汽車車門內(nèi)板沖壓成形工藝分析

  汽車覆蓋件具有尺寸大、相對(duì)厚度小、形狀復(fù)雜等特點(diǎn),決定了在沖壓成形中板料變形的復(fù)雜性,變形規(guī)律不易被掌握,不能定量地對(duì)主要工藝參數(shù)和模具參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,在工程實(shí)踐中還主要運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)類比來進(jìn)行沖壓工藝設(shè)計(jì)。

  一、沖壓工藝制定

  1.零件工藝分析

  圖1所示為某轎車車門內(nèi)板零件圖,材料為St14,料厚0.8mm。從圖可以看出,該零件形狀復(fù)雜,高差較大,局部成形較多,板料的變形不是單純的拉延成形,而是存在一定程度的脹形變形,是典型的汽車覆蓋件。

  圖1中的a和b處,由于窗框部分進(jìn)行內(nèi)工藝補(bǔ)充后,形成了零件的反成形形狀,這部分形狀的成形一般不能靠外部材料進(jìn)行補(bǔ)充,只能靠該部分板料的脹形成形來實(shí)現(xiàn),脹形成形深度較深,a和b處大約有20mm左右,且轉(zhuǎn)角部R較小,因此在拉延成形過程中很容易出現(xiàn)破裂。在零件的c處,存在大約12mm高的臺(tái)階,此部分若在第一次拉延過程中直接成形,則壓料面可能有以下兩種分法:(1)將c部分作為壓邊面的一部分,即將分模線分在零件側(cè)壁圓角處,這樣由于臺(tái)階對(duì)板料的進(jìn)料阻力較大,易導(dǎo)致零件在拉延過程中可能產(chǎn)生破裂;(2)將c部分作為凸模的一部分,即將分模線分在c部分外側(cè)的法蘭上,則在拉延過程中該區(qū)域的板料是懸空的,在徑向拉應(yīng)力和切向壓應(yīng)力的作用下,材料集中收縮到此處,可能導(dǎo)致零件的該部分起皺,甚至有迭料的可能。

  由上面的工藝分析可知,該覆蓋件成形難度大,成形工藝較復(fù)雜。

圖1 某轎車車門內(nèi)板零件圖

  2.工藝方案的制定

  產(chǎn)品沖壓成形工藝的確定過程,就是分析和預(yù)測板料在變形過程中可能產(chǎn)生的缺陷,并采取一定的措施,以消除和防止沖壓缺陷,同時(shí)考慮制造能力、沖壓設(shè)備、投資成本等因素。根據(jù)本零件的工藝性和本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況,車門內(nèi)板的工藝過程如下:拉延+切角;二次拉延+切邊+沖孔;切邊+沖孔;側(cè)切+側(cè)沖孔翻孔+沖孔+整形;整形+沖孔。

  (1)拉延工序工藝方案的制定

  拉延工序是覆蓋件沖壓成形的關(guān)鍵工序,覆蓋件的大部分形狀是在此工序形成的,拉延成形的好壞將直接影響覆蓋件質(zhì)量。該工序一方面將成形出零件的大部分形狀,同時(shí)在拉延過程中還將對(duì)坯料進(jìn)行切角,減少落料模具,降低成本。結(jié)合零件的工藝性,在拉延工序中對(duì)零件的某些部分作如下處理:

  ◎在零件的a和b處可采取以下方式來消除破裂:第一方案,增大a和b處的相應(yīng)模具圓角,以減小材料流動(dòng)阻力,后工序再對(duì)相應(yīng)部分作整形;第二方案,利用在窗框的適當(dāng)部位沖切工藝切口的方法,使容易破裂的區(qū)域從相鄰區(qū)域里得到材料補(bǔ)充,從而改善該區(qū)域的變形情況,避免破裂的產(chǎn)生。

