【成型案例】背門內(nèi)板沖壓數(shù)值模擬及工藝改進(jìn)

2016-09-09 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

在數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上,制定出合理的沖壓工序排布方案,對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)有著重要的指導(dǎo)意義。本文對(duì)背門內(nèi)板的成形工藝進(jìn)行了分析,利用AutoForm軟件分析其成形性并對(duì)成形工藝進(jìn)行了改進(jìn),工藝改進(jìn)后的方案能夠有效解決開裂和起皺的問題。

汽車覆蓋件一般由冷軋薄鋼板沖壓而成,具有結(jié)構(gòu)尺寸大、形狀復(fù)雜、板料薄和表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。薄板的沖壓成形過程是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)過程,它是一個(gè)集幾何非線性、材料非線性和接觸非線性于一體的三重非線性耦合的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問題,是一個(gè)大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)和大變形的過程。以往車身覆蓋件的模具制造需要反復(fù)試模和修模,生產(chǎn)周期長(zhǎng),生產(chǎn)成本很高,產(chǎn)品質(zhì)量不易控制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬技術(shù)在板料成形分析中得到廣泛應(yīng)用,以往只能憑借經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)試驗(yàn)得出的結(jié)果經(jīng)數(shù)值模擬分析便可快速獲得,從而縮短了模具設(shè)計(jì)與制造周期,降低了模具開發(fā)成本,提高了模具和沖壓件質(zhì)量。
汽車背門內(nèi)板具有尺寸大、形狀復(fù)雜等特點(diǎn),成形容易產(chǎn)生開裂、起皺等缺陷。本文利用AutoForm軟件分析了背門內(nèi)板的成形性,并對(duì)其成形工藝進(jìn)行了改進(jìn)。

背門內(nèi)板成形工藝分析

本文研究的背門內(nèi)板模型如圖1所示,零件尺寸約為1320mm×1154mm×110mm。從圖1可以看出,此零件形狀復(fù)雜,尤其周邊形狀多樣,變化急劇,周邊R角較小,側(cè)壁較深且拔模角度小,拉延時(shí)極易出現(xiàn)開裂、起皺等缺陷;此件孔洞較多,沖孔方向不一致,工序排布比較困難;背門內(nèi)板在背門開啟時(shí)部分可見,對(duì)表面質(zhì)量要求較高,故此件成形質(zhì)量控制難度較大。

背門內(nèi)板沖壓方向的確定比較重要,合理的沖壓方向不僅能生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品,對(duì)降低生產(chǎn)成本也起著積極作用。若采用圖2a所示的沖壓方向,則側(cè)沖孔的廢料將落在產(chǎn)品上無法排出,如圖2b所示。經(jīng)過綜合分析,最終確定拉延時(shí)的沖壓方向如圖2c所示。

背門內(nèi)板沖壓數(shù)值模擬分析

1. 模擬參數(shù)的設(shè)定

背門內(nèi)板形狀較復(fù)雜,成形有一定的難度,故所用材料為沖壓性能較好的DC04,材料厚度為0.8mm。材料性能參數(shù)為:屈服強(qiáng)度σs=120~210MPa,抗拉強(qiáng)度σb≥270MPa,硬變硬化指數(shù)n≥0.18,厚向異性指數(shù)r≥1.5,斷后伸長(zhǎng)率δ=36%,密度ρ=7.85×10-5N/mm2,楊式模量E=2.1×105N/mm2,泊松比γ=0.3。本例采用彈塑性強(qiáng)化模型進(jìn)行計(jì)算,所用的屈服準(zhǔn)則為Hill準(zhǔn)則;摩擦因數(shù)為0.15。

在CATIA中抽出零件數(shù)模片體,以IGS格式導(dǎo)出并導(dǎo)入到AutoForm軟件中。工藝補(bǔ)充面在AutoForm軟件中制作,如圖3a所示,生成如圖3b所示的有限元模型工具體。

