汽車側(cè)圍外板銳棱成形工藝設(shè)計與數(shù)值模擬

蔣磊，謝蛟龍，王龍，趙磊，馬培兵，張雄飛

東風(fēng)本田汽車有限公司，湖北 武漢 430056

外觀特征線是汽車的重要設(shè)計語言之一，決定了汽車的關(guān)鍵造型。優(yōu)美的特征線能夠很好地體現(xiàn)整車的造型風(fēng)格和車型定位，并提高汽車品牌的辨識度[1-3]。隨著國民人均收入不斷增長，追求個性、思想前衛(wèi)的年輕人正逐步成為汽車消費的主要群體。新生代的消費客戶在要求汽車駕駛、安全和舒適等基本性能的同時，還會進(jìn)一步追求富有力量感和運動感的犀利化汽車外觀造型[4-6]。而實現(xiàn)犀利化汽車外觀造型的重要手段之一就是銳棱化的車身側(cè)面腰線設(shè)計。凌厲的車身側(cè)面腰線可以使整車造型更具有立體感和豐富感，從而給消費者帶來強(qiáng)烈的視覺沖擊[7-9]。本文以某腰線銳棱化的側(cè)圍外板為研究對象，探究側(cè)圍外板銳棱成形工藝方案，并借助AutoForm 軟件進(jìn)行工藝可行性仿真分析，最后通過現(xiàn)場試模驗證側(cè)圍外板腰線銳棱成形效果及質(zhì)量，總結(jié)出側(cè)圍外板銳棱化的制造工藝及可實施性。

1 產(chǎn)品信息

圖1(a)為某車型側(cè)圍外板產(chǎn)品幾何模型，其輪廓尺寸為3 095 mm×375 mm×1 136 mm，腰線為銳棱化造型，圓角半徑為2.5 mm，產(chǎn)品截面如圖1(b)所示，銳棱夾角為145°，棱線兩側(cè)均為凹弧面結(jié)構(gòu)，曲率起伏變化大，在拉深成形過程中易產(chǎn)生壓縮應(yīng)變，從而導(dǎo)致面畸變難以控制。產(chǎn)品材料選用JAC270F-45/45，等同于寶鋼DC06+ZF-45/45，材料厚度為0.65 mm，各項力學(xué)性能參數(shù)如表1 所示。

圖1 某車型側(cè)圍外板幾何模型

表1 某車型側(cè)圍外板材料參數(shù)

2 工藝分析

對于具有銳棱特征的車身外覆蓋件，棱線滑移是零件外觀質(zhì)量控制的難點?；凭€又可稱之為線偏移，是零件在拉延成形初期，板料與凸模最高點圓角接觸后所產(chǎn)生的帶狀加工硬化痕跡?；凭€形成的原因有兩方面，一是成形初期凸模圓角過早與板料接觸；二是凸模圓角兩側(cè)材料流動阻力不平衡，如圖2 所示。

圖2 滑移線形成機(jī)理

本文所研究的側(cè)圍外板由于銳棱化的腰線圓角半徑以及腰線夾角均較小，因此在拉延成形過程中更加容易產(chǎn)生滑移線，且滑移線滑出棱線圓角的風(fēng)險也更大。同時，由于側(cè)圍外板成形深度較深，拉延成形過程中局部材料流入量較大，易導(dǎo)致工藝補(bǔ)充面開裂以及壓料面起皺。此外，由于側(cè)圍外板腰線兩側(cè)型面均為內(nèi)凹反弧面，拉延成形時處于單向拉伸狀態(tài)，易造成塑性變形不充分、剛性不足以及面畸變等質(zhì)量缺陷。

為了控制腰線滑移，抑制開裂、起皺，同時使零件成形更加充分，降低外觀面畸變，需要有針對性地進(jìn)行更加有利于銳棱化造型成形質(zhì)量的沖壓工藝設(shè)計。通過合理的沖壓方向設(shè)定、壓料面及工藝補(bǔ)充面設(shè)計、拉延筋選型等措施，可以使銳棱化的側(cè)圍外板獲得良好的成形質(zhì)量。

