前圍上蓋板沖壓成形工藝設(shè)計

文/張衛(wèi)東，劉揚，張寧·北京汽車動力總成有限公司

前圍上蓋板沖壓成形工藝設(shè)計

文/張衛(wèi)東，劉揚，張寧·北京汽車動力總成有限公司

本文以某汽車車型的前圍上蓋板為研究對象，運用CAD三維造型軟件以及CAE有限元分析軟件，對其成形過程進行了工藝設(shè)計及數(shù)值模擬。其中，利用CAE軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的沖壓件尺寸展開方法，快速準(zhǔn)確地求出毛坯形狀尺寸；討論了工藝補充面的形狀與拉延筋的布置等工藝參數(shù)對成形過程的影響，并對其進行了優(yōu)化。針對覆蓋件在拉深過程中產(chǎn)生的起皺與開裂等成形質(zhì)量問題，分析其產(chǎn)生原因并提出了工藝優(yōu)化方案，利用有限元分析軟件進行數(shù)值模擬，驗證了方案的可行性與合理性。

隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，汽車工業(yè)已經(jīng)成為包括我國在內(nèi)的很多國家的支柱產(chǎn)業(yè)。汽車工業(yè)生產(chǎn)水平是衡量一個國家技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。近些年，國內(nèi)外的大型汽車制造企業(yè)都把汽車車身的設(shè)計和制造能力作為衡量汽車車型開發(fā)水平的重要標(biāo)志。其中，車身零件主要為大型覆蓋件。汽車覆蓋件沖壓成形質(zhì)量的好壞決定了各部件的裝配，從而影響到整車的質(zhì)量。如何實現(xiàn)快速、低成本、高質(zhì)量的制造成為汽車生產(chǎn)的關(guān)鍵問題之一。

本文基于CAD/CAE技術(shù)，對某汽車車型的前圍上蓋板進行沖壓工藝設(shè)計，采用CAD系統(tǒng)建立幾何模型，添加工藝補充面，然后采用CAE分析軟件進行仿真模擬，并不斷優(yōu)化工藝參數(shù)，使零件滿足形狀與質(zhì)量要求，兼具較好的經(jīng)濟性。

沖壓工藝分析

結(jié)構(gòu)分析

本文研究的前圍上蓋板零件屬于內(nèi)覆蓋件，是發(fā)動機艙與車廂之間的隔板。零件厚度為0.8mm，最長處長度為1052mm，中央寬度為155mm，尺寸較大，且左右基本對稱，因此采用最常見的單件拉深成形。該零件深度較淺，表面有局部凸臺、空間曲面及孔洞。零件形狀如圖1所示。該覆蓋件材料為SPCC，廣泛應(yīng)用于汽車制造、電氣產(chǎn)品、機車車輛、航空航天、精密儀表等領(lǐng)域，其特點為價格低廉和塑性加工性能好。

圖1 零件數(shù)模

工藝分析

從零件結(jié)構(gòu)分析中可以看出，該零件有大而淺的特點，且表面有形狀大小不等的多個孔。零件全工序生產(chǎn)需要下料、拉深、修邊、沖孔這幾道工序。

覆蓋件的成形質(zhì)量，關(guān)鍵在于拉深工序的工藝性，為了能較好地完成拉深工序的成形，通常需要將翻邊展開、孔洞填滿、增設(shè)合理的工藝補充面及壓料面。此外，為了優(yōu)化拉深條件，還需要合理設(shè)計毛坯尺寸形狀、確定合理的沖壓方向、設(shè)計拉延筋等。

有限元建模

將已在CAD三維造型軟件中建立好的數(shù)模，導(dǎo)入到CAE分析軟件前處理器中，接著對模型進行工具網(wǎng)格劃分。具體采用剛體材料模型，由于零件采用的是矩形毛坯，因此坯料網(wǎng)格單元均為矩形單元，而在復(fù)雜曲面處采用大量的三角形單元，以更精確地反映其幾何形狀，并使模具的網(wǎng)格尺寸接近坯料網(wǎng)格的尺寸，使接觸力的分布更精確。工具網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 工具網(wǎng)格圖

參數(shù)設(shè)置

本零件采用單動拉深模進行拉深，其工作原理為：毛坯在壓邊圈上方，凹模下行，毛坯在壓邊圈和凹模壓邊部分的作用下被壓?。话寄＠^續(xù)下行，當(dāng)毛坯和凸模接觸時，開始拉深成形過程；當(dāng)凸凹模合模時，拉深過程結(jié)束。模具與坯料的空間位置如圖3所示。模具閉合速度設(shè)置為2000mm/s，虛擬沖壓速度設(shè)置為5000mm/s，坯料與模具間的摩擦系數(shù)選為0.125。

圖3 模具與坯料的空間位置

數(shù)值模擬結(jié)果與工藝優(yōu)化

優(yōu)化工藝補充面

（1）交流輸入，無備電：采取就近接入市電的直接供電方式。這種方式最簡單，適合對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求不高，同時信號源為交流輸入的場景。

