汽車前壁板沖壓件的拉延成形缺陷工藝優(yōu)化與Autoform應(yīng)用

李林鑫，陳顯均，銀強(qiáng)，馮鈴，賴麗莉

(四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川瀘州 646005)

0 引言

近年來，隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，競爭日益激烈。為滿足人們對汽車產(chǎn)品多樣性的需求，各汽車企業(yè)的產(chǎn)品特點(diǎn)已從原來品種少、批量大、換代周期長向品種多、批量小、換代周期短轉(zhuǎn)變[1]。沖壓工藝作為汽車主機(jī)廠沖壓、焊接、涂裝及總裝四大工藝之首，在汽車制造行業(yè)具有舉足輕重的作用[2]。傳統(tǒng)的汽車板材的沖壓，在經(jīng)驗指導(dǎo)下，設(shè)計一個初步工藝方案，然后采用試錯法，反復(fù)調(diào)整直至得到合格的零件，這種方法耗時長，材料浪費(fèi)較嚴(yán)重[3-7]。本文作者采用Autoform軟件，通過沖壓工藝的虛擬仿真調(diào)試，指導(dǎo)實際的模具設(shè)計和工藝參數(shù)調(diào)整，獲得了較好的效果。

1 缺陷問題介紹

汽車前壁板是將發(fā)動機(jī)空間與駕駛空間隔開的一個零件，如圖1所示，該產(chǎn)品由OP10拉延→OP20切邊沖孔側(cè)切邊→OP30切邊沖孔側(cè)沖孔→OP40切邊沖孔側(cè)沖孔→OP50翻邊整形等5道工序沖壓而成，其具有較多凸凹臺結(jié)構(gòu)，形狀復(fù)雜，零件長寬約為1 300 mm×800 mm，而其最大拉延深度接近300 mm，零件加工工藝性差，特別是采用鍍鋅板為材料，因摩擦因數(shù)和成分不均勻的影響，在沖壓加工過程中，很容易出現(xiàn)裂紋和疊料缺陷。

圖1 汽車前壁板結(jié)構(gòu)

如圖2所示，某企業(yè)生產(chǎn)的前壁板，出現(xiàn)了裂紋和疊料缺陷。該零件要求的報廢目標(biāo)0.04%，返修目標(biāo)0.06%，實際生產(chǎn)中每批次生產(chǎn)均出現(xiàn)疊料、破裂缺陷，返修高達(dá)0.396 5%，報廢高達(dá)0.130 4%。為了得到合格的產(chǎn)品，降低報廢和返修百分比，文中通過使用流程圖、魚骨圖和因果矩陣圖等工具，全面分析各個環(huán)節(jié)，查找問題原因，并采用有限元模擬Autoform軟件對成型過程進(jìn)行仿真，以期驗證改進(jìn)方案和得到較好的工藝參數(shù)，得到質(zhì)量合格的產(chǎn)品。

圖2 前壁板產(chǎn)品缺陷圖

2 缺陷產(chǎn)生原因分析

產(chǎn)品沖壓生產(chǎn)流程圖如圖3所示，可以看出在OP10拉延工序后沒有再出現(xiàn)使材料變薄和增厚的工序，由此可以判定，裂紋和起皺必然是在OP10拉延工序中產(chǎn)生。

圖3 前壁板沖壓生產(chǎn)流程

3 改進(jìn)措施

針對流程圖和魚骨圖分析找到的缺陷產(chǎn)生因素，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗，擬從以下方面進(jìn)行改進(jìn)：

(1)檢測機(jī)床頂桿高度，停止使用超過公差范圍的頂桿；

(2)分別設(shè)置工藝參數(shù)范圍中的最大最小值生產(chǎn)，判斷參數(shù)設(shè)置是否合理；

(3)用藍(lán)丹擦拭已成型零件上下面，機(jī)床上合模檢查模具型面貼合度，消除未能貼合的型面位置；

(4)調(diào)節(jié)模具上材料定位，判斷是否對材料成型產(chǎn)生影響及允許調(diào)節(jié)定位的最大位置；

(5)硬度計檢測壓邊圈和模具型面表面硬度，不合適處重新熱處理；

(6)根據(jù)零件成型破裂和起皺位置，調(diào)節(jié)對應(yīng)方向上的拉延筋R角大小，破裂縮頸處放大R角、起皺疊料處減小R角；

(7)每垛料首尾料生產(chǎn)時，對比生產(chǎn)過程中的全檢零件狀態(tài)，發(fā)生變化及時調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)；

(8)用Autoform分析材料性能指標(biāo)是否滿足零件成型要求，得到最佳工藝參數(shù)；

(9)記錄不同鋼卷號的原材料生產(chǎn)產(chǎn)生的不良品數(shù)量，判定原材料波動是否明顯影響零件成型。

4 Autoform分析

4.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

導(dǎo)入了如圖4所示的上下模具和壓邊圈。壓邊圈的起始位置設(shè)與實際加工位置一致，為220 mm。初始模擬壓邊力，按照下式計算：

圖4 上下模與壓邊圈設(shè)置

FQ=Ap

式中：A為壓邊圈下毛坯的投影面積(mm2)；p為單位壓邊力(MPa)。

由UG投影后可得到A值為5 136 mm2，查閱《現(xiàn)代沖壓技術(shù)手冊》，DC56D+Z(St07Z)材料的p值為(2.5～3)MPa，則FQ(N)=686 914 mm2×(2.5～3)MPa=1 717～2 060 kN。該壓邊力包含兩部分，一是壓邊圈壓力，二是拉延筋的力，因此實際壓邊力要小于該數(shù)據(jù)，在模擬過程中，要根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。設(shè)置初始壓邊力為1 500、1 200、1 000、800 kN。