3 工藝設(shè)計

3.1 沖壓方向設(shè)定

對于常規(guī)側(cè)圍外板而言，通常將輪眉線設(shè)置為凸模最高點，以降低后風(fēng)擋和頂蓋搭接側(cè)拉延深度，從而達(dá)到減少開裂以及提高材料利用率的目的。而對于銳棱化側(cè)圍外板，為了將腰線的滑移量控制在可接受范圍之內(nèi)，需將腰線設(shè)置為凸模最高點，使銳棱圓角最先觸料成形。同時，沖壓方向的設(shè)定還必須保證棱線兩側(cè)型面與水平面夾角盡量相等，一般要求夾角應(yīng)滿足|α-β|≤5°，如圖3(a)所示。為了實現(xiàn)這一要求，需要將產(chǎn)品沿X軸旋轉(zhuǎn)19°，如圖3(b)所示。

圖3 銳棱化側(cè)圍外板沖壓方向設(shè)定原則與旋轉(zhuǎn)角度

3.2 壓料面設(shè)計

壓料面對于汽車覆蓋件的拉延成形起著重要的作用，壓料面設(shè)計合理與否直接影響著成形質(zhì)量的好壞。在進(jìn)行壓料面設(shè)計時，應(yīng)遵循使成形深度最小且各部位成形深度均勻一致、盡量選用平滑光順平面或曲面、壓料面截面線長小于產(chǎn)品截面線長、使材料在成形過程中一直處于拉伸狀態(tài)等原則。本文所研究的銳棱化側(cè)圍外板，采用了平面與曲面相結(jié)合的組合式壓料面，并進(jìn)行了隨形設(shè)計，壓料面在X軸方向為近似直線走勢，在Y軸方向為雙曲面走勢，如圖4 所示。各部位曲率半徑均控制在500 mm 以上，從而使產(chǎn)品能夠充分、均勻拉伸。

3.3 工藝補(bǔ)充面設(shè)計

由于汽車覆蓋件本身形狀起伏變化大，且多為敞開式特征造型，因此需要在產(chǎn)品型面之外設(shè)計工藝補(bǔ)充面來平衡產(chǎn)品自身的起伏造型，并使其成為可以進(jìn)行拉延成形的筒狀制件。工藝補(bǔ)充面是拉延工藝數(shù)據(jù)模型的重要組成部分，不僅直接決定著拉延能否成形，還影響著后工序的修邊、沖孔、翻邊和整形等工藝內(nèi)容的布局以及可行性[10]。本文所研究的銳棱化側(cè)圍外板拉延工藝數(shù)據(jù)模型如圖5(a)所示。前門洞、后門洞以及后保區(qū)域由于產(chǎn)品圓角較小，無法一次拉延成形，因此均采用了過拉延設(shè)計，即將產(chǎn)品圓角放大，并增大立壁面打開角度。為了提高材料利用率、減小成形深度，同時降低后工序修邊難度，頂蓋和后風(fēng)擋搭接部位運用了淺拉延工藝補(bǔ)充面設(shè)計，將產(chǎn)品的負(fù)角翻邊法蘭展開，使其成為壓料面的一部分，后工序可直接進(jìn)行垂直修邊，無需設(shè)計斜楔機(jī)構(gòu)進(jìn)行側(cè)修邊。各部位工藝補(bǔ)充面截面造型與設(shè)計參數(shù)如圖5(b)所示。

圖5 銳棱化側(cè)圍外板拉延工藝數(shù)據(jù)模型與截面

3.4 拉延筋設(shè)計

拉延筋可以為材料流動提供變形阻力，并根據(jù)塑性變形需求調(diào)節(jié)材料向凹模內(nèi)流入的速度和流入量[11]。側(cè)圍外板拉延成形時，各部位所需的材料流入不盡相同，需要分別設(shè)計不同類型的拉延筋，拉延筋阻力的大小主要由拉延筋寬度、深度、截面形狀以及彎曲圓角等參數(shù)決定。對于材料流入量小于10 mm 以及材料向外流動、且在變形過程中存在增厚趨勢的區(qū)域，選用W12D2C 型單圓筋；對于材料流入量介于10～30 mm 的區(qū)域，選用W12D6C 或W16D6C 型單圓筋；對于材料流入量大于30 mm 的區(qū)域，選用外側(cè)為W12D4C 型、內(nèi)側(cè)為W12D6C 型雙圓筋。上述拉延筋類型參數(shù)中，W表示拉延筋寬度(width)、D表示拉延筋深度(depth)、C表示拉延筋截面為圓形(circle)。本文所研究的銳棱化側(cè)圍外板各部位拉延筋選用類型以及截面參數(shù)如圖6 所示。

圖6 銳棱化側(cè)圍外板拉延筋類型與截面參數(shù)

