康春華
(泊頭市興達(dá)汽車模具制造有限公司,河北泊頭 062150)
隨著汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展,消費(fèi)者的選擇范圍也越來越大。汽車的性能、顏值和價(jià)格都是吸引消費(fèi)者的重要因素。車門的造型影響著整車的美觀度,車門的制造和裝配流程影響著整車的成本。整體式車門作為一種常規(guī)的汽車造型設(shè)計(jì),不但可以滿足造型美觀的要求,又因其制造和裝配流程簡單而節(jié)省成本。
在整體式車門總成中,車門內(nèi)板雖然產(chǎn)品定性為內(nèi)覆蓋件,但是它有較大部分區(qū)域?qū)儆诖蜷_車門可視,所以對(duì)沖壓單品的要求也會(huì)相應(yīng)提高。在沖壓過程中,車門內(nèi)板的窗框角部位置存在起皺問題,這一直是同類零件的頑疾。缺陷位置如圖1中所示,該區(qū)域是消費(fèi)者打開車門可直視的位置,單品的質(zhì)量直接影響消費(fèi)者對(duì)車輛品質(zhì)的感知。
圖1 問題區(qū)域示意圖
本文以某整體式車門內(nèi)板為例,針對(duì)該區(qū)域在沖壓過程中存在起皺的問題,對(duì)其起皺原因進(jìn)行詳細(xì)分析,對(duì)解決此問題的工藝優(yōu)化方案進(jìn)行詳細(xì)闡述。
由于相關(guān)件匹配度的功能性要求,窗框內(nèi)側(cè)角部的立圓角R較?。ㄒ妶D2),造型特征的深度h較深,立圓角R相切的兩個(gè)立壁拔模角α和β也很小,此位置屬于造型急劇變化的內(nèi)凹特征區(qū)。在成形過程中,沖壓材料自身的延展率不滿足此區(qū)域的成形需求,出現(xiàn)制件開裂問題。沖壓工藝方案設(shè)計(jì)時(shí),為解決此區(qū)域的開裂,需要在窗框內(nèi)非產(chǎn)品區(qū)域安排落料孔,使窗框內(nèi)的材料可以充分的流動(dòng),來彌補(bǔ)材料延展率的不足。
圖2 窗框角部區(qū)域放大圖
眾所周知,沖壓材料是具有較強(qiáng)的延展性能,但它的壓縮性能幾乎為零。合理的成形狀態(tài)(見圖3b),應(yīng)該是材料得到各方向的充分拉伸延展。如圖3a所示,拉伸應(yīng)力方向可以通過拉伸筋和壓邊力控制材料的延展和流動(dòng),而壓縮應(yīng)力方向無法對(duì)材料的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行有效的控制,這是導(dǎo)致窗框角部起皺的主要因素(見圖3c)。對(duì)于整體式車門內(nèi)板來說,拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力是相互制約的,且必須同時(shí)存在的,這是窗框角部起皺問題一直成為沖壓工藝難題的根本原因。
圖3 造成起皺原因的應(yīng)力圖
以往工藝思路中,對(duì)于這個(gè)地方的缺陷處理有3種方式,如表1所示。
表1 缺陷處理的3種方式
圖4 常規(guī)拉伸結(jié)構(gòu)和增加壓料裝置拉伸結(jié)構(gòu)對(duì)比圖
充分剖析這個(gè)區(qū)域產(chǎn)生缺陷的原因,充分吸收傳統(tǒng)沖壓工藝的處理思路。通過優(yōu)化工藝補(bǔ)充,既不增加模具壓料裝置,又可以實(shí)現(xiàn)提前控制材料流動(dòng)的優(yōu)化方案。
優(yōu)化方案的思路來源:成形過程中拉伸筋的作用。拉伸筋是在拉伸過程中,對(duì)材料進(jìn)行流速和流向控制的最有效因素。
充分利用車門內(nèi)板窗框內(nèi)部的非產(chǎn)品空間,在落料孔和產(chǎn)品邊界之間的區(qū)域(見圖5陰影位置),增設(shè)類似拉伸筋性質(zhì)的工藝補(bǔ)充特征來控制材料流動(dòng)。通過對(duì)工藝補(bǔ)充特征的調(diào)整,實(shí)現(xiàn)在指定時(shí)間對(duì)材料流速和流向進(jìn)行控制。既保證了材料的足夠流動(dòng)消除開裂,又保證在即將起皺時(shí)對(duì)材料進(jìn)行有效的控制消除褶皺。
