汽車(chē)鋁合金覆蓋件沖壓成型工藝設(shè)計(jì)研究

董洋洋 那芳芳

摘 要 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)科技的迅猛發(fā)展，人們的生活水平有了極大的提升，私家車(chē)占有率也有了大幅上漲。中國(guó)汽車(chē)工業(yè)作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱型產(chǎn)業(yè)，升級(jí)換代速度迅速，汽車(chē)生產(chǎn)所使用的材料、工藝技術(shù)和制造水平不斷向安全環(huán)保和節(jié)能的目標(biāo)發(fā)展。鋁合金車(chē)身的應(yīng)用在促進(jìn)汽車(chē)輕量化發(fā)展的同時(shí)對(duì)汽車(chē)鋁合金覆蓋件沖壓成型工藝的水平提出了更高的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞 汽車(chē)制造;鋁合金覆蓋件;沖壓成型工藝

1 汽車(chē)外覆蓋件沖壓成形有限元基本理論

汽車(chē)外覆蓋件在進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的過(guò)程中程序非常復(fù)雜，尤其在汽車(chē)覆蓋件拉伸延長(zhǎng)成形的環(huán)節(jié)板料變形復(fù)雜多樣，因此傳統(tǒng)的汽車(chē)外覆蓋件生產(chǎn)往往依靠技術(shù)人員的過(guò)往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)及模具外形開(kāi)發(fā)。隨著汽車(chē)制造行業(yè)的深入發(fā)展，鋁合金等輕質(zhì)材料的應(yīng)用對(duì)現(xiàn)代沖壓工藝的靈活性和精準(zhǔn)性有著更高的要求，需要通過(guò)技術(shù)不斷革新來(lái)提升沖壓工程和外覆蓋件成形控制的穩(wěn)定性。板料成形有限元理論的發(fā)展主要以彈塑性理論為基礎(chǔ)，充分考慮了在汽車(chē)外覆蓋件生產(chǎn)過(guò)程中彈性變形和塑性變形對(duì)板料最終成形的影響。彈塑性有限元法也是當(dāng)前汽車(chē)制造業(yè)中板料成形數(shù)值模擬的主要方法之一。在進(jìn)行鋁合金材料彈塑性數(shù)據(jù)分析時(shí)需要對(duì)材料的本構(gòu)關(guān)系式進(jìn)行分析和計(jì)算，不同特性材料的彈塑性本構(gòu)模型存在差異。對(duì)于汽車(chē)外覆蓋件板料而言，沖壓成型過(guò)程中出現(xiàn)的常規(guī)塑性變形和強(qiáng)化特征與等向強(qiáng)化模型存在很強(qiáng)的相似性，因此可以用于本構(gòu)模型的計(jì)算和建立。

2 車(chē)門(mén)外板沖壓工藝性分析

在汽車(chē)生產(chǎn)制造過(guò)程中車(chē)門(mén)外板是重要的外覆蓋件之一，對(duì)車(chē)門(mén)外板的合理設(shè)計(jì)能夠有效提升美觀性，對(duì)內(nèi)板件進(jìn)行封閉和保護(hù)。首先在設(shè)計(jì)制造車(chē)門(mén)外板覆蓋件的時(shí)候需要注意，由于外板的主要目的并不是承載重量，因此與其他沖壓件在設(shè)計(jì)上存在區(qū)別，出于最終縮減汽車(chē)整體質(zhì)量的目的，在一定程度上會(huì)縮減車(chē)門(mén)外板的質(zhì)量。因此，車(chē)門(mén)外板屬于薄板類(lèi)成形，不僅板料厚度較低。而且汽車(chē)外覆蓋件需要大面積的包裹車(chē)身，屬于外形主要構(gòu)件，因此外覆蓋件的輪廓和尺寸都要比普通車(chē)用沖壓件大很多。在進(jìn)行汽車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)，出于美觀度和降低阻力的設(shè)計(jì)目的，一般多采用流線型設(shè)計(jì)和自由曲面設(shè)計(jì)，曲面之間存在著較大的曲率變化。

車(chē)門(mén)外板與內(nèi)板包邊緊密結(jié)合在一起，起到一定的保護(hù)作用。車(chē)門(mén)外板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要表現(xiàn)為以下四點(diǎn)，第一，車(chē)門(mén)外板的整體零件尺寸較大。第二，車(chē)門(mén)外板覆蓋件本身并不具有對(duì)稱(chēng)性，不同區(qū)域的曲面存在較大的曲率變化。一般設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)在車(chē)門(mén)兩側(cè)設(shè)置棱線并向下凹陷，因此在板件生產(chǎn)拉延成形環(huán)節(jié)很容易出現(xiàn)開(kāi)裂，需要在生產(chǎn)加工的過(guò)程中多加注意。第三、在車(chē)門(mén)把手的安裝區(qū)域設(shè)定有球狀凹陷，對(duì)板料拉延成形造成了一定的困難，容易出現(xiàn)因板料拉伸程度過(guò)大而導(dǎo)致的開(kāi)裂問(wèn)題，因此，需要對(duì)板件的拉延系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。最后車(chē)門(mén)板件作為外覆蓋件需要做好包邊區(qū)域的精度控制。在進(jìn)行車(chē)門(mén)外板工藝設(shè)計(jì)之前需要設(shè)計(jì)人員充分結(jié)合汽車(chē)輕量化生產(chǎn)需求對(duì)零件外形進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此來(lái)有效提高車(chē)門(mén)板件的美觀性。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還需要結(jié)合過(guò)往經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)車(chē)門(mén)板料片的成形和變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，并給予相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化，在實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)，還可以有效提高車(chē)門(mén)外板沖壓工藝性。

