汽車(chē)A柱內(nèi)板拉延工藝及模具設(shè)計(jì)

摘要：本文以汽車(chē)A 柱內(nèi)板為研究對(duì)象，介紹沖壓工藝分析過(guò)程，并采用Autoform 軟件對(duì)A 柱內(nèi)板進(jìn)行沖壓成型分析。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，確定零件成型過(guò)程所需的工藝參數(shù)，預(yù)測(cè)胚料成型過(guò)程中可能出現(xiàn)的零件開(kāi)裂、起皺和減薄等問(wèn)題。同時(shí)，對(duì)汽車(chē)A 柱內(nèi)板的拉延工序的模具設(shè)計(jì)流程進(jìn)行研究，并采用UG 軟件對(duì)拉延模具進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：A 柱內(nèi)板；拉延模具；沖壓；Autoform ；工藝補(bǔ)充面；拉延筋

中圖分類(lèi)號(hào)：U466 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著客戶(hù)對(duì)汽車(chē)的品質(zhì)及性能要求越來(lái)越高，車(chē)型更新?lián)Q代應(yīng)接不暇。如此環(huán)境下，汽車(chē)覆蓋件的開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短，而相應(yīng)的品質(zhì)要求卻越來(lái)越高[1]。在如此激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，運(yùn)用有限元軟件對(duì)汽車(chē)覆蓋件進(jìn)行成型性能分析，已經(jīng)被作為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Engineering，CAE）的一種常用方式，其仿真結(jié)果可以指導(dǎo)零件造型設(shè)計(jì)或改進(jìn)、模具工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及模具制造與模具調(diào)試。

沖壓成形CAE 技術(shù)，就是利用有限元軟件模擬板料在實(shí)際沖壓條件下的工藝過(guò)程。成熟的模擬技術(shù)，可將大部分零件成型問(wèn)題暴露并解決在設(shè)計(jì)階段，為后續(xù)模具制造過(guò)程保駕護(hù)航。這種方法可以大幅度縮短項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期，提高原材料利用率，降低項(xiàng)目開(kāi)發(fā)成本。具有復(fù)雜外形的覆蓋件常需經(jīng)過(guò)多道沖壓工序加工而成，沖壓工藝的關(guān)鍵是拉延工序的可行性及可靠性，也就是拉延工藝性問(wèn)題。拉延工序的工藝分析及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是汽車(chē)覆蓋件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。

汽車(chē)A 柱連接汽車(chē)頂蓋和前艙，A 柱內(nèi)板是其內(nèi)部起加強(qiáng)及固定作用的結(jié)構(gòu)件，要求具有一定的強(qiáng)度和剛度，一般采用高強(qiáng)鋼材質(zhì)[2]。本文以Autoform 軟件為分析工具，介紹有限元模擬方法對(duì)某車(chē)型A 柱內(nèi)板覆蓋件的拉延沖壓工藝分析，對(duì)拉延模擬結(jié)果中出現(xiàn)的開(kāi)裂、減薄等問(wèn)題進(jìn)行了分析，并針對(duì)零件的成型特點(diǎn)設(shè)計(jì)拉延模具結(jié)構(gòu)。

1 CAE 技術(shù)在汽車(chē)A 柱內(nèi)板沖壓工藝中的應(yīng)用

1.1 零件工藝性分析

A 柱內(nèi)板結(jié)構(gòu)如圖1 所示。零件尺寸約為1 380.0 mm×250.0 mm×80.0 mm，材料厚度為1.2 mm。零件造型整體彎曲細(xì)長(zhǎng)，成形深度達(dá)60.0 mm，零件凸緣部位的圓角接近R6，凸緣部位材料減薄率可能較大，部分造型位置的材料流動(dòng)方向及流動(dòng)速度難以控制。

零件材質(zhì)采用HC340/590DP 雙相高強(qiáng)度鋼，該材料的屈服強(qiáng)度為374.1 MPa，抗拉強(qiáng)度為659.4 MPa，具有屈強(qiáng)比低、無(wú)屈服延伸以及應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)高等特點(diǎn)。高強(qiáng)度鋼板具有良好的抗碰撞性能，可以實(shí)現(xiàn)在減輕汽車(chē)質(zhì)量的同時(shí)提高安全性能。該材質(zhì)與一般沖壓件比，具有吸能好、抗疲勞性強(qiáng)、耐腐蝕性好以及強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)[3]。

