汽車鋁合金覆蓋件沖壓成型工藝設(shè)計研究

董洋洋 那芳芳

摘 要 隨著社會經(jīng)濟(jì)科技的迅猛發(fā)展，人們的生活水平有了極大的提升，私家車占有率也有了大幅上漲。中國汽車工業(yè)作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱型產(chǎn)業(yè)，升級換代速度迅速，汽車生產(chǎn)所使用的材料、工藝技術(shù)和制造水平不斷向安全環(huán)保和節(jié)能的目標(biāo)發(fā)展。鋁合金車身的應(yīng)用在促進(jìn)汽車輕量化發(fā)展的同時對汽車鋁合金覆蓋件沖壓成型工藝的水平提出了更高的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞 汽車制造;鋁合金覆蓋件;沖壓成型工藝

1 汽車外覆蓋件沖壓成形有限元基本理論

汽車外覆蓋件在進(jìn)行設(shè)計和生產(chǎn)的過程中程序非常復(fù)雜，尤其在汽車覆蓋件拉伸延長成形的環(huán)節(jié)板料變形復(fù)雜多樣，因此傳統(tǒng)的汽車外覆蓋件生產(chǎn)往往依靠技術(shù)人員的過往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工藝設(shè)計及模具外形開發(fā)。隨著汽車制造行業(yè)的深入發(fā)展，鋁合金等輕質(zhì)材料的應(yīng)用對現(xiàn)代沖壓工藝的靈活性和精準(zhǔn)性有著更高的要求，需要通過技術(shù)不斷革新來提升沖壓工程和外覆蓋件成形控制的穩(wěn)定性。板料成形有限元理論的發(fā)展主要以彈塑性理論為基礎(chǔ)，充分考慮了在汽車外覆蓋件生產(chǎn)過程中彈性變形和塑性變形對板料最終成形的影響。彈塑性有限元法也是當(dāng)前汽車制造業(yè)中板料成形數(shù)值模擬的主要方法之一。在進(jìn)行鋁合金材料彈塑性數(shù)據(jù)分析時需要對材料的本構(gòu)關(guān)系式進(jìn)行分析和計算，不同特性材料的彈塑性本構(gòu)模型存在差異。對于汽車外覆蓋件板料而言，沖壓成型過程中出現(xiàn)的常規(guī)塑性變形和強(qiáng)化特征與等向強(qiáng)化模型存在很強(qiáng)的相似性，因此可以用于本構(gòu)模型的計算和建立。

2 車門外板沖壓工藝性分析

在汽車生產(chǎn)制造過程中車門外板是重要的外覆蓋件之一，對車門外板的合理設(shè)計能夠有效提升美觀性，對內(nèi)板件進(jìn)行封閉和保護(hù)。首先在設(shè)計制造車門外板覆蓋件的時候需要注意，由于外板的主要目的并不是承載重量，因此與其他沖壓件在設(shè)計上存在區(qū)別，出于最終縮減汽車整體質(zhì)量的目的，在一定程度上會縮減車門外板的質(zhì)量。因此，車門外板屬于薄板類成形，不僅板料厚度較低。而且汽車外覆蓋件需要大面積的包裹車身，屬于外形主要構(gòu)件，因此外覆蓋件的輪廓和尺寸都要比普通車用沖壓件大很多。在進(jìn)行汽車設(shè)計時，出于美觀度和降低阻力的設(shè)計目的，一般多采用流線型設(shè)計和自由曲面設(shè)計，曲面之間存在著較大的曲率變化。

車門外板與內(nèi)板包邊緊密結(jié)合在一起，起到一定的保護(hù)作用。車門外板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要表現(xiàn)為以下四點(diǎn)，第一，車門外板的整體零件尺寸較大。第二，車門外板覆蓋件本身并不具有對稱性，不同區(qū)域的曲面存在較大的曲率變化。一般設(shè)計時會在車門兩側(cè)設(shè)置棱線并向下凹陷，因此在板件生產(chǎn)拉延成形環(huán)節(jié)很容易出現(xiàn)開裂，需要在生產(chǎn)加工的過程中多加注意。第三、在車門把手的安裝區(qū)域設(shè)定有球狀凹陷，對板料拉延成形造成了一定的困難，容易出現(xiàn)因板料拉伸程度過大而導(dǎo)致的開裂問題，因此，需要對板件的拉延系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。最后車門板件作為外覆蓋件需要做好包邊區(qū)域的精度控制。在進(jìn)行車門外板工藝設(shè)計之前需要設(shè)計人員充分結(jié)合汽車輕量化生產(chǎn)需求對零件外形進(jìn)行設(shè)計，以此來有效提高車門板件的美觀性。同時，設(shè)計人員還需要結(jié)合過往經(jīng)驗(yàn)來對車門板料片的成形和變化進(jìn)行預(yù)測，并給予相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化，在實(shí)現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計的同時，還可以有效提高車門外板沖壓工藝性。

