淺談拼焊板的成形工藝分析及調(diào)試方案

文/趙彥博，李曉超，齊康寧·長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心

在保證沖壓件強(qiáng)度以及汽車行駛中的安全性、舒適性的過(guò)程中，拼焊板技術(shù)在汽車行業(yè)中以其降低成本、減輕車重和環(huán)保等諸多優(yōu)勢(shì)而得到了廣泛的應(yīng)用。但是，隨著拼焊板技術(shù)的應(yīng)用，也隨之產(chǎn)生了各種技術(shù)上的疑難問(wèn)題，其中，拼焊板回彈問(wèn)題成為拼焊技術(shù)上最為難以解決的問(wèn)題之一。拼焊板的回彈，不僅來(lái)自板料本身應(yīng)力釋放的回彈，也來(lái)自因?yàn)槠春赴宓膹?qiáng)度、拉伸性、薄厚度存在差異而產(chǎn)生的回彈，而往往這種回彈分析以及控制都是非常困難的。

回彈簡(jiǎn)介

在板料沖壓成形過(guò)程中，由于板料在成形過(guò)程中存在彈性、塑性變形，所以回彈是不可避免的現(xiàn)象，完成沖壓成形以后，板件彈性變形的恢復(fù)現(xiàn)象，這就是所謂的回彈，彈性變形的恢復(fù)量即為回彈量，當(dāng)回彈量超過(guò)檢測(cè)要求的公差范圍，這就有可能影響整車的裝配以及焊裝線體的焊接性能，因此，消除沖壓件的回彈就顯得十分重要，以U形件來(lái)舉例說(shuō)明（如圖1所示）。

與一般傳統(tǒng)模具相比，關(guān)于拼焊板模具的主要差異在于壓邊圈以及凹模需要區(qū)分薄厚板之間的落差以及成形后的拼焊縫位移量，本文以薄厚板落差反映在凹模上為例進(jìn)行論證，圖2為拼焊板成形過(guò)程示意圖。

圖1 U形件回彈示意圖

圖2 拼焊板成形過(guò)程示意圖

拼焊板成形實(shí)際案例

結(jié)合實(shí)際工作中沖壓模具調(diào)試生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)某一拼焊板制件進(jìn)行重點(diǎn)介紹，該零件的材質(zhì)為DX54D，外形尺寸為1510mm×395mm×125mm，型面曲率較大，造型復(fù)雜（如圖3所示），此件由4工序?qū)崿F(xiàn)，即OP10 ：DR(拉伸)，OP20：TR+PI(修邊+沖孔)，OP30：RST（整形），OP40：CPI+CTR+PI（側(cè)沖孔+側(cè)修邊+沖孔），根據(jù)機(jī)床設(shè)備參數(shù)要求，制件工藝采用的是雙動(dòng)拉延工藝。

圖3 產(chǎn)品尺寸示意圖

如圖4所示，紅色線為拼焊縫位置，兩側(cè)為厚板，料厚t=1.0mm，中間為薄板區(qū)，料厚t=0.7mm。

圖4 板料尺寸示意圖

初始工藝

由于制件造型復(fù)雜，無(wú)法采用一次修邊沖孔，并且需要側(cè)修邊、側(cè)沖孔機(jī)構(gòu)，因此分為兩序沖裁，為保證修邊沖孔精度，將沖孔序安排在整形序之后；將壓料面做隨形過(guò)渡處理，對(duì)其工藝補(bǔ)充適當(dāng)?shù)膱A角以及光順處理，保證拉深過(guò)程中板料的平緩均勻進(jìn)料，完成后的OP10工藝數(shù)模如圖5所示。

圖5 OP10工藝數(shù)模示意圖

成形過(guò)程

制件成形過(guò)程中，一般需要采用拉延筋或者拉延坎調(diào)節(jié)材料的流入量以及流入方向。CAE采用等效拉延筋的方式進(jìn)行分析（見圖6，圖7，圖8），根據(jù)分析結(jié)果，再做一些針對(duì)性調(diào)整。