優(yōu)化方案是在圖5所示意位置增設(shè)類似矩形拉伸筋條形式的補(bǔ)充特征,通過拉伸筋的觸料圓角和立壁角度來控制材料的流速和流向。
圖5 增加工藝補(bǔ)充位置示意圖
優(yōu)化后的工藝補(bǔ)充方案如圖6所示,將制件邊界在沖壓方向下進(jìn)行平行移動(dòng),得到補(bǔ)充特征的邊界位置。制件邊界到特征邊界的水平距離為產(chǎn)品角部立壁高度h的3~5倍。保證L距離不小于15mm。
圖6 優(yōu)化工藝補(bǔ)充圖
補(bǔ)充特征立壁的拔模角α決定著材料的流動(dòng)速度,參照矩形拉伸筋標(biāo)準(zhǔn),α值在0°~5°;根據(jù)控制材料的時(shí)間,確定工藝補(bǔ)充特征的高度H,H值設(shè)定為:控制時(shí)間+5mm;工藝補(bǔ)充特征的圓角Ra和Rb都是控制材料流速的重要因素,參照矩形拉伸筋的標(biāo)準(zhǔn),Ra取值在R1.5~R2.5mm,Rb圓角可根據(jù)成形性模擬的情況,取值在R2~R5mm;工藝補(bǔ)充特征轉(zhuǎn)角處的立圓角R,根據(jù)成形性模擬中開裂的情況調(diào)整,通常R值為R50~R100mm;工藝補(bǔ)充特征的高度H不得大于制件的高度h。靠近落料孔側(cè)的補(bǔ)充特征,可以做的緩一些,便于成形前期的材料流動(dòng)。
優(yōu)化后的工藝補(bǔ)充方案工作過程:在前期拉伸成形過程中,優(yōu)化的特征未參與成形,窗框內(nèi)的落料孔,可以使材料實(shí)現(xiàn)充分的流動(dòng),消除窗框角部位置的開裂;當(dāng)成形過程到達(dá)指定控制材料流動(dòng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn),拉伸上模的補(bǔ)充特征Ra角和拉伸下模的補(bǔ)充特征Rb角接觸,對(duì)材料進(jìn)行有效的控制,抑制住壓縮應(yīng)力;隨著成形工作的繼續(xù),補(bǔ)充特征的拔模角α、控制圓角Ra和Rb充分介入,對(duì)材料進(jìn)行鎖緊控制。如圖7所示,工藝補(bǔ)充特征初始參與成形時(shí),窗框角部X區(qū)域的材料長度為L1;成形結(jié)束,材料由長度L1被拉伸至長度L2。優(yōu)化的工藝補(bǔ)充方法,使造成缺陷的壓縮應(yīng)力轉(zhuǎn)變成合理的拉伸應(yīng)力,不僅對(duì)流動(dòng)的材料進(jìn)行控制消除了窗框角部的起皺問題,還使得材料得到很好的拉伸延展效果。
圖7 優(yōu)化方案對(duì)材料展開長度示意圖
通過CAE的成形模擬結(jié)果對(duì)比,增加工藝補(bǔ)充特征的優(yōu)化方案,無論是FLD成形性還是起皺風(fēng)險(xiǎn)選項(xiàng)的研判,窗框角部的起皺問題都得到了有效控制,效果明顯。詳見對(duì)比如表1所示。
在非產(chǎn)品區(qū)域增加工藝補(bǔ)充特征的優(yōu)化方案,在上模不增設(shè)壓料裝置的情況下,實(shí)現(xiàn)了在指定時(shí)間對(duì)材料的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行控制,不僅有效的消除了窗框角部的起皺,還對(duì)窗框角部的材料進(jìn)行了充分的拉伸。
表1 CAE模擬起皺狀態(tài)對(duì)比
優(yōu)化后的工藝補(bǔ)充方案,在良好的解決了車門內(nèi)板窗框角部起皺的前提下,最大化的節(jié)約了模具制造成本和調(diào)試成本,最大化的降低了生產(chǎn)穩(wěn)定性帶來的廢品率問題。無論是前期模具制造還是后期批量生產(chǎn),在成形效果、模具制造難度、調(diào)試便捷和生產(chǎn)維護(hù)等各方面,效果都是很明顯。這種方法同時(shí)可以應(yīng)用于其他類似特征的內(nèi)板件,具有一定的適用性和推廣價(jià)值。