2. 模擬結(jié)果分析

成形極限圖(Forming Limit Diagram,簡(jiǎn)稱FLD)是評(píng)定薄板成形性能最直接和有效的方法,通過此圖可以直觀地判斷零件起皺、開裂等缺陷,制定出相應(yīng)的對(duì)策。如圖4所示,成形極限圖中的曲線A為成形極限曲線(Forming Limit Curve,簡(jiǎn)稱FLC),在此曲線以上的區(qū)域表示材料發(fā)生了塑性破裂,曲線最低位置為平面應(yīng)變狀態(tài),次應(yīng)變e2=0;曲線B為臨界極限曲線,處在曲線A和曲線B之間的區(qū)域材料有破裂風(fēng)險(xiǎn);直線C為雙向等值拉伸線,在該線上材料處于雙向等值拉應(yīng)力狀態(tài),e1= e2;直線D為單向拉伸線,在該線上材料處于單向拉伸狀態(tài),盡管板料厚度沒有增加,但材料內(nèi)部已存在壓應(yīng)力,有起皺趨勢(shì);曲線B和直線C、D組成的區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū),這部分區(qū)域的材料在成形時(shí)既得到了充分拉伸,又沒有破裂和起皺的工藝缺陷,此狀態(tài)為板料成形的最佳狀態(tài);直線E為等厚拉伸線,在該線上材料處于等厚變形狀態(tài),e1= -e2;直線D和直線E所組成的區(qū)域?yàn)榕R界起皺區(qū),該區(qū)域內(nèi)的材料雖然受到壓應(yīng)力,但材料沒有增厚;直線E以下的區(qū)域?yàn)槠鸢檯^(qū),e1< -e2,材料厚度增加。

在AutoForm軟件中,經(jīng)過多次調(diào)整工藝參數(shù),最終得到了背門內(nèi)板的兩種分析結(jié)果。第一種分析結(jié)果如圖5所示,從圖5a成形極限圖中可以很直觀地看出存在較大面積的開裂區(qū)域(紅色區(qū))和臨界開裂區(qū)域(黃色區(qū)),由此可以判斷該零件開裂嚴(yán)重;起皺區(qū)無顏色顯示,說明無起皺現(xiàn)象,從圖中可以看出開裂的原因是局部主應(yīng)變過大。從圖5b看出開裂的位置分布于零件形狀較復(fù)雜的周邊側(cè)壁區(qū)域。引起該零件開裂的原因主要有三個(gè):一是,周邊R角過小,局部過于尖銳,存在應(yīng)力集中;二是,零件側(cè)壁高度較大、拔模角度很小,材料橫向流動(dòng)受阻,材料補(bǔ)給困難,在零件的橫向基本靠局部區(qū)域材料拉脹成形,產(chǎn)生過大的主應(yīng)變;三是,拉延筋阻力以及壓邊力過大,材料流動(dòng)困難。

為解決開裂問題,我們首先在不修改零件結(jié)構(gòu)的前提下對(duì)拉延工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,減小了拉延筋的阻力,得到了圖6a所示的成形極限圖,從中可以看出無破裂區(qū)域,但臨界起皺區(qū)(藍(lán)色區(qū))和起皺區(qū)(紫色區(qū))所占面積較大,說明零件局部存在較嚴(yán)重的起皺現(xiàn)象;從圖6b中可以看出起皺的位置主要分布于零件周邊區(qū)域。該零件產(chǎn)生起皺的原因主要有2個(gè):一是,零件局部區(qū)域形狀變化急劇且較復(fù)雜,致使局部材料堆積;二是,拉延筋的阻力以及壓邊力過小,材料流入過多。起皺位置大部分在打開背門時(shí)是可見的,影響了整車的外觀質(zhì)量,所以這樣的區(qū)域表面質(zhì)量要求較高,通常不允許有起皺出現(xiàn)。