圖6 CAE分析工具體示意圖

圖7 成形過(guò)程中截面示意圖

圖8 等效拉延筋示意圖

工藝分析結(jié)果

綜合考慮全工序排布要求，在沖孔及修邊角度的嚴(yán)格約束條件下，制件成形的最大拉延深度為125mm，對(duì)應(yīng)位置的拔模角度為5°，而恰巧的是，最大拉延深度的位置正好就是拼焊板對(duì)接的位置，也正是回彈最嚴(yán)重的區(qū)域，工藝分析回彈量3mm左右，圖9為CAE分析結(jié)果。

圖9 成形后回彈趨勢(shì)示意圖

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

一般汽車覆蓋件調(diào)試的主要問(wèn)題是開裂、起皺和回彈，因?yàn)樯婕暗降幕貜椦a(bǔ)償量很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，所以回彈的調(diào)試也是模具調(diào)試的重點(diǎn)和難點(diǎn)，下面針對(duì)模具調(diào)試過(guò)程中的主要問(wèn)題進(jìn)行逐一剖析。

拼焊縫開裂

在拉延工序影響開裂的因素有很多種，包括頂桿頂出高度、模具光潔度、拉延筋高度、板料材質(zhì)、拉深深度、成形R角大小、壓邊圈的壓力等等。但是，對(duì)于拼焊縫位置的開裂還需要考慮拼焊板薄厚板間的相對(duì)進(jìn)料速度。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中，凹模口位置的拼焊縫開裂為其中一個(gè)典型問(wèn)題，圖10所示為制件對(duì)應(yīng)開裂位置減薄率示意圖，最大值為0.205。

通過(guò)反復(fù)調(diào)試得出，將薄板的寬度加大可以減小拼焊縫起始部位的開裂情況；反之，板料越小，開裂越嚴(yán)重；通過(guò)CAE分析可以發(fā)現(xiàn)，板料加大的情況下，拼焊縫起始點(diǎn)距離產(chǎn)生次應(yīng)變集聚的位置越遠(yuǎn)，受到的橫向次應(yīng)力愈小，開裂消除，見圖11。

凹模口位置主要通過(guò)加大凹模口R角，減少板件成形過(guò)程中的成形阻力，達(dá)到消除開裂的目的。

圖10 開裂位置減薄率示意圖

圖11 整改前后效果對(duì)比示意圖

側(cè)壁內(nèi)凹

制件OP10成形后側(cè)壁內(nèi)凹就已經(jīng)產(chǎn)生，內(nèi)凹量最大位置為3mm，見圖12。

圖12 內(nèi)凹示意圖

經(jīng)過(guò)多輪調(diào)試，將壓料面及凸凹模間隙反復(fù)研合，研合率達(dá)到95%以上，側(cè)壁內(nèi)凹問(wèn)題仍未得到有效解決。

通過(guò)CAE回彈分析，查看回彈效果，回彈后制件狀態(tài)與工具體的比較，能明顯的表現(xiàn)出側(cè)壁的內(nèi)凹狀態(tài)，且回彈數(shù)值基本與實(shí)際制件檢測(cè)數(shù)值接近，見圖13。

圖13 CAE分析回彈數(shù)據(jù)以及與工具體對(duì)比示意圖

工藝信息：制件側(cè)面的拔模角度為5°，拉伸深度為125mm，制件側(cè)壁造型加強(qiáng)筋高度1mm，在拉延工序成形到位。

⑴查看板料成形過(guò)程中的走料過(guò)程發(fā)現(xiàn)，板料從起始接觸點(diǎn)走料開始，一直到凹模口R角接觸，相當(dāng)于經(jīng)凹模口R角的板料呈現(xiàn)“弧形”，變形板件在完成塑性變形以后的回彈仍有應(yīng)力集中在板料的走料位置中無(wú)法釋放出來(lái)，造成板件的翹曲回彈。

⑵通過(guò)對(duì)成形過(guò)程中產(chǎn)生的塑性變形程度進(jìn)行控制，塑性變形性越大，其剛性越好。

結(jié)合上述分析結(jié)論，更改接觸點(diǎn)位置的凹模口R角，由原來(lái)的單一R角改變成臺(tái)階式的兩個(gè)R角組成的凹模口形式，如圖14所示。

