汽車沖壓件拉延成形力影響因素分析

黃 林，張穩定

（安徽江淮汽車集團股份有限公司 技術中心，安徽 合肥 230601）

隨著汽車更新換代的節奏不斷加快，汽車沖壓零件的開發周期以及成本也在不斷的受到壓縮。因此，利用仿真模擬技術提前在數據階段識別沖壓零件的成形風險，對零件開發成本進行預估及優化，已成為各汽車廠商的必要手段。

板件成形模擬技術可在軟件上通過設置不同的參數，如板料材質、料厚，拉延筋大小，坯料形狀、大小，拉延補充面形狀以及摩擦系數等等，分析得出不同條件下零件拉延所需成形力大小，提供成形力優化的方向，以達到減小生產機床噸位、節約生產成本的目的。

圖1 B車型成形序件

下面以汽車整體式天窗加強框為例，因其整體結構較大、零件型面特征較復雜，是所有乘用車車型除了車身外覆蓋件外單件所用生產機床噸位最大的零件之一。通過Autoform軟件模擬了幾種不同條件下的天窗加強框所需成形力的改變，分別從板料材質、厚度、坯料形狀、零件特征、R角、分模線、拉延行程、拉延符型面等方面分別分析了對成形力的影響。以下分析對比均在同一個前提下進行，即對軟件默認的參數重新設置：①網格單元采用殼單元；②網格大小細分；③時間步距細分，使得分析結果更接近實際生產狀態。

1 現狀

根據某幾個車型CAE模擬分析及實際生產使用壓機噸位統計，大中型乘用車整體式全景天窗加強框拉延成形力均較大，拉延序生產壓力機噸位基本需要在1000t以上，甚至接近2000t壓力機，沖次成本較高。基于此，通過分析軟件對影響該件的成形力的因素進行模擬對比，提出優化方向，使得生產機床噸位最優化。表1、表2、圖3分別為幾個車型該零件基本信息、理論成形力與實際成形力的對比及B車型成形序半成品件。

2 影響因素

2.1 零件自身

2.1.1 零件材質及料厚對成形力的影響

以B車型的天窗加強框零件為模型，在相同工藝補充面和工藝參數的下分別分析1.6mm料厚DC03、B280VK兩種材質及 B280VK材質 1.4mm、1.6mm兩種料厚等四種工藝信息的成形力變化。從表3和圖2、3、4可看出，成形力與材料的抗拉強度增量呈線性相關，零件的厚度增加成形力同樣呈線性增長，其增幅甚至比材質的改變更加顯著。

表1 各車型全景天窗加強框零件基本信息

表2 各車型全景天窗加強框理論成形力與實際成形力對比

圖2 DC03 1.6mm零件分析結果

2.1.2 零件局部特征R角對成形力的影響

圖3 B280VK 1.6mm零件分析結果

以B車型的天窗加強框零件為模型，材質為B340LA，對產品局部R角進行放大，并做放大前后成形力對比。分別對圖示幾個特征及同類特征造型的R角進行了1mm到3mm不等程度的放大處理，見圖5。分析結果顯示，放大R角后的零件模型所需成形力下降約650kN，因此可得出，局部R角的改變對成形力有一定的影響作用。但零件兩側的法蘭面根部R角增大后，法蘭面的回彈可能會增大，增加零件調試的難度。具體的回彈數值需要根據零件詳細分析。如回彈量較小，可在模擬分析階段做適當的回彈補償來解決。

2.1.3 零件結構復雜程度對成形力的影響

根據模擬分析經驗，零件型面特征越復雜其所需成形力亦越大，反之則成形力越小。但零件的型面特征由產品結構設計需要決定，更改變動較大，所涉及的分析確認內容較多，在本文中未對零件自身的型面特征進行大的變更分析（R角變更除外）。