  ◎在零件的C處,為了避免一次拉延可能產(chǎn)生的缺陷,考慮作二次拉延,從而降低第一次拉延的難度,如圖2中的局部視圖F所示。

  拉延工序工藝的制定包括拉深方向的選擇、工藝補(bǔ)充和壓料面的設(shè)計(jì)等。選擇合理的拉延方向應(yīng)考慮以下原則:(1)保證能將拉延件的全部空間形狀一次拉出來,不產(chǎn)生負(fù)角;(2)盡量使拉深深度淺且均勻;(3)保證凸模有良好的接觸狀態(tài);(4)有利于防止表面缺陷;(5)同時(shí)要考慮后工序內(nèi)容和模具結(jié)構(gòu)。綜上所述,結(jié)合車門內(nèi)板本身特點(diǎn),拉延工序的沖壓方向如圖2所示。

  合理的壓料面形狀應(yīng)遵循以下幾個(gè)主要設(shè)計(jì)原則:(1)壓料面的形狀應(yīng)盡量簡單;(2)在拉延過程中壓料面任一斷面的展開長度要小于拉延件內(nèi)部相應(yīng)斷面的長度;(3)壓料面應(yīng)使成形深度小且各部分深度接近一致。結(jié)合本零件的特點(diǎn),壓料面沿零件四周的變化趨勢順延成曲面,如圖2所示。

  在進(jìn)行工藝補(bǔ)充時(shí),應(yīng)主要考慮以下幾個(gè)原則:(1)盡量簡化拉延件結(jié)構(gòu)形狀;(2)工藝補(bǔ)充部分盡量小,以提高材料利用率,降低成本;(3)對(duì)后工序有利原則,如定位、修邊等。根據(jù)以上原則,結(jié)合本零件的本身特點(diǎn),工藝補(bǔ)充簡圖如圖2所示。如局部視圖F所示,為了降低拉延的難度,避免拉延過程中產(chǎn)生缺陷,將如圖1的C部分分兩次成形。由于后工序全部有沖孔動(dòng)作,出于模具結(jié)構(gòu)簡單化的目的考慮,窗框型面部分采用向下整形,并保證合適的切邊角度,窗框型面部分的工藝補(bǔ)充如圖2的局部視圖I所示,并將側(cè)壁作了8°的拔模角,如局部視圖E所示。其余部分順著產(chǎn)品延伸出來。

圖2 拉延工序及工藝補(bǔ)充簡圖

  (2)其余工序工藝方案

  該覆蓋件部分孔和其他大部分孔的方向相差約10°,并且考慮到窗框型面弧度變化,第一工序和第二工序的沖壓方向相同,后工序沖壓方向與之相差10度,現(xiàn)將后工序進(jìn)行簡單介紹。

  工序二,二次拉延+切邊+沖孔,如圖3a所示,該工序?qū)θ鐖D1所示的C部分進(jìn)行二次拉延,局部區(qū)域進(jìn)行整形,切邊時(shí)考慮了窗框內(nèi)廢料較大,將其分三塊切掉,出于模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的原因本工序切出兩端的兩塊。

  工序三:切邊+沖孔,如圖3b所示,將余下全周進(jìn)行切邊,同時(shí)沖出部分孔。

  工序四:側(cè)切+側(cè)沖孔翻孔+沖孔+整形,如圖3c所示,窗框內(nèi)邊整形,側(cè)向門鎖安裝孔在此工序全部完成,如SECA-A所示,此部分內(nèi)容的完成也是模具結(jié)構(gòu)的難點(diǎn),采用雙動(dòng)斜楔機(jī)構(gòu)。

  工序五:整形+沖孔,如圖3d所示,全周法蘭邊整形,沖切余下孔,因?yàn)榱慵姆ㄌm邊要與外板進(jìn)行扣合,法蘭邊的平展度將直接影響扣合的質(zhì)量,故在此工序安排了法蘭邊全周的整形。

  二、基于DYNAFORM 的數(shù)值模擬技術(shù)

