗(yàn)證

文/劉裕中，吳雄偉，鄧國朝，謝國文·廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院

為適應(yīng)底盤零部件的輕量化需求，保證產(chǎn)品使用要求，因此需要使用更高強(qiáng)度等級(jí)的材料，由此給產(chǎn)品的沖壓成形帶來了更大的難度。本文針對(duì)CP800前擺臂沖壓工藝進(jìn)行可行性分析，發(fā)現(xiàn)采用以往的沖壓工藝，無法解決前擺臂局部翻邊開裂的問題，通過增加一套預(yù)成形模具，解決了局部翻邊開裂的問題，并在模具調(diào)試階段得到驗(yàn)證。

圖1為某車型底盤前擺臂，零件尺寸為480mm×235mm×40mm，其中轉(zhuǎn)角部位翻邊為伸長(zhǎng)翻邊，此處翻邊易出現(xiàn)開裂問題，翻邊局部示意圖如圖2所示，翻邊高度為19mm，轉(zhuǎn)角半徑為23mm。零件料厚為2.5mm，材料為CP800，材料參數(shù)見表1。

圖1 底盤前擺臂

圖2 局部翻邊高度

表1 CP800 材料參數(shù)信息

傳統(tǒng)翻邊方案分析

前擺臂沖壓工藝方案制定

總結(jié)過往翻邊經(jīng)驗(yàn)，在直接翻邊時(shí)，翻邊高度H>R/3時(shí)（R為轉(zhuǎn)角半徑），翻邊易出現(xiàn)開裂，而前擺臂的翻邊高度與轉(zhuǎn)角半徑基本一致，不適合用直接翻邊成形的方案。解決這種高翻邊開裂問題的傳統(tǒng)方法是先將翻邊通過拉延成形出一部分形狀，待修邊完成后，再進(jìn)行翻邊成形，通過這種工藝方法，可以做到翻邊高度H>R/3。根據(jù)此方法，初步制定前擺臂沖壓工藝方案為：落料→成形→切邊沖孔→翻邊整形。

拉延分析結(jié)果

三維CAD中完成建模后，導(dǎo)入AutoForm軟件進(jìn)行模型設(shè)置，圖3為拉延分析模型。拉延工序分析結(jié)果及減薄率如圖4所示，分析結(jié)果表明此處最大減薄率為11.5%，成形性良好。

圖3 拉延分析模型

圖4 拉延工序分析結(jié)果及減薄率

翻邊分析結(jié)果

整形工序在修邊工序之后開展，三維CAD完成工藝建模后，導(dǎo)入AutoForm軟件進(jìn)行仿真模型設(shè)置，整形分析模型如圖5所示。整形工序分析結(jié)果及減薄率如圖6所示，分析結(jié)果表明此翻邊處最大減薄率為29.3%，易形成開裂。通過分析距鐓死點(diǎn)10mm處的模擬過程（圖7）可知，距鐓死點(diǎn)10mm時(shí)，材料減薄率為18.3%，此時(shí)翻邊開始開裂。實(shí)際沖壓調(diào)試時(shí)，此處翻邊存在開裂，開裂位置與實(shí)際分析結(jié)果一致，如圖8所示。

圖5 整形分析模型

圖6 整形成形性及減薄率

圖7 距鐓死點(diǎn)10mm位置分析結(jié)果圖

翻邊開裂原因及解決思路

翻邊部位應(yīng)變分析

翻邊部位的應(yīng)變狀態(tài)圖如圖9所示，主應(yīng)變?yōu)檠胤呏荛L(zhǎng)方向，次應(yīng)變?yōu)檠胤吀叨确较?，說明材料在向下翻邊的過程中，由于翻邊位置材料不足，翻邊邊緣位置周長(zhǎng)方向變形量大，使得材料局部減薄嚴(yán)重，并最終導(dǎo)致開裂。

圖8 實(shí)際沖壓結(jié)果

圖9 翻邊部位應(yīng)變狀態(tài)

翻邊開裂解決措施

要解決此處翻邊位置開裂，分析影響此處翻邊開裂的因素，主要是受翻邊高度H，轉(zhuǎn)角半徑R決定，但是由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)約束，翻邊高度H以及轉(zhuǎn)角半徑R均無法更改，因此只能通過工藝的手段解決此處翻邊開裂。要解決此處翻邊開裂，就要使得此處材料在翻邊前與翻邊后的線長(zhǎng)變化量盡量小，從而使此處材料延展量小，避免開裂。常用方法有兩個(gè)：方案1，在拉延工序增加儲(chǔ)料包，翻邊時(shí)降低翻邊線長(zhǎng)變化量；方案2，通過多次拉延，盡量拉延到與翻邊接近狀態(tài)，降低翻邊線長(zhǎng)變化量。

方案1分析結(jié)果

在拉延工序上的紅圈位置，增加工藝儲(chǔ)料包，可以降低翻邊線長(zhǎng)的變化量，從而達(dá)到解決翻邊開裂的問題，如圖10所示。拉延分析結(jié)果表明此翻邊處最大減薄量為10%，成形狀態(tài)良好，如圖11所示。翻邊分析結(jié)果表明此處翻邊最大減薄量為30%，翻邊開裂如圖12所示。

方案1分析結(jié)果表明，此處由于產(chǎn)品翻邊變形量太大，即使后期多輪優(yōu)化此處儲(chǔ)料凸包，仍無法解決此處翻邊開裂問題，因此方案1無法解決此處翻邊開裂問題。

圖10 方案1局部增加儲(chǔ)料包

圖11 方案1拉延成形性及減薄率

圖12 方案1整形成形性及減薄率

方案2分析結(jié)果

通過增加一套預(yù)成形模具，使第二序產(chǎn)品拉延后的狀態(tài)盡量與翻邊狀態(tài)接近，降低翻邊線長(zhǎng)變化量，方案2增加的預(yù)成形凸包如圖13所示。方案2的關(guān)鍵在于增加預(yù)成形凸包，從而為第二序成形儲(chǔ)存足夠的材料（直接拉延第二序產(chǎn)品將開裂），修邊工序沿著第二序的圓角根部修邊到位，最后翻邊工序只需要將圓角部位成形到位即可。

圖13 方案2增加預(yù)成形凸包

方案2中第二序成形最大減薄量為12%，成形狀態(tài)良好，如圖14所示。翻邊分析結(jié)果表明此處翻邊最大減薄量為20%，如圖15所示。采用方案2實(shí)際翻邊狀態(tài)良好，翻邊不開裂，實(shí)際沖壓結(jié)果如圖16所示。

圖14 方案2二次成形性及減薄率

圖15 方案2翻邊成形性及減薄率

圖16 方案2實(shí)際沖壓結(jié)果

結(jié)論

⑴CP800級(jí)別的材料成形困難，在前擺臂轉(zhuǎn)角位置，翻邊高度大，轉(zhuǎn)角半徑小，采用以往的工藝方案難以成形到位。

⑵采用增加儲(chǔ)料凸包的方法，對(duì)前擺臂轉(zhuǎn)角位置翻邊開裂沒有實(shí)質(zhì)性的改善，主要是由于此處翻邊變形量太大，局部位置空間有限，儲(chǔ)料包儲(chǔ)料量有限。

⑶增加一套預(yù)成形模具，可以為第二序成形儲(chǔ)存足夠的材料，使第二序成形后的狀態(tài)盡量接近產(chǎn)品最終狀態(tài)。

⑷采用這種沖壓工藝方法，可以為其他大深度、小轉(zhuǎn)角半徑的翻邊成形提供借鑒。