基于變壓邊力的汽車翼子板冷沖壓成形模擬分析

柯桂顏

( 黎明職業(yè)大學(xué) 智能制造工程學(xué)院, 福建 泉州 362000 )

0 引言

由于汽車的翼子板、引擎蓋板、車門等金屬類零件大部分是由沖壓制成的,所以汽車零件的沖壓成形質(zhì)量是影響汽車生產(chǎn)周期和成本的重要因素之一.研究表明,汽車零件的沖壓成形質(zhì)量與板料牌號、模具幾何參數(shù)、沖壓工藝參數(shù)等因素密切相關(guān),因此可通過優(yōu)化沖壓工藝參數(shù)來提高沖壓成形質(zhì)量[1-3].沖壓工藝參數(shù)主要包括壓邊力、沖壓速度、摩擦系數(shù)、模具間隙等因素.研究顯示,當(dāng)其他條件不變時(shí),通過調(diào)整壓邊力可大幅度提升成形質(zhì)量[4-5].目前,壓邊力的加載形式主要有恒壓邊力和變壓邊力兩種形式,其中恒壓邊力加載形式具有計(jì)算方便和易加載的優(yōu)點(diǎn),但在控制復(fù)雜零件的厚度、成形極限和回彈量等方面其效果并不理想;而變壓邊力加載形式不但能夠有效控制該類零件的厚度和改善零件的成形極限,而且還能夠降低回彈量,因此近年來一些學(xué)者對變壓邊力加載形式進(jìn)行了較多研究.例如:張效林等[6]通過利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化壓邊力加載曲線提高了方形盒件的成形質(zhì)量;王亞[7]通過灰色關(guān)聯(lián)理論獲得了變壓邊力加載的規(guī)律,并利用該規(guī)律提高了零件的成形質(zhì)量;Feng Y等[8]以圓筒形件為例對拉延過程中的壓邊力加載曲線進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),下降形式的壓邊力加載形式能夠獲得更大的拉深比;Su C等[9]通過調(diào)整變壓邊力和變拉延筋的參數(shù)獲得了控制TA2M鈦合金回彈量的最佳方案.在目前的相關(guān)研究中,國內(nèi)外學(xué)者對簡單零件的整體變壓邊力研究較多,而對于復(fù)雜零件的整體變壓邊力和分區(qū)變壓邊力的研究相對較少,如文獻(xiàn)[10-11]僅研究了方形和圓形零件.基于上述研究,本文以某品牌汽車的翼子板為例,研究整體恒壓邊力、整體變壓邊力、分區(qū)變壓邊3種方法對其成形質(zhì)量的影響,以期獲得更好的翼子板成形質(zhì)量工藝.

1 成形工藝分析及有限元模型設(shè)計(jì)

1.1 成形工藝分析

圖1為某品牌汽車的翼子板設(shè)計(jì)圖.該零件的設(shè)計(jì)尺寸為800 mm×560 mm,最大深度為102 mm,厚度為1.0 mm.該零件成形后的要求是:零件厚度要在0.9～1.05 mm之間(即最大減薄率要小于10%,最大增厚率要小于5%);零件回彈量要小于1 mm.零件的材料牌號為HSLA350,材料力學(xué)性能如表1所示.由于翼子板形狀復(fù)雜,且易在成形過程中發(fā)生開裂、折皺、回彈等缺陷(因拉深深度較大),因此零件需要經(jīng)過拉延—修邊—沖孔—整形—翻邊等多個工序才能保證其質(zhì)量.因拉延工序是零件成形的重要工序,所以本文主要對拉延工序進(jìn)行分析.

圖1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖

表1 零件材料的參數(shù)

1.2 有限元模型設(shè)計(jì)

本文采用基于零件模型的正向構(gòu)建方法設(shè)計(jì)有限元模型.首先,將汽車翼子板數(shù)字模型導(dǎo)入Dynaform軟件中,對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分后利用DFE模塊調(diào)整沖壓方向,以此確保零件能夠一次性完成拉延成形,同時(shí)完成零件與壓料面之間的工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì);其次,通過TOOL模塊完成DIE、PUNCH和BINDER等工具設(shè)置和定位,以此創(chuàng)建正確的有限元模型設(shè)計(jì)(包括凸模、凹模、壓邊圈和板料),如圖2所示.模型設(shè)計(jì)過程中,有限元模型采用BT殼單元,材料模型采用36#模型和Swift流動應(yīng)力模型,厚向積分點(diǎn)數(shù)為6,模具網(wǎng)格尺寸為10 mm×10 mm,板料網(wǎng)格為8 mm×8 mm,虛擬沖壓速度為2500 mm/s,模具間隙為1.1 mm,摩擦系數(shù)為0.17.