4 工藝校核與優(yōu)化

利用有限元分析法(finite element method, FEM)軟件可以對沖壓工藝可行性進(jìn)行校核，并根據(jù)分析結(jié)果對工藝進(jìn)行優(yōu)化。AutoForm 作為一種隱式增量迭代求解的FEM 軟件，可以準(zhǔn)確、高效地預(yù)測汽車覆蓋件成形特點和變形過程的材料流動規(guī)律。因此，本文借助AutoForm 仿真平臺進(jìn)行銳棱化側(cè)圍外板成形工藝可行性校核及優(yōu)化。

4.1 分析參數(shù)設(shè)置

將銳棱化側(cè)圍外板拉延工藝數(shù)據(jù)模型的凸模、凹模、壓邊圈、坯料線以及沖壓坐標(biāo)系分別以IGS 格式導(dǎo)出，然后導(dǎo)入至AutoForm 軟件建立有限元模型，如圖7(a)所示。并結(jié)合沖壓車間設(shè)備參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)形式，將沖壓行程(Press Stroke)設(shè)置為900 mm，沖壓速度(Velocity)設(shè)置為300 mm/s，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15，工具體剛度(Tool Stiffness)設(shè)置為25 MPa/mm，壓邊圈支撐類型選擇“Force Controlled”，氣墊行程(Cushion Stroke)設(shè)置為240 mm，壓邊力選擇恒定力(Constant Force)、大小設(shè)置為2 200 kN。同時，為了保證分析精度，有限元網(wǎng)格采用EPS11(Elastic Plastic Shell use 11 layers)類型的彈塑性殼單元。各有限元參數(shù)如圖7(b)所示。

圖7 銳棱化側(cè)圍外板有限元模型與工藝參數(shù)

4.2 分析結(jié)果評價

對銳棱化側(cè)圍外板有限元模型進(jìn)行求解計算，得出的分析結(jié)果如圖8 所示。由圖8(c)、(d)可知，側(cè)圍外板后三角窗最大減薄率為25.2%，輪拱最大減薄率為25.4%，均超出25%的材料減薄極限，存在一定開裂風(fēng)險。由圖8(e)可知，側(cè)圍外板腰線區(qū)域存在明顯滑移線，最大滑移量達(dá)到7.6 mm，已滑出R2.5 的棱線圓角半徑。圖8(f)為側(cè)圍外板腰線最大接觸應(yīng)力分析結(jié)果，根據(jù)經(jīng)驗值，當(dāng)最大接觸應(yīng)力σ與材料區(qū)分強(qiáng)度Ys滿足σ≤0.15Ts時，即可認(rèn)為零件外表面不會出現(xiàn)滑移線缺陷。由上文可知，DC06+ZF-45/45 材料最大屈服強(qiáng)度Ys=180 MPa，即當(dāng)最大接觸應(yīng)力在σ≤27 MPa (180×0.15=27)時，可判定零件不存在棱線滑移風(fēng)險。由圖8(f)可知，側(cè)圍外板腰線最大接觸應(yīng)力為33.78 MPa，大于27 MPa 的上限基準(zhǔn)，進(jìn)一步表明該部位存在較為嚴(yán)重的滑移風(fēng)險，無法滿足側(cè)圍外板A 級表面外觀質(zhì)量要求。

圖8 有限元分析結(jié)果

4.3 工藝優(yōu)化

4.3.1 開裂優(yōu)化

針對側(cè)圍外板后三角區(qū)域開裂風(fēng)險，需要適當(dāng)增大產(chǎn)品過拉延圓角半徑，并增大立壁打開角度，以降低材料與凸模圓角接觸時的變形抗力；而對于側(cè)圍外板輪拱區(qū)域開裂問題，則需要將凹模圓角放大，同時增大拔模角度，以減小材料向凹模內(nèi)流動的阻力。優(yōu)化前后的工藝造型對比如圖9 所示。

圖9 優(yōu)化前后工藝造型對比

4.3.2 滑移線優(yōu)化

滑移線形成的原因有2 個，一是成形初期凸模圓角過早與坯料接觸；二是凸模圓角兩側(cè)材料流動阻力不平衡。由于側(cè)圍外板腰線區(qū)域的滑移線向著出料方向側(cè)滑動，說明進(jìn)料方向側(cè)材料流動阻力小于出料方向側(cè)，且凸模腰線區(qū)域在成形過程中過早地觸料。因此，需要通過調(diào)整拉延筋阻力系數(shù)，使進(jìn)、出料方向兩側(cè)材料流動阻力趨于平衡，具體實施方法是將側(cè)圍外板腰線出料方向側(cè)對應(yīng)部位拉延筋類型由“W12D6C+W12D4C”修改為“W12D6C+W12D4C”。此外，還需要對工藝補(bǔ)充面造型進(jìn)行優(yōu)化，可考慮在輪拱區(qū)域設(shè)計隆起式余肉造型，使該區(qū)域的工藝補(bǔ)充面先于凸模腰線與坯料接觸，從而延遲腰線與坯料的接觸時機(jī)，減小腰線圓角的滑移。最終優(yōu)化的隆起式余肉造型如圖10 所示。