圖14 更改方案截面圖

這樣更改的主要目的基于以下方面考慮：

⑴板料經(jīng)過(guò)凹模口圓弧角時(shí)的“滾”料，變成由兩個(gè)R角組成的“折線式”進(jìn)料，來(lái)達(dá)到減緩翹曲的目的，如圖15所示。

圖15 板料凹模口接觸點(diǎn)位置變更示意圖

⑵更改后的凹模口弧線長(zhǎng)度比原始的弧線長(zhǎng)度延長(zhǎng)了3mm，增大了制件的塑性變形量。

具體實(shí)施方案為：分模線往外移8mm；凸模更改位置開槽，增加鑲塊，鑲塊與模具之間過(guò)盈配合，采用螺釘緊固的方式固定在凸模上；凹模直接加工到位；壓邊圈直接加工到位；后工序做符型處理。模具加工效果如圖16所示。

圖16 模具結(jié)構(gòu)實(shí)施效果示意圖

完成此方案整改，側(cè)壁內(nèi)凹現(xiàn)象基本消除，效果圖如圖17所示。

圖17 整改完成后效果示意圖

制件回彈補(bǔ)償

根據(jù)歷年來(lái)的工作經(jīng)驗(yàn)，一般分為兩個(gè)階段制作回彈補(bǔ)償：

⑴模具初次加工的回彈補(bǔ)償量。

模具的初次加工補(bǔ)償量主要是通過(guò)CAE分析趨勢(shì)，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定補(bǔ)償量和補(bǔ)償方向的。

初始工藝分析，制件側(cè)壁是正回彈，基本同現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)相同，所以初始對(duì)側(cè)面做了1°的回彈補(bǔ)償，同時(shí)根據(jù)分析結(jié)果中產(chǎn)生翹曲位置，進(jìn)行反翹曲補(bǔ)償，但是，這樣的更改量有限，無(wú)法改善制件成形后嚴(yán)重的翹曲問(wèn)題。

模具增加臺(tái)階以后，制件呈負(fù)回彈趨勢(shì)，同分析結(jié)果有差異，這樣就需要查看制件完全修完邊以后應(yīng)力釋放最終的回彈量，這就涉及到整改的回彈補(bǔ)償量。

⑵整改過(guò)程中的回彈補(bǔ)償量。

整改過(guò)程中的回彈補(bǔ)償量主要受板件材質(zhì)、制件成形穩(wěn)定性、數(shù)控的加工精度、鉗工的研合情況等多方面因素影響。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，制件的回彈補(bǔ)償更改量一般比實(shí)際測(cè)量值大20%～30%，補(bǔ)償量沒(méi)有具體的規(guī)律，需要通過(guò)針對(duì)制件整改過(guò)程中的總結(jié)進(jìn)行補(bǔ)償。

經(jīng)過(guò)歷次整改，制件最終合格率達(dá)到要求，且在整車匹配上無(wú)問(wèn)題，圖18為單件符檢時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)示意圖。

圖18 整改完成后檢測(cè)數(shù)值示意圖

結(jié)束語(yǔ)

綜合來(lái)說(shuō)，在制件設(shè)計(jì)和模具開發(fā)階段結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)累積經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)制件制作回彈補(bǔ)償，這種方式是當(dāng)下模具設(shè)計(jì)與制造中通用的回彈補(bǔ)償方案。一般廠家采用分析回彈的軟件基本是Autoform、Dynaform和PAM這三種。

在模具調(diào)試階段，需要嚴(yán)格按照工藝分析的指導(dǎo)來(lái)試模，這樣才能與CAE分析結(jié)果相接近，便于設(shè)計(jì)人員收集數(shù)據(jù)和后期的改進(jìn)工作、積累經(jīng)驗(yàn)；經(jīng)過(guò)如此往復(fù)的反饋、積累，制件的設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)間才會(huì)漸漸縮短。

制件回彈對(duì)于汽車沖壓制件來(lái)說(shuō)是較難解決的問(wèn)題，目前還沒(méi)有一個(gè)完美的方法根治沖壓制件回彈，需要針對(duì)沖壓制件回彈問(wèn)題進(jìn)一步的深入研究。