汽車B柱內(nèi)板沖壓成型工藝分析及模具設(shè)計

朱紅萍

(沙洲職業(yè)工學(xué)院,江蘇 張家港 215600)

0 引 言

汽車覆蓋件形狀復(fù)雜,結(jié)構(gòu)尺寸大,成型深度較大,因此成型過程中的鈑金變形也很復(fù)雜,容易出現(xiàn)起皺和拉裂等成型缺陷。為了縮短模具生產(chǎn)、調(diào)試周期,借助CAE有限元模擬軟件,檢驗沖壓工藝方案的合理性,有效預(yù)測成型過程中容易出現(xiàn)的質(zhì)量問題,及時調(diào)整優(yōu)化工藝方案與模具結(jié)構(gòu),使模具設(shè)計更加可靠。本文根據(jù)某汽車門B柱內(nèi)板的結(jié)構(gòu)形式,對拉深、修邊沖孔、翻邊整形等工序進(jìn)行合理優(yōu)化排布,最終設(shè)計出合理的模具結(jié)構(gòu)。

1 B柱內(nèi)板沖壓成型工藝分析

1.1 零件結(jié)構(gòu)分析及沖壓工藝的排布

1.1.1 產(chǎn)品簡介

通常,復(fù)雜汽車門內(nèi)板是由0.8～2.0 mm的冷軋薄鋼板內(nèi)覆蓋件構(gòu)成,需要經(jīng)過冷沖壓模具的淺拉深成型。圖1是某汽車B柱內(nèi)板三維模型圖,該零件材料選用TRC400Y690T高強度冷軋鍍鋅酸洗板,整體造型不規(guī)則,板厚為1.2 mm。零件整體弧度較大,拉深過程中需要避免出現(xiàn)起皺、回彈、破裂等成型缺陷。在整體一次拉深后,需要進(jìn)行兩次修邊工序。

圖1 B柱內(nèi)板三維圖Fig.1 3D view of the B column inner plate

由于汽車B內(nèi)柱零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,通常需要經(jīng)過多道沖壓工序才能成型,如何合理地分配、組合工序,優(yōu)化沖壓工藝方案十分重要。其沖壓成型需要綜合考慮模具結(jié)構(gòu)合理性、沖壓設(shè)備參數(shù)、操作便捷性等,并結(jié)合該零件的結(jié)構(gòu)特征、尺寸精度要求,確定該零件需要經(jīng)過落料、拉深、翻邊、沖孔、切邊、整形等多道工序組合才能最終成型。

1.1.2 工藝分析

該零件產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征是存在很多功能孔,且孔的方向各不相同,因此該零件的產(chǎn)品輪廓切邊工序,需要至少規(guī)劃2～3道工序;產(chǎn)品主型面上后部存在異形孔,車門內(nèi)板窗框上側(cè)產(chǎn)品邊沿有上翻特征。經(jīng)過修邊檢查可知,拉深型面展平后,經(jīng)過修邊工序后,利用上翻邊形式解決。綜合考慮以上因素及其他細(xì)節(jié)分析,此車門B柱內(nèi)板共需要6工序(含落料工序),如圖2所示,分別為：OP10落料;OP20拉深;OP230修邊、沖孔(第1次);OP30修邊(第2次)、沖孔;OP40修邊、沖孔;OP50翻邊、側(cè)整形工序;OP60 TR+PI+CPI為切邊、沖孔加沖側(cè)孔工序。

工序OP20 DR為拉深成型工序,如圖2(a)所示。該鈑金件上有多個不規(guī)則孔,在工序安排上,需要考慮沖孔和拉深的先后順序。如果先沖孔再接著拉深,鈑金件上先沖出的孔會影響后續(xù)拉深工序材料的流動性,同時拉深過程中會產(chǎn)生裂紋、起皺等現(xiàn)象。因此,確定該工序僅進(jìn)行拉深工序,沖孔安排在后道工序進(jìn)行。

工序OP30 TR+PI為修邊和沖孔(前半)工序,如圖2(b)所示。通常切邊與沖孔方向應(yīng)盡量選取垂直方向。由于該鈑金件外形結(jié)構(gòu)狹長,整體弧度較大,前、后部未處在同一水平面上,前后側(cè)各孔的方向相差一定角度,后部上揚,因此,成型后修邊需要分2道工序才能完成。本工序完成鈑金件前半部分的切邊、沖孔。同時,成型零件的內(nèi)孔形狀復(fù)雜,沖孔也需要分步完成,以簡化模具結(jié)構(gòu)。