3 基于數(shù)值模擬的車(chē)門(mén)外板拉延工藝設(shè)計(jì)

車(chē)門(mén)外板的拉延工藝對(duì)于汽車(chē)整體工藝設(shè)計(jì)而言有著非常重要的影響，可以說(shuō)是后續(xù)工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。對(duì)車(chē)門(mén)外板覆蓋件最終成形質(zhì)量造成影響的主要因素就是拉延工藝的工序問(wèn)題，成品沖壓件的產(chǎn)品缺陷和隱患也大多來(lái)自于拉延工序。比如車(chē)門(mén)外板起皺就是由于拉延環(huán)節(jié)設(shè)置的參數(shù)過(guò)小，板料流入速度過(guò)快從而導(dǎo)致的沖壓件表面有褶皺。這就要求相關(guān)設(shè)計(jì)人員不斷加強(qiáng)對(duì)拉延工序的工藝設(shè)計(jì)的研究并在實(shí)踐中不斷優(yōu)化工藝參數(shù)，為后續(xù)外覆蓋件的生產(chǎn)工序打好基礎(chǔ)。由于汽車(chē)外觀件大部分以曲面的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此形狀存在一定的復(fù)雜性，再加上結(jié)構(gòu)尺寸大相對(duì)厚度小，因此在拉延生產(chǎn)過(guò)程中存在很大的困難。在進(jìn)行車(chē)門(mén)外板拉延工藝時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)局部成型區(qū)域，但在拉延成形環(huán)節(jié)板料只能與模具的局部進(jìn)行接觸一直到成形結(jié)束，這個(gè)過(guò)程存在著復(fù)雜的力學(xué)變化，因此板料的各處變形也存在一定的復(fù)雜性，如果不能對(duì)應(yīng)力進(jìn)行科學(xué)控制很容易使車(chē)門(mén)板件出現(xiàn)起皺開(kāi)裂等問(wèn)題。現(xiàn)代化的汽車(chē)外覆蓋件生產(chǎn)過(guò)程中逐漸將數(shù)值模擬應(yīng)用于車(chē)門(mén)外板件拉延工藝設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員在制定沖壓工藝之前會(huì)事先利用有限元軟件對(duì)板件的拉延成形和沖壓過(guò)程進(jìn)行模擬，從而對(duì)零件在塑性成形過(guò)程中可能存在的缺陷和問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)模擬的最終結(jié)果對(duì)工藝工序不斷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。將數(shù)值模擬應(yīng)用于車(chē)門(mén)外觀件工藝設(shè)計(jì)生產(chǎn)中能夠有效減少后續(xù)的修模工作，提升模具的開(kāi)發(fā)效率，有效縮短汽車(chē)外覆蓋件的開(kāi)發(fā)周期，提升汽車(chē)制造企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。當(dāng)前國(guó)內(nèi)汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)在進(jìn)行板料拉延成形生產(chǎn)分析的過(guò)程中使用率最高的分析軟件是AutoForm，該軟件能夠科學(xué)有效地提升工藝補(bǔ)充面的自動(dòng)設(shè)計(jì)效率，并且具有精準(zhǔn)成型模擬的運(yùn)行功能，能夠?qū)_壓方向，工藝補(bǔ)充和拉延筋等關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素進(jìn)行有效的數(shù)值模擬，因此在計(jì)算速率和算法上具有很強(qiáng)的應(yīng)用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，節(jié)能減排目標(biāo)對(duì)汽車(chē)制造業(yè)的影響也逐漸提升，通過(guò)汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)能夠有效降低車(chē)輛整體能耗。鋁合金等輕質(zhì)材料的應(yīng)用是當(dāng)前汽車(chē)制造行業(yè)實(shí)現(xiàn)輕量化的主要途徑，這就對(duì)現(xiàn)有的覆蓋件沖壓成型工藝提出了更高的要求。由于汽車(chē)鋁合金覆蓋件的生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，因此需要技術(shù)人員加強(qiáng)車(chē)身結(jié)構(gòu)輕量化研究，盡可能提升鋁合金的使用效率。

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