復(fù)雜深拉深零件成形及生產(chǎn)穩(wěn)定性研究

文/武永甫，管華軍·上汽大眾汽車有限公司

復(fù)雜深拉深零件（比如側(cè)圍、門內(nèi)板）由于拉延深度大、型面特征復(fù)雜，零件成形后減薄率分布非常不均勻，開裂風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多，在新模具調(diào)試和批量生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)零件開裂和隱傷等質(zhì)量問題，嚴(yán)重影響調(diào)試進(jìn)度和批量生產(chǎn)的穩(wěn)定性，主要表現(xiàn)為：⑴初期模具調(diào)試難度大，供件多起皺且尺寸差；⑵增加試模料片成本和人力成本；⑶批量生產(chǎn)不穩(wěn)定，報(bào)廢率高；⑷在線調(diào)試時(shí)間長，增加停機(jī)時(shí)間；⑸質(zhì)量控制困難，起皺開裂經(jīng)常發(fā)生，且增加返工工時(shí)。

2018年上半年，Model-K 后門內(nèi)板由于開裂起皺影響的停機(jī)時(shí)間和報(bào)廢率如圖1 和圖2 所示。開裂起皺不僅嚴(yán)重影響連續(xù)生產(chǎn)的穩(wěn)定性，在增加報(bào)廢率的同時(shí)，質(zhì)量控制也變得困難，裝車后如發(fā)現(xiàn)零件開裂會極大增加生產(chǎn)成本。

產(chǎn)品造型特征分析

影響零件成形的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵成形特征主要有以下因素：⑴拉深深度；⑵關(guān)鍵部位R 角，比如密封面、拐角部位等；⑶ 復(fù)雜特征處的拔模角；⑷ 內(nèi)部造型和落差，比如音響孔周圍、窗框區(qū)域等。

Model-K 后門內(nèi)板造型如圖3 所示，對比某汽車公司門內(nèi)板造型（圖4），在關(guān)鍵部位R 角和內(nèi)部造型特征等方面產(chǎn)品設(shè)計(jì)更為苛刻，增加成形難度，工藝設(shè)計(jì)時(shí)這些區(qū)域安全裕度較低，造成試模和批量生產(chǎn)期間極易發(fā)生開裂。現(xiàn)場發(fā)生開裂起皺的區(qū)域如圖5 所示，在密封面R 角、較深的側(cè)壁和拐角處經(jīng)常出現(xiàn)開裂和起皺，大大增加了調(diào)試難度。因此，在不影響功能的前提下，需要優(yōu)化產(chǎn)品關(guān)鍵區(qū)域成形參數(shù)和局部造型特征。

圖1 Model-K 后門內(nèi)板開裂起皺調(diào)試停機(jī)時(shí)間分布

圖2 Model-K 后門內(nèi)板報(bào)廢率統(tǒng)計(jì)

圖3 Model-K 后門內(nèi)板造型

圖4 某汽車公司門內(nèi)板造型

圖5 現(xiàn)場開裂起皺區(qū)域

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)以往車型門內(nèi)板調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，給出了產(chǎn)品關(guān)鍵特征處的R 建議值，如圖6 所示，目前該項(xiàng)工作已與產(chǎn)品開發(fā)部門達(dá)成一致，應(yīng)用于后續(xù)車型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。拔模角數(shù)據(jù)信息還在整理，后續(xù)推動形成標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，局部造型特征在可制造性分析階段根據(jù)需要進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 門內(nèi)板產(chǎn)品關(guān)鍵截面建議R 值(單位：mm)

仿真開裂評價(jià)參數(shù)優(yōu)化

可接受減薄率設(shè)置

降低可接受減薄率數(shù)值能夠直觀的顯示開裂風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，不同的減薄率設(shè)置成形結(jié)果對比如圖7、圖8、圖9 所示。表1 為不同可接受減薄率設(shè)置開裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域?qū)Ρ取?/p>

從表1 可以看出，目前沖壓工藝設(shè)置的開裂可接受減薄率25%過高，與現(xiàn)場差異較大，不能有效的發(fā)現(xiàn)開裂隱傷風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，降低至20%后的成形結(jié)果顯示開裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域顯著增加，與實(shí)際一致性較好，可以作為判斷工藝仿真模擬開裂預(yù)測參數(shù)?？山邮軠p薄率進(jìn)一步降低至18%，新增兩處風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，可作為極端條件檢查仿真結(jié)果，以利于提高后期生產(chǎn)穩(wěn)定性。