工序OP40 TR+PI為修邊和沖孔(后半)工序,如圖2(c)所示。該鈑金件后部弧面與底平面有夾角,且角度較大,本工序完成鈑金件后半部分的二次切邊、沖孔工序。

工序OP50 FL+RST為翻邊和側(cè)整形工序,如圖2(d)所示。由于彈性形變的存在,材料具有一定的回彈性,在整個沖壓過程中,材料難以與模具緊密貼合。此工序主要完成尾部材料的翻邊和整個鈑金件的整形工序。

工序OP60 TR+PI+CPI為切邊、沖孔加沖側(cè)孔工序,如圖2(e)所示。此工序主要完成前兩道切邊工序未切完的部分材料的切邊,以及鈑金件上側(cè)孔的沖制。

綜上所述,最終得到B柱內(nèi)板沖壓工藝排布,如圖2所示。

1.2 零件成型數(shù)值模擬

Autoform主要用于薄板零件的快速成型模擬分析,可以實現(xiàn)沖壓件單步法成型模擬及拉深工藝補充面的設(shè)計。本處采用Autoform

(a) OP20 DR

(b) OP30 TR+PI

(c) OP40 TR+PI

(d) OP50 FL+RST

(e) OP60 TR+PI+CPI

軟件對汽車門B柱內(nèi)板沖壓工序中的拉深工藝進(jìn)行成型性分析。具體分析步驟包括：首先將零件3D模型導(dǎo)入、自動網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格檢查及填充孔洞;接著,確定模具基準(zhǔn),設(shè)置沖壓方向,并將成型零件擺至與沖壓方向一致。同時,結(jié)合實際產(chǎn)品需要構(gòu)建壓料面、設(shè)置工藝補充面。如果,壓邊力不夠時,還需要設(shè)置拉深筋,該零件不需要設(shè)置拉深筋。在成型性分析前設(shè)置工藝參數(shù),最終得到該零件的成型數(shù)值模擬模型,如圖3所示。

圖3 成型數(shù)值模擬模型Fig.3 Form the numerical simulation model

借助Autoform軟件,導(dǎo)入汽車B柱內(nèi)板三維原始數(shù)據(jù)進(jìn)行沖壓成型性仿真CAE分析。圖4(a)為該鈑金件的材料力學(xué)性能圖線,其材料的屈服強度為418 MPa,抗拉強度為745.2 MPa。該鈑金件的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15,如圖4(b)所示。拉深壓邊圈行程設(shè)置為60 mm,壓邊圈壓力為600 kN,如圖4(c)所示。經(jīng)過分析,得到拉深后的零件如圖5(a)所示,修邊翻邊后的零件如圖5(b)所示。

由于該鈑金件的強度較高,反彈量較大,整體呈現(xiàn)扭曲狀,經(jīng)過拉深、修邊、翻邊工序后會產(chǎn)生回彈。由圖6(a)可知,經(jīng)過拉深、修邊后,大。由圖6(c)產(chǎn)品成型極限圖可知,23%區(qū)域成型性良好,7.50%區(qū)域容易產(chǎn)生起皺現(xiàn)象。由圖6(d)可知,最大變薄率為0.202 mm。由圖6(e)可知,產(chǎn)品最大起皺趨勢值為0.033 mm。

(a) 材料力學(xué)性能圖線

(b) 摩擦系數(shù)

(c) 壓邊圈設(shè)置

(a) 拉深后的零件

(b) 修邊翻邊后零件

該零件高點(+5.429)與低點(-7.711)的高度差約為13 mm。由圖6(b)可知,經(jīng)過翻邊后,與前者相比,零件整體回彈趨勢和回彈量變化不通過分析可知,該鈑金件在拉深、修邊后產(chǎn)生了比較大的扭曲缺陷,因此在工藝上需要進(jìn)行拉深工藝補償,以保證沖壓件的質(zhì)量。

(a) 拉深、修邊后回彈分析

(b) 頭部翻邊后回彈分析

(c) 產(chǎn)品成型極限圖

(d) 產(chǎn)品變薄率

(e) 產(chǎn)品起皺趨勢值

在拉深工藝補充設(shè)計過程中,注意到了以下幾點：

1) 盡量使零件拉深深度均勻,如果確實不能做到深度均勻也要減小深度落差;

零件左側(cè)中部深32．1 mm,右側(cè)最深處為119．7 mm,兩者相差87．6 mm,設(shè)計壓料面時有意使左側(cè)拉深深度加深一些,達(dá)到40．8 mm,右側(cè)拉延深度降低一些,為105．5 mm(降低的14．2 mm 在OP20中整到位),這樣兩者相差只有64．7 mm,比產(chǎn)品的深度差整整縮小了近23 mm,這對于在拉深過程中保證兩側(cè)進(jìn)料的均勻性是有益處的。