圖10 隆起式余肉造型

4.3.3 優(yōu)化后的分析結(jié)果

工藝優(yōu)化后的銳棱化側(cè)圍外板FLD、成形性、減薄率、主應(yīng)變、次應(yīng)變以及滑移線分析結(jié)果如圖11 所示。由圖11(a)、(b)可知，工藝優(yōu)化后，銳棱化側(cè)圍外板成形性良好，未出現(xiàn)開裂、起皺等質(zhì)量缺陷。由圖11(c)可知，側(cè)圍外板后三角窗與輪拱區(qū)域最大減薄率分別為18.9%、19.9%，均已降低至25%的材料減薄極限以內(nèi)，開裂風(fēng)險消除。由圖11(d)、(e)、(f)可知，側(cè)圍外板減薄率均在4%以上，主應(yīng)變變化均勻，全部大于3%，次應(yīng)變變化均勻，全部大于0，表面材料變形充分，拉延成形后獲得了良好的剛性。由圖11(g)可知，側(cè)圍外板腰線區(qū)域最大滑移量已減小至2.2 mm，小于腰線R2.5 的圓角半徑，未滑出產(chǎn)品棱線圓角，說明滑移線得到了較好地控制。由圖11(h)可知，側(cè)圍外板腰線區(qū)域最大接觸應(yīng)力為17.65 MPa，小于27 MPa 的上限基準(zhǔn)，說明該區(qū)域發(fā)生滑移線的概率較小，已達(dá)到側(cè)圍外板A 級表面外觀質(zhì)量要求。

圖11 工藝優(yōu)化后有限元分析結(jié)果

5 方案驗證

利用銳棱化側(cè)圍外板最終成形工藝方案進(jìn)行沖壓模具設(shè)計以及制造調(diào)試，所用試模設(shè)備為日立造船(H&F)23 000 kN 機(jī)械壓力機(jī)，沖壓工藝參數(shù)與有限元分析所設(shè)置的工藝參數(shù)保持一致。最終調(diào)試穩(wěn)定后得到如圖12(a)所示的零件，零件整體成形質(zhì)量良好，無開裂、起皺以及剛性不足等質(zhì)量缺陷。通過對光檢查，腰線區(qū)域外觀面未發(fā)現(xiàn)明顯的滑移痕跡，如圖12(b)所示，可以滿足側(cè)圍外板A 級表面外觀質(zhì)量需求，證明了銳棱化側(cè)圍外板成形工藝的可行性。

圖12 銳棱化側(cè)圍外板試模驗證結(jié)果

6 結(jié)論

1）利用數(shù)值模擬技術(shù)可以準(zhǔn)確地預(yù)測銳棱化側(cè)圍外板拉延成形過程中開裂以及腰線滑移等潛在的質(zhì)量缺陷，并能指導(dǎo)成形工藝優(yōu)化和現(xiàn)場試模。

2）增大產(chǎn)品過拉延圓角半徑以及立壁打開角度，能夠降低材料與凸模圓角接觸時的變形抗力；增大凹模圓角半徑，可以減小材料向凹模內(nèi)流動的阻力，從而解決了側(cè)圍外板后三角窗和輪拱區(qū)域的拉延開裂問題。

3）通過優(yōu)選拉延筋類型以及在輪拱區(qū)域工藝補(bǔ)充面設(shè)計隆起式余肉造型，有效地控制了側(cè)圍外板銳棱化腰線的滑移。

4）將數(shù)值模擬結(jié)果應(yīng)用于最終的成形工藝方案，使開裂、滑移等問題在產(chǎn)品數(shù)據(jù)階段就得以解決，提高了銳棱成形工藝一次試模合格率，銳棱化構(gòu)造在側(cè)圍外板上成功實現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，對于具有銳棱化特征造型的汽車外覆蓋件的成形工藝設(shè)計及模具制造調(diào)試有著一定的借鑒和指導(dǎo)意義。