圖7 25%可接受減薄率成形結(jié)果

圖8 20%可接受減薄率成形結(jié)果

圖9 18%可接受減薄率成形結(jié)果

表1 不同可接受減薄率設(shè)置開裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域?qū)Ρ?/p>

壓邊力和材料參數(shù)波動對開裂結(jié)果影響

實(shí)際生產(chǎn)過程中壓邊力和材料參數(shù)都會存在一定范圍的波動，導(dǎo)致零件出現(xiàn)開裂隱傷起皺，影響到生產(chǎn)的正常進(jìn)行。因此需要在工藝設(shè)計(jì)階段考慮其參數(shù)波動對成形結(jié)果的影響，提高模具的可適應(yīng)性。不同的壓邊力設(shè)置成形結(jié)果如圖10 所示，由于壓邊力降低或增加，新增的起皺開裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域需要在工藝設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。

圖10 壓邊力設(shè)置對成形結(jié)果影響（單位：噸）

選取重點(diǎn)影響成形的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率三種材料參數(shù)進(jìn)行波動范圍統(tǒng)計(jì)（圖11），其中屈服強(qiáng)度波動范圍最大，重點(diǎn)進(jìn)行研究分析。

屈服強(qiáng)度波動對成形結(jié)果的影響見圖12，從結(jié)果可以看出隨著屈服強(qiáng)度升高，零件的成形性得到改善，但相應(yīng)的開裂風(fēng)險(xiǎn)也會增加，沖壓工藝仿真需要考慮開裂和起皺的平衡。

圖11 材料參數(shù)波動范圍統(tǒng)計(jì)（強(qiáng)度單位：MPa）

圖12 材料參數(shù)波動對成形結(jié)果影響（單位：MPa）

摩擦系數(shù)對開裂結(jié)果影響

不同的摩擦系數(shù)設(shè)置對開裂結(jié)果影響如圖13 所示。對于鋼板Autoform 推薦采用0.15 的摩擦系數(shù)，從結(jié)果看不能準(zhǔn)確預(yù)測開裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，同時(shí)從對比結(jié)果來看，摩擦系數(shù)對成形有非常大的影響。摩擦系數(shù)反映了模具型面的粗糙度，0.15 對目前的模具狀態(tài)過于苛刻，日本富士公司推薦采用0.17 進(jìn)行成形結(jié)果評判，與本文分析結(jié)果基本一致，可以作為后續(xù)開裂結(jié)果評判模擬參數(shù)設(shè)置。

圖13 摩擦系數(shù)對開裂結(jié)果影響

結(jié)論

為解決此類問題，在產(chǎn)品關(guān)鍵成形特征（比如R角、拔模角等）需要進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)，從現(xiàn)場多個零件實(shí)際的成形效果來看，目前模擬采用的開裂評價(jià)參數(shù)不能夠有效地預(yù)測開裂風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，需要修改優(yōu)化使仿真結(jié)果貼近實(shí)際，在前期工藝設(shè)計(jì)階段進(jìn)行優(yōu)化，降低開裂風(fēng)險(xiǎn)。本文以門內(nèi)板為研究對象，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出產(chǎn)品關(guān)鍵成形特征的建議值，通過優(yōu)化開裂評價(jià)參數(shù)，得到了更能反映實(shí)際結(jié)果的評判條件，為此類零件的成形和生產(chǎn)穩(wěn)定性提供解決思路，得出如下結(jié)論。

⑴產(chǎn)品關(guān)鍵成形特征。根據(jù)門內(nèi)板調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，給出了產(chǎn)品關(guān)鍵特征處的R 角建議值，目前已經(jīng)應(yīng)用于后續(xù)車型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，與拔模角一起后續(xù)還需推動形成標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

⑵開裂評判結(jié)果參數(shù)優(yōu)化。研究分析了可接受減薄率設(shè)置、壓邊力和材料參數(shù)波動、摩擦系數(shù)對開裂結(jié)果的影響。給出了能夠較準(zhǔn)確預(yù)測開裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的可接受減薄率和摩擦系數(shù)參數(shù)，同時(shí)指出應(yīng)變力和材料參數(shù)波動對成形結(jié)果也有很大影響，要在前期工藝設(shè)計(jì)階段綜合考慮、合理優(yōu)化。