由以上分析可知,此零件無法同時(shí)消除開裂和起皺的缺陷。為了驗(yàn)證數(shù)值模擬分析結(jié)果的正確性,采用此方案生產(chǎn)出了第一批軟模件,得到了圖7所示的實(shí)物圖。

從圖7中可以看出,背門內(nèi)板最上部的兩個(gè)角有明顯起皺現(xiàn)象,玻璃窗框的左右下角部雖然經(jīng)過了人工打磨,仍然可以看出起皺的痕跡,說明此處起皺很嚴(yán)重。圖6和圖7對(duì)比可發(fā)現(xiàn),數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)所得到的結(jié)果基本吻合,從而也證明了數(shù)值模擬對(duì)板料成形分析具有很大的指導(dǎo)意義。

工藝改進(jìn)及其數(shù)值模擬分析
1. 工藝改進(jìn)
背門內(nèi)板形狀復(fù)雜,拉延時(shí)存在開裂與起皺的矛盾,為了克服這個(gè)矛盾,且在不修改零件結(jié)構(gòu)的前提下得到合格產(chǎn)品,本文采用了一種改進(jìn)的工藝,新工藝所建立的有限元工具體如圖8所示。其工作過程如下:
(1)板料放置在下壓邊圈上,上壓邊圈下行與下壓邊圈接觸將板料壓住;
(2)上壓邊圈與下壓邊圈以及板料一起下行,與凸模共同成形出上壓邊圈所具有的零件形狀;

(3)凹模下行,與內(nèi)壓邊圈以及凸模共同成形出剩余的零件形狀。

2. 工藝改進(jìn)后的數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了快速驗(yàn)證工藝改進(jìn)后的成形性,在AutoForm軟件中對(duì)背門內(nèi)板進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,分析中所用的拉延筋阻力與工藝改進(jìn)前的第一種情況相同,得到成形極限圖(見圖9a),從圖中可以看出零件無開裂、起皺缺陷出現(xiàn),只有極少數(shù)位置有開裂風(fēng)險(xiǎn),后期通過模具調(diào)試可以解決,小部分區(qū)域存在壓應(yīng)力,材料有增厚的趨勢(shì)。從圖9b中可以看出,在零件的可見區(qū)域不存在起皺現(xiàn)象,整個(gè)沖壓件無開裂區(qū)域,質(zhì)量達(dá)到了要求,說明改進(jìn)后的工藝能有效解決開裂和起皺的矛盾,可獲得質(zhì)量較高的沖壓件。但此工藝還需后期實(shí)際生產(chǎn)來進(jìn)一步驗(yàn)證。

以下從工藝改進(jìn)前后成形過程的對(duì)比來分析工藝改進(jìn)后能夠獲得合格沖壓件的原因。圖10所示為工藝改進(jìn)前的部分成形過程,從中可以看出,零件周邊復(fù)雜的形狀與內(nèi)部凹陷的形狀同時(shí)成形,最高點(diǎn)A先接觸板料,進(jìn)料方向只能由外向內(nèi),當(dāng)拉延筋的阻力較大時(shí),周邊形狀復(fù)雜處無法得到足夠的材料補(bǔ)給,主要依靠局部材料的拉脹成形;當(dāng)主應(yīng)變大于材料的極限應(yīng)變時(shí),零件周邊側(cè)壁發(fā)生開裂,零件中心形狀是凹陷的,同時(shí)內(nèi)部較平坦,板料線長(zhǎng)較大,有足夠的板料成形;當(dāng)拉延筋的阻力和壓邊力較小時(shí),致使進(jìn)料速度過快,內(nèi)部局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。