圖2 有限元模型

2 整體恒壓邊力成形分析

在沖壓成形實(shí)際生產(chǎn)中,通常采用壓邊力計(jì)算公式(式(1))計(jì)算壓邊力的初始取值范圍[12],然后通過試驗(yàn)在取值范圍內(nèi)進(jìn)一步優(yōu)化壓邊力以確定壓邊力的具體取值.

FQ=A·P,

(1)

式中FQ為壓邊力(kN),A為壓邊圈在毛坯的投影面積(mm2),P為單位壓邊力(取值范圍為2.0～3.5 MPa).

為了獲得初始壓邊力的取值范圍,本文首先利用有限元軟件計(jì)算壓邊圈在毛坯上的投影面積(經(jīng)計(jì)算,壓邊圈在毛坯上的投影面積為61023 mm2),然后再根據(jù)式(1)計(jì)算初始壓邊力的取值范圍.計(jì)算顯示,初始壓邊力的取值范圍為120～210 kN.將所得的初始壓邊力取值范圍平均分成10組后對各組分別進(jìn)行拉延仿真成形,并通過仿真分析獲得了該零件的臨界壓邊力(為120～200 kN).該結(jié)果表明:當(dāng)壓邊力大于200 kN時(shí),零件會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象;當(dāng)壓邊力小于120 kN時(shí),零件會出現(xiàn)折皺和拉延不足的現(xiàn)象.另外,通過仿真分析還發(fā)現(xiàn),當(dāng)壓邊力為150 kN時(shí),零件的成形質(zhì)量相對最佳.壓邊力為150 kN時(shí),零件的成形極限圖、厚度分布圖和回彈分布圖分別見圖3、圖4和圖5.從圖3可以看出,零件仍存在較大面積的起皺和拉延不足的現(xiàn)象;從圖4可以看出,零件厚度為0.831～1.258 mm,其中最大減薄率為16.9%、最大增厚率為25.8%,二者均超出了產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求(最大減薄率要小于10%,最大增厚率要小于5%).這表明,在該條件下零件可能會發(fā)生更為嚴(yán)重的開裂和起皺現(xiàn)象;從圖5可以看出,零件左上側(cè)棱角處的回彈量最大(回彈量為3.859 mm),超出了產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求(回彈量要小于1.0 mm).這表明此時(shí)零件的左上側(cè)棱角處未完全進(jìn)入塑性變形階段,易發(fā)生大面積的回彈現(xiàn)象.

圖3 壓邊力為150 kN時(shí)零件的成形極限

圖4 壓邊力為150 kN時(shí)零件的厚度分布

圖5 壓邊力為150 kN時(shí)零件的回彈分布

3 整體變壓邊力成形分析

3.1 變壓邊力成形原理

板料在拉延成形時(shí),由于不同時(shí)刻所需的應(yīng)力不同,因此采用變壓邊力成形技術(shù)可有效控制不同時(shí)間的壓邊力.目前,大部分的汽車零件拉延成形機(jī)采用的是液壓機(jī).由于液壓機(jī)中的液壓具有一定的可壓縮性(會導(dǎo)致時(shí)間控制精度降低),因此本文在選擇變壓邊力時(shí)將壓邊圈的行程作為選取加載形式的依據(jù).當(dāng)使用單動拉延時(shí),壓邊力與壓邊圈位移的函數(shù)可用下式表示[13]:

FQ=f(s),

(2)

式中FQ為壓邊力(kN),s為壓邊圈位移(mm).

3.2 變壓邊力加載形式

變壓邊力加載形式有多種,其中常用的為9種加載形式,如圖6所示.為了獲得這9種加載形式對汽車翼子板成形質(zhì)量的影響,分別對汽車翼子板的最大減薄率、最大增厚率、最大回彈量以及成形極限進(jìn)行分析,以此確定該零件所需的最佳壓邊力加載形式.

圖6 常用的9種變壓邊力的加載形式

3.3 整體變壓邊力成形分析

在9種變壓邊力加載形式下,利用Dynaform軟件對翼子板拉延成形質(zhì)量進(jìn)行仿真的結(jié)果見表2.從表2可知:零件的最大減薄率為8.20%～12.50%,其中加載形式7的最大減薄率最佳,為8.20%;零件的最大增厚率為0.00%～7.43%,其中加載形式7的最大增厚率最佳,為0.00%;零件的最大回彈量為1.353～2.383 mm,其中形式2的最大回彈量最佳,為1.353 mm.由上述可知,要保證翼子板不出現(xiàn)開裂和起皺的現(xiàn)象,最大減薄率和最大增厚率應(yīng)取最小,所以加載形式7為最佳成形方案.