但是，高強(qiáng)度鋼板具有回彈難控制等缺點(diǎn)，因此在成型過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)回彈，導(dǎo)致零件成形不到位，出現(xiàn)成形扭曲、開(kāi)裂或起皺等缺陷[4]。根據(jù)A 柱內(nèi)板的工藝特點(diǎn)，初步擬定的工藝步驟為：開(kāi)卷落料——拉延——修邊沖孔——整形——修邊側(cè)修邊沖孔。

1.2 AutoForm 參數(shù)設(shè)置

把零件數(shù)據(jù)引進(jìn)Autoform，完成了響應(yīng)式拓?fù)鋬?yōu)化。為了保證仿真模擬精密度，設(shè)置仿真模擬精密度為最高級(jí)別（FV）。其他參數(shù)按如下設(shè)置：網(wǎng)格的半徑穿透量為0.22，最大單元夾角為22.5，網(wǎng)格最大自適應(yīng)等級(jí)為5 階，鋼板的摩擦系數(shù)選取為0.17。

1.3 確認(rèn)了科學(xué)合理的拉延工藝指標(biāo)

1.3.1 確定拉延方向

在進(jìn)行沖壓工藝設(shè)計(jì)時(shí)，首先要確認(rèn)拉延件的沖壓方向，沖壓方向直接影響后續(xù)壓料面的造型及后工序的工作內(nèi)容。沖壓方向的確定可分為零件的中心坐標(biāo)點(diǎn)（Tip 點(diǎn)）和Angle 轉(zhuǎn)軸角度兩部分。中心坐標(biāo)點(diǎn)的選取一般接近零件重心。由于該點(diǎn)的選取會(huì)影響模具與機(jī)床之間的相對(duì)位置，故選取時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮零件幾何中心與機(jī)床頂桿位置要求。

Angle 轉(zhuǎn)軸角度直接確定了沖壓方向。沖壓方向的選擇應(yīng)使零件無(wú)負(fù)角，具有最小且均勻的拉延深度，并盡量減小產(chǎn)品的高度差，否則影響成型的穩(wěn)定性。沖壓時(shí)盡可能避免產(chǎn)生側(cè)向力，凸模與板料之間的接觸面要緊密平穩(wěn)，盡量通過(guò)調(diào)整沖壓方向以簡(jiǎn)化后工序內(nèi)容，減少不必要的模具開(kāi)發(fā)成本。比較平整的零件需要保證凸模中間部位先接觸，再慢慢往外成型。為了使得壓料面各段進(jìn)料阻力趨于一致，并考慮后續(xù)沖壓工序，本研究選擇了制件敞口朝下的沖壓方向。

1.3.2 工藝補(bǔ)充面及壓料面

考慮到制件的充分成型質(zhì)量，需要對(duì)制件做工藝補(bǔ)充面，用以補(bǔ)充制件內(nèi)外部板料成形，或控制制件形狀。工藝補(bǔ)充面分為2 種，內(nèi)部工藝補(bǔ)充無(wú)需增加胚料，而外部工藝補(bǔ)充需要增加胚料，再通過(guò)后面的工序裁剪分離。工藝補(bǔ)充面與產(chǎn)品面應(yīng)該光順連接，利于零件成形。

設(shè)置壓料面的目的在于對(duì)板料施加壓邊力，使得板料在拉延過(guò)程中拉應(yīng)力增大，控制產(chǎn)品成型速度。拉延過(guò)程中坯料一直處于壓緊狀態(tài)，壓料面形狀應(yīng)保證制件充分變形，且拉延深度應(yīng)盡量均勻，無(wú)太大高度落差，觸料狀態(tài)無(wú)疊料或起皺缺陷，壓料面不能在某一方向產(chǎn)生較大的側(cè)向力。A 柱內(nèi)板設(shè)計(jì)完成壓料面和工藝補(bǔ)充面的CAE 分析模型如圖2 所示。