3 基于數(shù)值模擬的車門外板拉延工藝設(shè)計

車門外板的拉延工藝對于汽車整體工藝設(shè)計而言有著非常重要的影響，可以說是后續(xù)工藝設(shè)計的基礎(chǔ)。對車門外板覆蓋件最終成形質(zhì)量造成影響的主要因素就是拉延工藝的工序問題，成品沖壓件的產(chǎn)品缺陷和隱患也大多來自于拉延工序。比如車門外板起皺就是由于拉延環(huán)節(jié)設(shè)置的參數(shù)過小，板料流入速度過快從而導(dǎo)致的沖壓件表面有褶皺。這就要求相關(guān)設(shè)計人員不斷加強(qiáng)對拉延工序的工藝設(shè)計的研究并在實(shí)踐中不斷優(yōu)化工藝參數(shù)，為后續(xù)外覆蓋件的生產(chǎn)工序打好基礎(chǔ)。由于汽車外觀件大部分以曲面的形式進(jìn)行設(shè)計，因此形狀存在一定的復(fù)雜性，再加上結(jié)構(gòu)尺寸大相對厚度小，因此在拉延生產(chǎn)過程中存在很大的困難。在進(jìn)行車門外板拉延工藝時，往往會出現(xiàn)局部成型區(qū)域，但在拉延成形環(huán)節(jié)板料只能與模具的局部進(jìn)行接觸一直到成形結(jié)束，這個過程存在著復(fù)雜的力學(xué)變化，因此板料的各處變形也存在一定的復(fù)雜性，如果不能對應(yīng)力進(jìn)行科學(xué)控制很容易使車門板件出現(xiàn)起皺開裂等問題?，F(xiàn)代化的汽車外覆蓋件生產(chǎn)過程中逐漸將數(shù)值模擬應(yīng)用于車門外板件拉延工藝設(shè)計中，設(shè)計人員在制定沖壓工藝之前會事先利用有限元軟件對板件的拉延成形和沖壓過程進(jìn)行模擬，從而對零件在塑性成形過程中可能存在的缺陷和問題進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)模擬的最終結(jié)果對工藝工序不斷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。將數(shù)值模擬應(yīng)用于車門外觀件工藝設(shè)計生產(chǎn)中能夠有效減少后續(xù)的修模工作，提升模具的開發(fā)效率，有效縮短汽車外覆蓋件的開發(fā)周期，提升汽車制造企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。當(dāng)前國內(nèi)汽車生產(chǎn)企業(yè)在進(jìn)行板料拉延成形生產(chǎn)分析的過程中使用率最高的分析軟件是AutoForm，該軟件能夠科學(xué)有效地提升工藝補(bǔ)充面的自動設(shè)計效率，并且具有精準(zhǔn)成型模擬的運(yùn)行功能，能夠?qū)_壓方向，工藝補(bǔ)充和拉延筋等關(guān)鍵設(shè)計要素進(jìn)行有效的數(shù)值模擬，因此在計算速率和算法上具有很強(qiáng)的應(yīng)用性。

4 結(jié)束語

隨著國內(nèi)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，節(jié)能減排目標(biāo)對汽車制造業(yè)的影響也逐漸提升，通過汽車輕量化設(shè)計能夠有效降低車輛整體能耗。鋁合金等輕質(zhì)材料的應(yīng)用是當(dāng)前汽車制造行業(yè)實(shí)現(xiàn)輕量化的主要途徑，這就對現(xiàn)有的覆蓋件沖壓成型工藝提出了更高的要求。由于汽車鋁合金覆蓋件的生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，因此需要技術(shù)人員加強(qiáng)車身結(jié)構(gòu)輕量化研究，盡可能提升鋁合金的使用效率。

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