圖11為工藝改進(jìn)后的部分成形過程,成形時(shí)零件周邊復(fù)雜的形狀最先成形,隨著上壓邊圈下行,內(nèi)部板料由弧形逐漸被拉直,說明在成形周邊復(fù)雜的形狀時(shí),進(jìn)料方向不單是由外而內(nèi),內(nèi)部的材料也會(huì)進(jìn)行補(bǔ)給,材料優(yōu)先貼合在凸模上,周邊材料得到聚存,故側(cè)壁得到了較好的形狀,開裂問題得以解決;由于內(nèi)部材料向外側(cè)流出,材料線長(zhǎng)縮短,內(nèi)部形狀成形時(shí)無法從外側(cè)得到材料,只能依靠材料的局部拉脹成形,保證了內(nèi)部局部區(qū)域不會(huì)起皺。所以,從理論上也說明此工藝方案能有效地解決開裂和起皺問題,保證能夠得到合格的產(chǎn)品。

背門內(nèi)板沖壓工序排布
采用數(shù)值模擬分析手段對(duì)該零件的成形進(jìn)行分析后,確定出板料大小、沖壓方向和分模線的位置等,根據(jù)得到的相關(guān)數(shù)據(jù)制定沖壓工序排布簡(jiǎn)圖,為后期模具方案的制定提供指導(dǎo)。在工序分配時(shí)要考慮零件的沖壓成形性、穩(wěn)定性和模具結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的可行性、難易程度,以及各工序間的銜接和沖壓生產(chǎn)流程等。

此零件孔洞較多,且各類孔的沖切方向不同,給工序安排帶來很大困難?？?包括圓孔和非圓孔)沖切的一般原則為:孔徑(特指圓孔直徑和非圓孔的最小直線距離)不大于6mm時(shí),沖切方向與孔平面法線角度不大于5?;孔徑在6~12mm之間時(shí),沖切方向與孔平面法線角度不大于10?;孔徑大于12mm時(shí),沖切方向與孔平面法線角度不大于15?。按此原則并結(jié)合該零件孔的功能和屬性,同時(shí)考慮模具各部分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,把沖孔安排在3個(gè)工序中完成。

經(jīng)過以上分析并結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果,最終成形工序排布為:OP05,落料→OP10,拉延→OP20,修邊+沖孔→OP30,整形+沖孔+側(cè)沖孔+翻邊→OP40,整形+沖孔+側(cè)沖孔。各工序間零件的旋轉(zhuǎn)角度因不能大于10?,所以O(shè)P20工序相對(duì)于OP10工序以Y軸為中心旋轉(zhuǎn)了8?;OP30工序相對(duì)于OP20工序以Y軸為中心旋轉(zhuǎn)了9?;OP40工序相對(duì)于OP30工序以Y軸為中心旋轉(zhuǎn)了10?。修邊和沖孔時(shí)要充分考慮廢料的排出或收集,在OP20序修邊時(shí),兩處廢料刀因工藝所限布置為刀背對(duì)刀背形式,廢料切斷后會(huì)滯留在兩廢料刀之間,需預(yù)留廢料提升器,以保證廢料順利排出。詳細(xì)工序排布如圖12所示。

結(jié)語(yǔ)

汽車背門內(nèi)板由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且具有一定的特殊性,在成形時(shí)容易出現(xiàn)開裂和起皺等缺陷,并且這兩種缺陷很難同時(shí)消除,往往在消除一種缺陷的時(shí)候會(huì)造成另一種缺陷產(chǎn)生。

本文采用兩種工藝方案在AutoForm軟件中分別對(duì)背門內(nèi)板進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,通過結(jié)果對(duì)比分析,工藝改進(jìn)后的方案能夠解決開裂和起皺的矛盾,得到質(zhì)量合格的沖壓件。因此,對(duì)于有背門內(nèi)板類似結(jié)構(gòu)的零件,如左右車門內(nèi)板等,都可以采用本文中改進(jìn)的方案進(jìn)行成形,解決開裂和起皺缺陷。雖然數(shù)值模擬分析得到了較好的結(jié)果,但此改進(jìn)方案還有待實(shí)際生產(chǎn)的驗(yàn)證。

借助數(shù)值模擬分析方法,為沖壓成形的評(píng)估提供了重要參考,可以制定出較合理的沖壓工藝,為模具方案的制作提供參考。

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