2) 拉深凸模輪廓線緊貼凸模側(cè)壁的根部分界,特別是拉深深度最大的兩個拐角部位都必須如此。

3) 壓料面必須平滑、光順,最好是簡單的單曲面,這樣才能保證坯料預(yù)成型時不起凸包,拉深結(jié)束零件側(cè)壁不起皺。

該零件回彈主要是在拉深后產(chǎn)生的,為了補償因回彈產(chǎn)生的缺陷,需要在首次拉深時,根據(jù)回彈量大小進(jìn)行反向補償,以提高零件的沖壓質(zhì)量。圖7(箭頭所指處)是拉深工藝補償型面的最終結(jié)果。

圖7 拉深工藝補償Fig.7 Deep drawing process compensation

為了檢驗拉深工藝補償后,零件回彈量扭曲缺陷的情況,將拉深、修邊后的試制零件取件后,進(jìn)行掃描。圖8是修邊試制后的零件與原始數(shù)?；貜椓繉Ρ戎?由圖8可知,經(jīng)過拉深工藝補償后,零件的尺寸偏差值有很大程度的減小,且無扭曲現(xiàn)象。為了得到更高質(zhì)量的零件,可結(jié)合圖8對比值進(jìn)行修正,直至零件完全合格為止。

圖8 拉深工藝補償后回彈量Fig.8 Spring back volume after compensation of the deep drawing process

2 B柱內(nèi)板沖壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

借助Autoform對B柱內(nèi)板沖壓工藝進(jìn)行模擬分析,可知該零件具有良好的沖壓成型性能。接著,對每一道工序進(jìn)行排布,確定模具結(jié)構(gòu)的具體方案。

該鈑金件主要有以下6道工序,對應(yīng)需要進(jìn)行落料模設(shè)計、拉深模設(shè)計、修邊沖孔模設(shè)計、翻邊側(cè)整形模設(shè)計、修邊沖側(cè)孔模設(shè)計。其中,拉深模采用單動結(jié)構(gòu),壓邊力由機床的氣頂桿提供,且模具結(jié)構(gòu)簡單,安全性高。而修邊沖孔模的具體工作原理：前一工序拉深后的工序件,由壓料板壓緊,隨著上模向下運動,上模的修邊刀塊與下模凸模一起作用,沿著修邊線和孔邊界完成修邊沖孔動作,將廢料去除。

利用UG進(jìn)行B柱內(nèi)板每道工序的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計,最終結(jié)果如圖9～14所示。圖9是OP10-BL落料模總裝圖和上、下模結(jié)構(gòu)。

圖10是OP20-DR拉深?？傃b圖和上、下模結(jié)構(gòu)。

圖11是OP30-TR+PI-1修邊沖孔?？傃b圖和上、下模結(jié)構(gòu)。

圖12是OP40-TR+PI-2修邊沖孔模總裝圖和上、下模結(jié)構(gòu)。

圖13是OP50-FL+RST翻邊側(cè)整形模總裝圖和上、下模結(jié)構(gòu)。

圖14是OP60-TR+PI+CPI修邊沖側(cè)孔?？傃b圖和上、下模結(jié)構(gòu)。

(a) OP10落料模裝配圖

(b) 落料模上模部分

(c) 落料模下模部分

(a) OP20拉深模裝配圖

(b) 拉深模上模部分

(c) 拉深模下模部分

(a) OP30修邊沖孔模裝配圖

(b) 修邊沖孔模上模部分

(c) 修邊沖孔模下模部分

(a) OP40修邊沖孔模裝配圖

(b) 修邊沖孔模上模部分

(c) 修邊沖孔模下模部分

(a) OP50翻邊側(cè)整形模裝配圖

(b) 翻邊側(cè)整形模上模部分

(c) 翻邊側(cè)整形模下模部分

(a) OP60修邊沖側(cè)孔模裝配圖

(b) 修邊沖側(cè)孔模上模部分

(c) 修邊沖側(cè)孔模下模部分

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計后即投入生產(chǎn)制造環(huán)節(jié),經(jīng)過研配、現(xiàn)場試模級修模調(diào)整,最終沖壓得到的產(chǎn)品如圖15所示,經(jīng)檢驗該產(chǎn)品形狀尺寸能達(dá)到精度要求。

圖15 產(chǎn)品實物Fig.15 Physical products

3 結(jié) 語

在汽車覆蓋件零件的設(shè)計制造中,其模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜且工作量大。隨著CAE技術(shù)的融入,極大地縮短了模具制造周期。通過成型過程的數(shù)值模擬分析,能讓設(shè)計者及時發(fā)現(xiàn)問題,及時修正和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計,獲取合理的工藝參數(shù)。本文借助Autoform板料成型數(shù)值模擬軟件,對汽車門B柱內(nèi)板進(jìn)行了沖壓成型工藝的分析優(yōu)化,并進(jìn)行了每道工序的模具設(shè)計,最終試制出合格的產(chǎn)品。