汽車地板縱梁前段沖壓工藝優(yōu)化設計

李 昂，王肖英，黃永生，崔禮春

(安徽江淮汽車集團股份有限公司 技術中心，安徽 合肥 230000)

0 引言

隨著汽車更新?lián)Q代加快、產品生命周期縮短，市場競爭越來越激烈。在更短的時間內制造出質量更高的產品是現(xiàn)階段汽車行業(yè)的重要研究熱點[1]。為了保證汽車的整體質量和安全性能，在車身許多關鍵位置，需要設計必要的高強度厚板沖壓結構件，但是這些零件都存在著成形困難、易產生缺陷的普遍問題。隨著CAE技術的不斷進步，在產品初期同步分析階段,就能夠利用CAE軟件對零件各種成形方案進行仿真分析，發(fā)現(xiàn)產品缺陷并找出解決方案。本文以某車型地板縱梁前段零件為例，對該件的產品結構進行優(yōu)化設計，最終確定工藝方案，所生產的產品能滿足設計及生產要求。

1 工藝分析

某車型地板縱梁前段如圖1所示，零件材質為H420LAD+ZF 45/45，料厚2.2 mm，為典型的車身高強度厚板結構件。該零件安裝在前圍板下部，前端搭接發(fā)動機艙零件，后端搭接地板縱梁零件，并且涉及整車安全性能，對尺寸精度和產品質量都有極高的要求。零件造型較復雜，型面前后高差大，多處位置有起皺或開裂等成形性風險。經過多次CAE模擬分析，對圖1中A(法蘭邊起皺)、B(開裂)、C(回彈特征)進行了優(yōu)化。

2 零件優(yōu)化

1) 圖1中零件邊側位置A，由于與縱梁頂部輪廓形狀差別較大，頂部輪廓線較長，拉延過后進行法蘭邊整形時，此處料邊由多變少，多余的板料會產生起皺缺陷，嚴重影響焊接性能。經過CAE模擬分析，調整零件搭接邊輪廓形狀，與頂部輪廓走勢保持一致，整形時料邊長度也基本保持一致，避免了零件在此處起皺的缺陷。優(yōu)化前后零件狀態(tài)如圖2所示。

2) 圖1中零件底部位置B，下端立面角度較小，相交位置R角也較小，此處由于深度大，不能通過一次拉延完成，需要進行二次成形工序。成形時，翻邊立面和側壁將此處板料往兩側方向拉拽，拐角位置會產生嚴重開裂缺陷，導致零件不能滿足產品質量要求。經過CAE模擬分析，增大此處翻邊立面與側壁間角度，同時放大相交處R角，從原來R14 mm放大到R21 mm，平緩過渡，消除了此處開裂的問題，滿足了產品要求。優(yōu)化前后零件CAE狀態(tài)如圖3所示。

3) 回彈廣泛存在于板件沖壓成型件上，汽車結構件由于強度高或板材較厚，回彈現(xiàn)象尤其明顯[2]。該地板縱梁前段也存在較大的回彈問題。經過CAE模擬分析，在零件兩側立面增加凸起特征，配合進行局部回彈補償，可以有效解決零件兩側回彈問題。特征結構如圖1位置C所示。

圖1 某車型地板縱梁前段

圖2 地板縱梁前段搭接邊起皺缺陷優(yōu)化

圖3 地板縱梁前段下部開裂缺陷優(yōu)化

3 工藝方案

汽車沖壓件的工藝方案設計，既要滿足產品的結構和技術要求，又要考慮模具結構的合理性與安全性，以及沖壓操作的便捷與可實現(xiàn)性。該地板縱梁前段需要排布的工藝內容有拉延、正/側修邊、正/側沖孔、整形等工序，由于整體工藝內容較為集中，考慮到模具各部件避讓及安裝空間，通過CAE模擬分析，按照5個工序完成零件的工藝排布方案，可以滿足設計及生產要求。具體工藝方案如圖4所示。

圖4 地板縱梁前段沖壓工藝方案

第1工序為拉延工序，考慮到地板縱梁前段材質強度高、厚度大，一般閉口拉延難以成形，故采用兩端開口拉延設計。同時為了保證兩端開口位置不會因為不壓料而造成嚴重起皺，在此處設計吸皺特征，如圖5(a)所示。后序整形時在下端拐角位置(圖3)易開裂，所以在拉延時應盡量增加拉延深度，以減少后序整形工作內容，并且在此處設計工藝凸包用以蓄料，如圖5(b)所示。整體拉延工序壓料面按照零件曲率進行設計，保證凸模和板料同時接觸，優(yōu)化零件成型狀態(tài)。

圖5 地板縱梁前段拉延工藝

第2工序為修邊、沖孔工序，主要工作為完成兩側大部分滿足正修角度的修邊內容。該工序同時進行中間兩處定位孔正沖孔工作，在定位孔位置沖出直徑較小的孔用于后序模具進行板件定位。此工序由于無定位孔，需要采用型面與料邊進行定位。

第3工序為修邊、側修邊工序，主要工作為完成其余不受整形影響的修邊內容，包括兩側中間的剩余正修邊工序，以及地板搭接一端的側修邊工序。

第4工序為側整形工序，主要工作為兩側立壁與搭接邊的整形內容。在此工序中需要進行零件的回彈補償，以保證最終產品精度滿足裝配要求。

第5工序為側修邊、沖孔、側沖孔工序，主要工作為發(fā)動機艙搭接一端的側修邊內容，以及所有正/側沖孔內容的排布。

4 CAE分析及結果評價

通過Autoform軟件，對地板縱梁前段進行了模面構建以及全工序CAE模擬分析，工序分析模型如圖6所示。全工序模擬完成后，根據(jù)零件分析結果作出以下判定：

圖6 地板縱梁前段全工序分析模型

1) 在零件折彎處和拐角尖點處易出現(xiàn)開裂，幾處位置材料減薄率如圖7所示，滿足該材質極限減薄率(15%)的要求，故判定不會產生開裂缺陷。

2)在零件法蘭邊位置易發(fā)生起皺，幾處位置拉延及整形狀態(tài)如圖8所示，拉延結束前未見明顯起皺現(xiàn)象，故判定不會產生嚴重的起皺缺陷。

圖7 地板縱梁前段材料減薄率分析

3) 對全工序零件進行回彈模擬分析，回彈結果如圖9所示，下端拐角處型面結構較深，回彈量較大，地板一端搭接法蘭邊也存在一定回彈。幾處局部區(qū)域需要在第4工序整形時按照回彈量進行型面補償,主要為立壁前后兩端回彈較大的區(qū)域，以保證最終產品面差滿足精度要求。

圖8 地板縱梁前段起皺分析

圖9 地板縱梁前段回彈分析

5 結論

通過前期有效的零件優(yōu)化設計，并進行合理的工藝設計與排布，在詳細的全工序CAE模擬分析的基礎上，結合后期根據(jù)實際情況進行模具調試，目前該車型地板縱梁前段已穩(wěn)定出件，圖10為該地板縱梁前段實物圖片。該沖壓件產品質量良好，精度符合焊裝要求，各區(qū)域狀態(tài)與前期CAE模擬分析結果基本保持一致，避免了后期因產品造型可能產生的各項設計變更，節(jié)約了開發(fā)成本。

圖10 地板縱梁前段實物