1.3.3 拉延筋設(shè)計(jì)方案

該沖壓件呈幾字形，成形時(shí)中間區(qū)域被壓緊，外圈板料自外向內(nèi)流動(dòng)。為了控制變形區(qū)域的板料流動(dòng)速度，避免出現(xiàn)成形區(qū)域流料速度過(guò)快導(dǎo)致出現(xiàn)疊料缺陷，而流料速度過(guò)慢出現(xiàn)成形開(kāi)裂缺陷，CAE 分析時(shí)設(shè)計(jì)了拉延筋。拉延筋主要作用是控制板料拉延時(shí)進(jìn)入凸模所受阻力的大小，以達(dá)到控制板料流動(dòng)速度的目的[5]。

Autoform 中拉延筋的設(shè)計(jì)分為2 種，即等效拉延筋和真實(shí)拉延筋[6]。等效拉延筋CAE 分析效率高，前期分析時(shí)，多采用等效拉延筋用于模擬仿真來(lái)判斷產(chǎn)品成型趨勢(shì)。而真實(shí)拉延筋更能反饋實(shí)際沖壓狀態(tài)下的板料阻力情況，用于沖壓工藝細(xì)化設(shè)計(jì)。由于沖壓件呈幾字形，本研究用Autoform 軟件在產(chǎn)品法蘭兩側(cè)設(shè)定2 根半圓形等效拉延筋，寬度為15.0 mm，并設(shè)置等效拉延筋拉延阻力系數(shù)（拉延筋R=8.0 mm，深度6.0 mm）。

1.3.4 拉延時(shí)的壓邊力

壓料面是控制板料成型速度的工具，由壓料面?zhèn)鬟f的壓邊力才是關(guān)鍵參數(shù)。需使用模擬仿真技術(shù)，計(jì)算出合理的壓邊力參數(shù)。最小壓邊力的參考公式如下：

P =Ｒ m ×t ×L /10 000

式中：P 為壓邊力的數(shù)值，單位t ；Ｒ m 為抗拉強(qiáng)度的數(shù)值，單位MPa ；t 為板料厚度的數(shù)值，單位mm ；L 為分模線長(zhǎng)度，單位mm。

通過(guò)計(jì)算得到理論壓邊力P =87 t。由AutoForm 可以根據(jù)拉延筋情況計(jì)算拉延筋上舉力，壓邊力設(shè)置至少為120% 拉延筋上舉力。本研究通過(guò)AutoForm 軟件調(diào)試?yán)訁?shù)，可得壓邊力等于100 t 時(shí)，制件成形充分。

2 成形分析及優(yōu)化方案

將A 柱內(nèi)板數(shù)字模擬模型導(dǎo)入AutoForm 軟件，模擬仿真結(jié)果（圖 3）。由圖3 可知，零件成形充分，成形效果比較好，板料無(wú)拉伸應(yīng)變，變形安全區(qū)域占比95.00% 以上。另外，有0.18%區(qū)域出現(xiàn)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，4.19% 區(qū)域有料厚增加趨勢(shì)。

出現(xiàn)起皺缺陷的位置集中分布在產(chǎn)品兩端的補(bǔ)充面部分，零件左端側(cè)壁有一處開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)（圖4）。起皺缺陷沒(méi)有影響到產(chǎn)品面，在后工序中會(huì)被沖裁修邊，零件質(zhì)量不會(huì)受到影響。零件有一處出現(xiàn)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，其他區(qū)域變薄率則在標(biāo)準(zhǔn)范圍（-0.2 ～ 0.1），初步判斷開(kāi)裂位置板料變形速度慢于周邊，導(dǎo)致拉裂。由此可知，拉延筋與壓邊力可以控制板料流動(dòng)速度。而且分析結(jié)果顯示，零件整體成形質(zhì)量效果比較好，只端部一處開(kāi)裂，因此調(diào)節(jié)壓邊力會(huì)影響零件整體成形質(zhì)量，影響范圍廣。

本研究通過(guò)調(diào)節(jié)部分拉延筋深度來(lái)控制對(duì)應(yīng)位置的板料流動(dòng)速度，將開(kāi)裂位置對(duì)應(yīng)的拉延筋深度從6.0 mm 改為3.0 mm，并且光順過(guò)度，優(yōu)化后的成形分析效果如圖5 所示，可見(jiàn)零件減薄率分布在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，優(yōu)化方案有效。