材料模型選擇Autoform材料庫中的DX56D_Z_D080_TEM，其力學(xué)性能如表1所示，與寶鋼鋅鐵合金DC56D+Z(St07Z)性能基本一致。

表1 導(dǎo)入的材料力學(xué)性能參數(shù)

拉延筋的設(shè)置，如圖5所示，將原模具上拉延筋進(jìn)行了編號，共計17段。根據(jù)改進(jìn)措施分析，文中將左右兩側(cè)(圖5中的6、14號拉延筋)的等效系數(shù)增大(即減小R)，以保證中間的疊料區(qū)域?qū)⒘侠_，消除疊料缺陷，同時將裂紋出現(xiàn)區(qū)域的等效拉延筋系數(shù)減小(即增大R)，防止裂紋缺陷產(chǎn)生。

圖5 等效拉延筋的優(yōu)化設(shè)置

第一次模擬的拉延筋的等效系數(shù)設(shè)置見表2。

表2 第一次模擬的拉延筋等效系數(shù)設(shè)置

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 成形極限圖分析

初次模擬成形極限圖結(jié)果如圖6所示，壓邊力不小于1 000 kN時，都在I區(qū)(破裂區(qū)，區(qū)域位置如圖6(a)所示)中出現(xiàn)了不同程度的點(diǎn)分布，都有極大可能會產(chǎn)生拉裂缺陷。壓邊力為800 kN時，I區(qū)中的分布點(diǎn)消失，有0.05%的點(diǎn)分布在Ⅱ區(qū)(減薄區(qū))域和8.76%的Ⅳ區(qū)(增厚區(qū))。在Autoform的成形極限圖出現(xiàn)Ⅳ區(qū)中點(diǎn)分布，并不代表一定會產(chǎn)生起皺(疊料)缺陷，要結(jié)合后續(xù)Wrinkles結(jié)果進(jìn)行判斷。

圖6 不同壓邊力下的成形極限圖結(jié)果

4.2.2 起皺模擬結(jié)果分析

如圖7所示，通過軟件分析，在圖中深黑色標(biāo)記為Wrinkles值不小于0.1的區(qū)域，根據(jù)經(jīng)驗，在料厚小于3 mm時，都會出現(xiàn)起皺，且料厚越小，起皺的程度越高。

圖7 坯料起皺分析結(jié)果圖

通過經(jīng)驗判定，出現(xiàn)該起皺缺陷的原因是該位置的坯料未被拉開，過多的材料進(jìn)入了該區(qū)域中。為了消除該缺陷，在其他拉延筋等效參數(shù)不變的情況下，對影響起皺位置編號為6、7、10、12、13的拉延筋參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，如表3所示，進(jìn)行了再次成形模擬。

表3 第一次調(diào)整后的拉延筋參數(shù)

4.2.3 第二次成形模擬結(jié)果分析

如圖8(a)所示，第二次模擬成形極限圖結(jié)果中沒有出現(xiàn)在Ⅰ區(qū)(拉裂區(qū))的點(diǎn)分布；如圖8(b)所示，起皺區(qū)域明顯減小，但仍然存在，說明起皺缺陷對應(yīng)拉延筋的壓邊力還不夠，還應(yīng)該繼續(xù)增大。

圖8 第二次分析成形極限圖和起皺判定結(jié)果

為了得到理想的模擬結(jié)果，進(jìn)行了第三次模擬，參數(shù)調(diào)整見表4，因第二次模擬成形極限圖結(jié)果中Ⅱ區(qū)(減薄區(qū))中的點(diǎn)分布增加到了0.5%，且邊緣非?？拷駞^(qū)(破裂區(qū))，第三次模擬的壓邊力減小至750 kN。

表4 第二次調(diào)整后的拉延筋參數(shù)

4.2.4 第三次成形模擬結(jié)果分析

如圖9(a)所示，第三次模擬成形極限圖結(jié)果中沒有出現(xiàn)Ⅰ區(qū)(破裂區(qū))點(diǎn)分布，且Ⅱ區(qū)(減薄區(qū))域邊緣與Ⅰ區(qū)(破裂區(qū))有一定距離，模型安全系數(shù)大；如圖9(b)所示，起皺區(qū)域消失。通過第三次模擬確定了模具17條拉延筋的等效參數(shù)和壓邊力大小。

圖9 第三次分析成形極限圖和起皺判定結(jié)果

5 實際生產(chǎn)效果

根據(jù)模擬確定的工藝參數(shù)進(jìn)行了實際生產(chǎn)，如圖10所示，工件原有缺陷被消除，產(chǎn)品質(zhì)量符合客戶要求。

圖10 工藝改進(jìn)后的實際生產(chǎn)產(chǎn)品圖

6 結(jié)論

(1)在沖壓生產(chǎn)中，通過產(chǎn)品流程圖和魚骨因果圖的合理運(yùn)用，可以快速地找到缺陷產(chǎn)生的根本原因，并進(jìn)行系統(tǒng)分析和改善。

(2)針對較大拉深深度和復(fù)雜凸凹臺結(jié)構(gòu)鍍鋅板零件，通過拉延筋和壓邊力的調(diào)整，改善了拉延成形產(chǎn)品質(zhì)量，消除裂紋和起皺缺陷，對同類產(chǎn)品的工藝改進(jìn)和現(xiàn)場試模有較大的指導(dǎo)意義。

(3)經(jīng)過實際生產(chǎn)效果驗證，Autoform模擬確定的工藝參數(shù)，具有較高的可行性，可以在實際生產(chǎn)中得到應(yīng)用。減少了試模次數(shù)，有利于縮短模具開發(fā)時間，降低生產(chǎn)成本。