  在數(shù)值模擬過程中,模具、板料等各部件模型被離散化,分為有限個(gè)單元,單元用節(jié)點(diǎn)連接,單元之問的作用由節(jié)點(diǎn)傳遞,并根據(jù)彈塑性及相關(guān)理論建立物理方程,通過計(jì)算機(jī)按照特定算法,求解出各單元成形后的應(yīng)力及應(yīng)變等狀態(tài),然后建立計(jì)算結(jié)果的仿真模型,反映板料在成形后的拉裂、起皺等現(xiàn)象及應(yīng)力應(yīng)變等情況。

  在DYNAFORM的實(shí)際應(yīng)用中,計(jì)算結(jié)果的仿真模型是確定合理的工藝參數(shù),指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)的依據(jù)。因此,計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性是數(shù)值模擬技術(shù)的首要問題。而計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性主要是由有限元模型的準(zhǔn)確性決定的。有限元建模過程包括選擇適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格單元對(duì)幾何模型進(jìn)行離散化,以獲得有限元網(wǎng)格模型;以合理的方式獲得仿真分析中準(zhǔn)確的材料參數(shù)、摩擦潤滑參數(shù)、工藝條件和各種約束條件等,建立一個(gè)可直接用于仿真計(jì)算的完整有限元模型其中,有限元網(wǎng)格質(zhì)量是決定計(jì)算效率和計(jì)算精度的主要因素。網(wǎng)格單元小則結(jié)果精確,但單元數(shù)目越多計(jì)算量越大,浪費(fèi)計(jì)算時(shí)間;網(wǎng)格尺寸大則計(jì)算量小,但誤差較大,不能真實(shí)反映模型特征。在實(shí)際應(yīng)用中,根據(jù)模具與板料在數(shù)值模擬中的不同特點(diǎn),板料網(wǎng)格尺寸的大小應(yīng)在滿足精度要求的前提下盡量大,并盡可能采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分。

  三、車門內(nèi)板拉延數(shù)值模擬

  將各單元集分別定義為凹、凸模、板料和壓邊圈。設(shè)置好模具、板料和壓邊圈之間的相對(duì)位置,并定義它們之間的接觸類型、參數(shù)和運(yùn)動(dòng)曲線,設(shè)置必要的工藝參數(shù)。

  分析材料厚度為0.8mm,考慮到材料利用,坯料設(shè)計(jì)為平行四邊形,如圖2所示。材料選用材料庫中的St14,其彈性模量E=2.07×105MPa,泊松比為0.28,屈服強(qiáng)度σ=165MPa,各向異性指數(shù)r-0=1.87,各向異性指數(shù)r-45=1.27,各向異性指數(shù)r-90:2.17,硬化指數(shù)n=0.2,摩擦系數(shù)為0.125,壓邊力為80t。

  分析所得成形極限圖如圖5所示,由圖可以看出零件拉延成形比較充分,零件部分無明顯的起皺,但在窗框部分由于脹形成形深度較深而出現(xiàn)了破裂,即如圖1的a和b處,在生產(chǎn)中可通過增大模具相應(yīng)圓角和沖切工藝切口的方法來消除。在試模過程中,為了降低成本,應(yīng)優(yōu)先考慮方案一,即通過增大模具圓角來消除破裂。圖6為實(shí)際拉延成形的零件。

圖5 拉延成形極限圖

圖6實(shí)際拉延的零件

圖7 實(shí)際生產(chǎn)零件

  四、結(jié)束語

  本文的車門內(nèi)板是典型的汽車覆蓋件,用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真模擬,預(yù)測了拉延過程中可能出現(xiàn)的缺陷,為模具設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo),減少了模具試模次數(shù),有效降低了設(shè)計(jì)和制造成本,縮短了生產(chǎn)周期,所生產(chǎn)的制件質(zhì)量高,提高了企業(yè)的市場競爭力。圖7為按本工藝所生產(chǎn)的零件。