本研究為典型的高強(qiáng)鋼板材質(zhì)梁類(lèi)件，回彈分析結(jié)果顯示（圖6），梁件兩側(cè)法蘭邊出現(xiàn)回彈變形，法蘭邊翹起，零件開(kāi)口尺寸變大，回彈值為-3.80 ～ -1.00，嚴(yán)重超出幾何尺寸與公差（GD&T）圖紙公差要求，不能滿(mǎn)足裝車(chē)驗(yàn)證[7]。對(duì)于該回彈變形問(wèn)題，本文采用一種新的回彈補(bǔ)償思路來(lái)驗(yàn)證補(bǔ)償效果。

常用補(bǔ)償思路為，利用有限元數(shù)值模擬計(jì)算回彈，然后在預(yù)估有回彈的區(qū)域作出反方向的補(bǔ)償值，使零件成形后的反彈正好與補(bǔ)償值抵消，從而得到合格產(chǎn)品[8]。常用補(bǔ)償面一般按某角度直接旋轉(zhuǎn)得到。本研究將補(bǔ)償面分3 段單獨(dú)補(bǔ)償（圖7）。零件圓角處回彈較小，圓角處作為過(guò)渡圓角面，不需進(jìn)行太大補(bǔ)償；零件開(kāi)口處變形最大，回彈補(bǔ)償按1 倍做補(bǔ)償面。三段式回彈補(bǔ)償后，回彈結(jié)果如圖8 所示，回彈值控制在-0.75 ～ 0，補(bǔ)償效果很顯著。

3 拉延模具設(shè)計(jì)

拉延模具結(jié)構(gòu)上主要由凸模、凹模、壓邊圈以及各種輔助零件構(gòu)成。按照結(jié)構(gòu)的不同，拉延模具可分為單動(dòng)、雙動(dòng)及三動(dòng)拉延模具，本研究為單動(dòng)拉延，即只有壓邊圈未固定，壓邊圈由壓機(jī)設(shè)備的氣頂控制，按一定的沖壓行程運(yùn)動(dòng)。模擬過(guò)程雖然可以暴露制件沖壓過(guò)程可能會(huì)產(chǎn)生的開(kāi)裂、起皺等風(fēng)險(xiǎn)，但是只做預(yù)測(cè)參考，并不代表著完全解決實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的問(wèn)題。故進(jìn)行拉延模設(shè)計(jì)時(shí)，合理的模具結(jié)構(gòu)才可以最大程度實(shí)現(xiàn)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的沖壓工藝參數(shù)，使實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)接近模擬仿真狀態(tài)。模具設(shè)計(jì)同時(shí)考慮實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中模具的維修與調(diào)試。

3.1 模具材質(zhì)的確認(rèn)

凸模、凹模和壓邊圈是直接接觸板料，參與模具制件成形的工作部件。合適的模具材質(zhì)直接影響制件的沖壓狀態(tài)，也影響模具的使用壽命。模具材質(zhì)的選擇根據(jù)板料的材質(zhì)特點(diǎn)決定，如板料的抗拉強(qiáng)度、材料厚度以及制件的造型復(fù)雜程度，可參考如下公式：

α =t ×σb

式中：α 為材料強(qiáng)度系數(shù)的數(shù)值，單位N/mm ；t 為板材厚度的數(shù)值，單位mm ；σb 為抗拉強(qiáng)度的數(shù)值，單位MPa。

材料強(qiáng)度系數(shù)較低的，凸模、凹模和壓邊圈的材質(zhì)選用合金鑄鐵，合金鑄鐵熱處理后硬度達(dá)到HRC50-55。本研究制件材質(zhì)為HC340/590DP 雙相高強(qiáng)鋼，抗拉強(qiáng)度比較高，達(dá)到659.4 MPa，材料厚度為1.2 mm，材料強(qiáng)度系數(shù)較高，凸模、凹模和壓邊圈的材質(zhì)選用Cr12MoV 鍛件鑲塊，熱處理后硬度為HRC58-62。高強(qiáng)鋼板料成形較普通板料相比，回彈高，可塑性差，成形過(guò)程中對(duì)模具表面的摩擦阻力更大，模具凸緣處易磨損、積炭。模具工作部位使用Cr12MoV 鍛件鑲塊材質(zhì)，經(jīng)熱處理后硬度達(dá)HRC58-62，可降低模具磨損程度，提高模具使用壽命。凸模、凹模和壓邊圈設(shè)計(jì)為鑲塊結(jié)構(gòu)不僅可以減少磨損而且還可以方便地更換鑲塊，維修方便且維修成本更低。