表2 不同變壓力加載形式下的零件成形結(jié)果

圖7為采用形式7時(shí)零件的厚度分布圖、成形極限圖和回彈量分布圖.從圖7(a)可以看出,零件的厚度范圍為0.918～1.000 mm,其中大部分區(qū)域的厚度為0.968～1.000 mm,最小厚度(0.918 mm)位于左側(cè)棱角處(最大減薄率為8.20%);從圖7(b)可以看出,零件的中間區(qū)域存在較大面積的拉延不足;從圖7(c)可以看出,零件的回彈量為0.000～1.661 mm,最大回彈量(發(fā)生在左下角處)超過了產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求.由上述結(jié)果可知,采用整體變壓邊力成形時(shí),零件的最大減薄率、最大增厚率、最大回彈量和成形極限效果均優(yōu)于采用整體恒壓邊力成形,但最大回彈量和成形極限與產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求仍還有一定差距.

圖7 采用形式7時(shí)零件的成形結(jié)果

4 分區(qū)變壓邊力成形分析

4.1 分區(qū)壓邊圈設(shè)計(jì)

為了使零件的最大回彈量和成形極限能夠達(dá)到零件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求,本文采用分區(qū)變壓邊力成形方法來降低最大回彈量和改善成形極限.圖8為整體變壓邊力拉延結(jié)束時(shí)板料的應(yīng)變分布情況.從圖8可以看出,零件復(fù)雜特征區(qū)域的應(yīng)變較大,平滑特征區(qū)域的應(yīng)變較小.其原因是板料在拉延過程中復(fù)雜特征區(qū)域所受的應(yīng)力比平滑特征區(qū)域大,所以復(fù)雜特征區(qū)域相對更容易發(fā)生開裂現(xiàn)象,平滑區(qū)域則相對更容易發(fā)生拉延不足和起皺現(xiàn)象.基于上述,本文對壓邊圈進(jìn)行了分區(qū)設(shè)計(jì),即將壓邊圈分成了7個分區(qū)(A1—A7),如圖9所示.

圖8 拉延結(jié)束時(shí)板料的應(yīng)變分布

圖9 分區(qū)壓邊圈的模型設(shè)計(jì)

4.2 分區(qū)變壓邊力成形的模擬

根據(jù)整體變壓邊力的仿真成形結(jié)果對各分區(qū)壓邊力進(jìn)行調(diào)整所得的各分區(qū)壓邊力如表3所示.利用有限元軟件Dynaform對各分區(qū)變壓邊力成形進(jìn)行模擬獲得的零件成形極限圖、厚度分布圖和回彈分布圖分別見圖10—圖12.由圖10可以看出,零件的拉延不足現(xiàn)象完全消失,零件成形極限全部處于安全狀態(tài);由圖11可以看出,零件厚度在0.922～0.994 mm之間,即最大減薄率為7.8%(比整體變壓邊力成形減少了0.4%);由圖12可以看出,零件回彈量在0.000～0.783 mm之間,符合零件最大回彈量的設(shè)計(jì)要求.另外,與整體變壓邊力成形相比,采用分區(qū)變壓邊力成形時(shí)零件的最大回彈量減少了52.86%.

表3 形式7下的各分區(qū)壓邊力的取值范圍

圖10 各分區(qū)變壓邊力成形的零件成形極限

圖11 各分區(qū)變壓邊力成形的零件厚度分布

圖12 各分區(qū)變壓邊力成形的零件回彈量分布

5 結(jié)論

利用有限元技術(shù)對汽車翼子板的變壓邊力成形進(jìn)行優(yōu)化分析顯示,使用分區(qū)變壓邊力成形方法能夠有效降低汽車翼子板的最大減薄率和最大回彈量,以及改善零件的成形極限,進(jìn)而可有效提高汽車翼子板的成形質(zhì)量.本研究可為該類汽車外覆蓋件的成形工藝優(yōu)化提供參考.本研究中僅使用了有限元軟件對零件的成形質(zhì)量進(jìn)行了分析,因此在后續(xù)的研究中我們擬將本方案應(yīng)用于實(shí)際應(yīng)用中,以進(jìn)一步驗(yàn)證方案的有效性.