780MPa超高強鋼沖壓工藝設(shè)計

2016-10-04  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

“節(jié)能環(huán)保”越來越成為了公眾關(guān)注的話題,輕量化這一概念也廣泛應(yīng)用到普通汽車領(lǐng)域,輕量化的汽車在提高操控性的同時也有出色的節(jié)油表現(xiàn)。汽車的油耗主要取決于發(fā)動機的排量和汽車的總質(zhì)量,在保持汽車整體品質(zhì)、性能和造價不變甚至優(yōu)化的前提下,降低汽車自身重量可以提高輸出功率、降低油耗、減少廢氣排放量。

汽車輕量化的一個重要途徑就是降低白車身鋼板厚度,普通鋼板降低厚度會導(dǎo)致車身的整體強度同時降低,乘員的安全無法得到保障。高強度鋼板尤其是超高強度鋼板的應(yīng)用可完美實現(xiàn)降低車身重量的同時強度不降低甚至提高的目的。超高強度鋼板給沖壓工藝帶來了很大的難度,尤其回彈、扭曲等質(zhì)量缺陷難以控制。本文通過某車型780MPa超高強鋼左/右門檻內(nèi)板前段的工藝設(shè)計及數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行論述。

產(chǎn)品分析

該車型的左/右門檻內(nèi)板前段產(chǎn)品形狀為典型的U形梁類件,如圖1所示。

圖1 零件圖

該零件料厚1.6mm,材質(zhì)為B400/780DP,材料參數(shù)如下:

表1 材料參數(shù)

該件呈U形,左右件完全對稱,兩端開口棱線處約束回彈的形狀很少,且B400/780DP材料的抗拉強度達(dá)到了780MPa,屬于超高強度鋼板,成形時兩側(cè)壁回彈難以控制。該件位于車身發(fā)動機艙總成與側(cè)圍總成連接處,搭接件較多,對面差、止口、孔的精度要求較高。

成形方式的確定

傳統(tǒng)的成形方式

該件整體形狀較為簡單,采用落料后成形的成形方式。一般采取3次成形工藝(圖2),落料后經(jīng)兩次成形加一次側(cè)整回彈將產(chǎn)品成形到位后沖孔,共5序。

圖2 傳統(tǒng)的成形方式工序圖

這種成形方式工序較多,需要5序才能完成,且回彈控制較困難,需要多輪調(diào)試才能將側(cè)整的回彈補償抓準(zhǔn)。

優(yōu)化后的成形方式

通過工藝改進(jìn)將成形工序簡化為2序(圖3),落料后先將產(chǎn)品預(yù)成形成“W”形,然后側(cè)整成形及側(cè)整回彈將產(chǎn)品成形到位后沖孔,共4序。

圖3 優(yōu)化后的成形方式工序圖

這種成形方式有以下優(yōu)點:1)工序較少,4序即可完成;2)零件止口精度較易控制;3)棱線部位經(jīng)過兩次變形,產(chǎn)生兩次加工硬化,棱線部位內(nèi)部應(yīng)力釋放較多,側(cè)壁回彈較好控制。

沖壓工藝設(shè)計

根據(jù)以上優(yōu)化后的成形方式,采取沖壓工藝方案為:OP10落料→OP20成形→OP30側(cè)整形成形→OP40沖孔側(cè)沖孔。

左右件為對稱件,且零件長度僅為400mm,采用左右件合模方式,且OP20有兩處上翻成形,采用合模方式還可以消除翻邊側(cè)向力。

OP10落料工序設(shè)計

⑴坯料線展開。此件形狀較為簡單,使用AutoForm軟件將產(chǎn)品做一次展開,即可得到產(chǎn)品的展開形狀(圖4),左右件為完全對稱形狀,可共用一副落料模。

圖4 產(chǎn)品落料片形狀

⑵排樣。由于該件右上角部位伸出一個形狀,單片落料材料利用率較低,因此采取一個毛坯落兩片料的對排排樣落料方式,將伸出形狀的廢料加以利用,搭邊值取4mm(一般為2~2.5倍壁厚),此排樣落料方式的材料利用率高達(dá)81.2%(圖5)。