模具模座部分不直接參與板料成形，采用鑄件HT300，用于鎖附凸模和凹模以及其他輔助零件。

3.2 模具調(diào)壓墊塊

壓邊圈與凹模在壓機(jī)上下滑塊的作用下，相互壓緊產(chǎn)生壓料力。由于受零件內(nèi)應(yīng)力，設(shè)備精度、工裝精度和環(huán)境等各種因素的影響，零件成形過(guò)程并不能達(dá)到各部位受力均勻一致的理想狀態(tài)。拉延模具設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)壓墊以調(diào)節(jié)壓邊力，控制板料流動(dòng)的快慢，達(dá)到控制板料成形狀態(tài)的目的。板料流動(dòng)大的區(qū)域，必須設(shè)置調(diào)壓墊，均勻布置。本研究中板料流動(dòng)分布如圖9 所示，零件法蘭兩側(cè)板料流動(dòng)速度最大，需在壓邊圈上間隔350.0 mm 均勻設(shè)置調(diào)壓墊塊，通過(guò)調(diào)節(jié)墊塊與凹模之間的間隙，

3.3 定位與導(dǎo)向設(shè)計(jì)

保證模具導(dǎo)向精度及板料的合理定位，是確保模具成形運(yùn)動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)進(jìn)行、制件各處同時(shí)觸料以及防止板料竄動(dòng)導(dǎo)致成形不充分的前提。因此，在凸模和壓邊圈之間，以及壓邊圈和凹模之間，分別用4 個(gè)耐磨導(dǎo)板導(dǎo)向。耐磨板材料采用T8A，淬火硬度為HRC52 ～ 56。該結(jié)構(gòu)能夠精確限制模具部件X 向及Y 向運(yùn)動(dòng)，保證模具導(dǎo)向精度（圖10）。

4 模具的動(dòng)作過(guò)程

拉延工序由1 000 t 單動(dòng)壓力機(jī)完成。在具體的工作中，壓力機(jī)下氣墊將壓邊圈向上托舉，板料置于壓邊圈上處于放松狀態(tài)。壓力機(jī)上滑塊帶動(dòng)凹模下行運(yùn)動(dòng)，首先與板料接觸，板料被壓邊圈及凹模夾緊，繼續(xù)下行。當(dāng)凸模觸及板料一瞬間，板料開(kāi)始變形，板料在壓邊力的控制下向各處變形區(qū)域均勻流動(dòng)，以滿(mǎn)足強(qiáng)變形區(qū)供料要求，從而使制件得以平穩(wěn)成形。模具設(shè)計(jì)了到底標(biāo)記，將拉延件壓出直徑d=14.0 mm 的壓印作為模具拉延行程完全到底的標(biāo)志，方便試模人員進(jìn)行調(diào)試。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文借助Autoform 軟件對(duì)某車(chē)型A 柱內(nèi)板進(jìn)行工藝分析，分析沖壓工藝參數(shù)、壓料面及工藝補(bǔ)充面、壓邊力以及拉延筋對(duì)拉延成形質(zhì)量的影響。分析可知，零件成形極限分布和板料減薄分布，通過(guò)調(diào)整拉延筋深度及采用分段式回彈補(bǔ)償方法可以有效改善零件開(kāi)裂及高強(qiáng)板回彈問(wèn)題。本研究比較系統(tǒng)地介紹了A 柱內(nèi)板從工藝設(shè)計(jì)到工藝分析，再到最后拉延模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的完整設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)類(lèi)似零件的沖壓工藝設(shè)計(jì)有一定的參考意義。同時(shí)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，除了考慮基本的模具功能的實(shí)現(xiàn)，更融入模具后期調(diào)試便利性的思想，為實(shí)際沖壓生產(chǎn)過(guò)程中的模具調(diào)試提供條件。

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作者簡(jiǎn)介：

莫媚，本科，工程師，研究方向?yàn)闆_壓工藝及模具設(shè)計(jì)。