表3 材質料厚變化對成形力的影響

圖4 B280VK 1.4mm零件分析結果

2.2 工藝設計

2.2.1 坯料形狀對成形力的影響

以B車型的天窗加強框零件為模型，分別采用方料直接成形（方料中間的補充面無造型，僅有零件隨型弧度）和先落料后成形等兩種方案分析。經分析得出，落料后再成形的方案理論成形力比方料成形力小約520kN，但其理論壓邊力比前者大1770kN（見表4），由此可推斷，該件落料與否對成形力的影響較小。

圖5 R角變化區域

表4 料片形狀對成形力的影響

2.2.2 拉延分模線位置對成形力的影響

以B車型的天窗加強框零件為模型，分別用零件的法蘭面作為壓料面和零件的法蘭面放凸模上兩種分模形式做分析。經分析得出，法蘭面做壓料面的理論成形力要小約2200kN（見表5）。主要因為此方案可降低拉延深度和拉延過程的做功，且可以減小坯料面積，降低壓料面積和研配面積，從而降低壓邊力需求和凸模成形力。但零件法蘭面做壓料面的方案后期零件實物法蘭面的回彈缺陷較難控制，增加調試難度。在零件材質屈服強度較低、沖壓件精度比較容易保證的情況下可考慮該工藝方案。

2.2.3 符型面對成形力的影響

以A車型的天窗加強框零件為例，CAE分析模面中，對非關鍵面做避空處理，其理論成形力下降約1000kN，對成形力降低效果明顯（見表6）。在后期實物調試中，因非關鍵面避空后可能對零件造成成形不充分等缺陷，在模具制造調試時，需對關鍵R角和關鍵面做強壓處理，確保零件質量。

表5 分模線對成形力的影響

表6 符型面對成形力的影響

2.2.4 拉延到底距離對成形力的影響

模擬分析顯示，成形力在產品成形到底前1mm時快速上升（見表7、圖6），屈服強度較低的材質的產品其回彈量較小，OP10拉延不到底（0.2mm以內）對產品精度和一致性影響不大，在調試時可控性較高，因此可考慮在此情況下適當減少拉延行程。如若產品材質屈服強度較大，此時拉延不到底對產品的回彈影響較大，且零件的一致性差，靠后期調試難以現場解決，此情況下不建議該方案。

2.2.5 模具光潔度及研合率對成形力的影響

表7 到底距離對成形力的影響

圖6 B車型成形力曲線圖

根據實物調試經驗，模具的研合率良好對成形力降低有一定改善。研合率對成形力的影響只能在模具調試階段進行驗證，目前改善程度無具體數據。現場可在調試階段查看模具研合率，確認模具無強壓、零件壓傷等問題。

3 結論

綜上所述，優化成形力需要從零件本身屬性、結構以及工藝設計兩方面著手，主要改善點在以下幾個方面，其中部分方案對制件質量有一定影響，需綜合考慮：

（1）材質、料厚的改變對成形力影響較大，屈服強度低、料厚薄的材料所需成形力相對較小。材質料厚的更改涉及整車結構性能以及材料成本核算，需在滿足其他相關要求，綜合考慮材料成本及生產成本情況下做出選擇。

（2）在零件精度可控的情況下，盡可能放大零件局部特征的R角，降低成形力。

（3）零件結構復雜程度取決于產品設計的需要，因此該影響因素基本不可改變。

（4）是否先落料后成形對成形力影響有限，且增加模具的工裝開發成本，需綜合比較后確定。

（5）在零件材質屈服強度較低、保證零件精度的情況下考慮將天窗加強框兩側與頂蓋搭接的法蘭面作為壓料面，盡可能降低成形力。

（6）根據產品輸入的關鍵安裝面、配合面及精度要求，對零件非關鍵面做避空處理，但避空處非關鍵面面差可能存在不穩定的情況，不能影響零件的裝配。

（7）對于屈服強度較低的材質可以考慮適當減少拉延行程（0.2mm以內）來降低成形力需求，前提是保證零件的整體精度可控。

（8）現場調試階段對模具的研合率按照面差要求分等級處理，模具進行徹底清根處理，盡量減少摩擦阻力系數。