圖5 落料排樣圖

OP20成形工序設(shè)計

該工序先將產(chǎn)品成形為“W”形狀(圖6),“W”形相對于產(chǎn)品成30°夾角,該形狀為向下成形FO(down),另該產(chǎn)品端頭還有向上成形形狀FO(up),所以該工序需設(shè)計成上下雙浮動成形,下托料芯采用機床氣頂桿提供壓力源,上壓料芯采用氮氣彈簧提供壓力源。

圖6 成形工序圖及局部斷面圖

OP30側(cè)整形工序設(shè)計

若采用正向整形工藝,回彈不好控制,現(xiàn)場回彈整改難度大,且產(chǎn)品側(cè)壁角度較小,回彈補償后易出現(xiàn)負(fù)角,正向整形無法完成負(fù)角的整形內(nèi)容,而采用側(cè)整形能完美解決這些問題。

由于該工序整形后產(chǎn)品會存在負(fù)角,導(dǎo)致整形后無法取件,故將這序沖壓方向相對于上一序旋轉(zhuǎn)5°,保證順利取件。側(cè)整形的角度應(yīng)盡量與上一序成形后的側(cè)壁垂直,這樣可以保證側(cè)整時刀塊與料片同時接觸,這里我們定為60°(圖7)。

圖7 側(cè)整形工序圖及局部斷面圖

OP40沖孔側(cè)沖孔工序設(shè)計

側(cè)整形完成后,產(chǎn)品形狀穩(wěn)定,且零件對孔精度要求較高,所有沖孔在該工序完成。與沖壓方向平行孔采用正沖,側(cè)面孔采用側(cè)沖(圖8)。

圖8 沖孔側(cè)沖孔工序圖及局部斷面圖

CAE驗證及回彈計算

OP20成形工序的CAE驗證

由于材料抗拉強度達(dá)到了780MPa,內(nèi)部應(yīng)力較大,回彈較嚴(yán)重,但由于后序還有一序側(cè)整形,該序回彈可暫不考慮,回彈在側(cè)整形工序進(jìn)行驗證,該工序重點驗證成形中的起皺及開裂。

采用AutoForm模擬軟件分析,從計算結(jié)果看產(chǎn)品無開裂風(fēng)險,局部有起皺趨勢,在可接受范圍內(nèi),該工序工藝造型設(shè)計可行(圖9)。

圖9 成形工序CAE結(jié)果圖

OP30側(cè)整形工序的CAE驗證及回彈量的計算

該工序需驗證兩個方面,一方面驗證成形性,有無開裂起皺風(fēng)險;另一方面計算側(cè)整形后產(chǎn)品的回彈量,為后續(xù)回彈補償提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

從AutoForm模擬分析軟件的計算結(jié)果(圖10)看,產(chǎn)品無開裂風(fēng)險,局部有起皺趨勢,在可接受范圍內(nèi),該工序工藝造型設(shè)計可行。

回彈的計算結(jié)果如圖11所示。從結(jié)果看兩側(cè)壁及法蘭回彈較大,最大約5mm,回彈從頂部棱線向外張。

圖10 側(cè)整形工序CAE結(jié)果圖

圖11 側(cè)整形工序回彈分析CAE結(jié)果圖

回彈補償

根據(jù)以上計算的回彈值采用ThinkDesign軟件制作回彈補償造型,將回彈補償造型應(yīng)用到側(cè)整形工序中,保證側(cè)整形后能回彈到產(chǎn)品的狀態(tài)。如圖12所示。

圖12 回彈補償及回彈補償斷面圖

實踐驗證

通過現(xiàn)場的加工、調(diào)試,零件成形性良好無開裂、起皺等缺陷,回彈量在公差范圍之內(nèi),面差、止口、孔滿足精度要求,裝車狀態(tài)良好,表明工藝方案可行,回彈補償合理。圖13所示是成形后的零件實物圖。

圖13 零件實物圖

結(jié)束語

通過合理的選擇成形方式和準(zhǔn)確的CAE模擬分析,可以降低零件產(chǎn)生質(zhì)量缺陷的風(fēng)險,減少工序數(shù)量,降低模具開發(fā)成本,保證該零件的成形性及精度要求,零件回彈通過回彈補償?shù)膬?yōu)化也得到了有效的控制。

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