通過模擬計算，數(shù)模修改前成形極限圖，如圖4所示。中間大部分未變形，且有起皺的現(xiàn)象；兩端圓角處的危險區(qū)域開裂，下部出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。材料厚度變化，如圖5所示。兩端圓角處減薄至約0.06mm，已超過破裂臨界值，發(fā)生了開裂。

根據(jù)模擬結(jié)果，針對兩處危險區(qū)修改工藝補充面，具體修改為以下三點：

⑴由于開裂處為工藝補充面，該處是開裂的危險區(qū)域，坯料進料困難，考慮將工藝補充面中尖角部分修改為平面，使該處局部應(yīng)力變小，降低破裂風(fēng)險。開裂處工藝補充面修改前后對比，如圖6所示。

圖4 數(shù)模修改前成形極限圖

圖5 數(shù)模修改前材料厚度變化圖

圖6 開裂處工藝補充面修改前后對比

⑵將凸模圓角半徑從5mm變?yōu)?mm，使曲率變緩，材料更容易流動，減少拉裂的風(fēng)險。

⑶下部起皺處也為工藝補充面，該處是一個凹形曲面，深度太淺，需要的材料很少，而進料阻力小，進料快，因此導(dǎo)致了起皺的現(xiàn)象?？紤]修改工藝補充面，將該處凹形曲面抬高，使該處深度變深，減少起皺的現(xiàn)象。開裂處工藝補充面修改前后對比，如圖7所示。

圖7 下部起皺處工藝補充面的修改

圖8 數(shù)模修改后成形極限圖

圖9 數(shù)模修改后材料厚度變化圖

通過兩次模擬結(jié)果的對比，可以看出修改工藝補充面有效地改善了危險區(qū)域的破裂風(fēng)險，同時減輕了下部起皺的現(xiàn)象。

設(shè)置拉延筋

在未設(shè)置拉延筋的拉深成形中，上部及兩側(cè)凹形區(qū)域被拉進的材料過剩，出現(xiàn)料多導(dǎo)致的起皺現(xiàn)象，同時零件中間大部分未能較好的發(fā)生塑性變形，如圖8所示。為了解決這些問題，需要在起皺和未變形的位置增設(shè)拉延筋。

本零件的有限元模擬采用等效拉延筋。通過模擬分析，如周圈全部設(shè)置壓延筋，側(cè)面有拉裂的現(xiàn)象。側(cè)面尖角處和凸模圓角處為危險區(qū)域，添加拉延筋后，增大了進料阻力，則會在危險區(qū)域出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。綜合考慮后，決定僅在零件上下添加拉延筋，目的是使中間未變形區(qū)域成形。去掉圓角處的拉延筋，將上下兩端處的拉延筋縮短，最終拉延筋布置如圖10所示。拉延筋共分八段，設(shè)定后各段的阻力分別：a段為150N，b段為190N，c段為160N，d段為190N，e段為150N，f段為80N，g段為100N，h段為80N。

圖10 拉延筋的布置

經(jīng)過模擬，最終的成形極限圖如圖11所示。兩側(cè)的危險區(qū)域已無破裂的現(xiàn)象，成形效果良好，局部有起皺傾向以及有破裂傾向的部位均為工藝補充面，在后續(xù)的加工工序中會修切掉。零件部分絕大部分已經(jīng)充分成形。因此該拉延筋的位置與阻力為最終的設(shè)計結(jié)果。至此通過CAE分析軟件完成了對覆蓋件的成形模擬分析以及對工藝補充面和拉延筋布置等工藝參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整。

圖11 最終的成形極限圖

結(jié)束語

本文通過對某汽車車型的前圍上蓋板進行工藝設(shè)計及模擬優(yōu)化，提出了工藝補充面、拉延筋設(shè)置、壓邊力以及坯料尺寸形狀等參數(shù)的優(yōu)化方案，并利用CAD三維造型軟件以及CAE有限元分析軟件進行模擬分析，驗證了該方案的合理性。分析了覆蓋件在拉深成形的過程中發(fā)生起皺或開裂現(xiàn)象的原因，并提出了解決辦法，為實際模具生產(chǎn)及調(diào)試提供了依據(jù)。通過本研究得出以下幾點結(jié)論：⑴凸模圓角處為有可能開裂的“危險區(qū)域”，增大凸模圓角后，可以有效減小坯料的流動阻力，降低開裂的風(fēng)險。⑵由于覆蓋件多為大中型零件，形狀復(fù)雜，且在拉深成形過程中，會出現(xiàn)大面積減薄的現(xiàn)象，無法用傳統(tǒng)的沖壓件尺寸展開方法計算坯料的大小。運用先進的CAE有限元分析軟件中的一步法逆向求解器，可以快速準(zhǔn)確地求出毛坯尺寸形狀。⑶拉延筋的設(shè)置對于覆蓋件拉深成形起著非常重要的作用。通過合理地設(shè)置拉延筋的長度、位置以及產(chǎn)生的阻力大小，可以使覆蓋件各處坯料流動阻力趨于一致，大大提高了成形質(zhì)量。