防撞梁內(nèi)高壓成形工藝設(shè)計(jì)及CAE 分析

文／黃頂社，徐迎強(qiáng)，趙烈偉，崔禮春·安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司

防撞梁為管狀件，斷面形狀復(fù)雜，需內(nèi)高壓成形。內(nèi)高壓成形件工藝路線為：下料→彎管→預(yù)成形→內(nèi)高壓成形→激光切割。如何選擇合適的坯料管徑和彎管半徑，合理的端頭及過(guò)渡段設(shè)計(jì)最大化提高材料利用率，合理的預(yù)成形和內(nèi)高壓成形分模分型面設(shè)計(jì)保證模具強(qiáng)度和避免咬邊現(xiàn)象等是工藝設(shè)計(jì)關(guān)鍵，然后利用CAE 仿真模擬對(duì)工藝補(bǔ)充進(jìn)行最優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)。

內(nèi)高壓成形技術(shù)在現(xiàn)代汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。內(nèi)高壓成形與沖壓焊接相比有如下優(yōu)點(diǎn)：降低整車(chē)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化；減少零件和模具數(shù)量，降低工裝開(kāi)發(fā)費(fèi)用；可減少后續(xù)機(jī)械加工和組裝焊接量；提高整車(chē)強(qiáng)度與剛度，尤其提高疲勞強(qiáng)度；提高材料利用率。

內(nèi)高壓成形主要缺點(diǎn)：由于內(nèi)壓高，需要大噸位液壓機(jī)提供合模壓力；高壓源及閉環(huán)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)高；由于成形缺陷和壁厚分布與加載路徑密切相關(guān)，零件試制研發(fā)費(fèi)用高，必須充分利用數(shù)值模擬進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化。

為滿足批量生產(chǎn)要求，需要成熟穩(wěn)定的成形工藝和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性。CAE 仿真模擬提供了強(qiáng)有力的工具，它可以提供成形過(guò)程中材料流動(dòng)規(guī)律，預(yù)報(bào)成形缺陷，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考，從而縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工藝開(kāi)發(fā)周期。

工藝設(shè)計(jì)

圖1 是我公司某款車(chē)型防撞梁左右件，材質(zhì)為B250P1，料厚1.2mm，零件為管狀且截面幾何形狀復(fù)雜，需內(nèi)高壓成形零件。我司現(xiàn)有內(nèi)高壓成形生產(chǎn)設(shè)備是5000噸，如單件生產(chǎn)，設(shè)備生產(chǎn)能力嚴(yán)重過(guò)剩，而且生產(chǎn)效率低，同時(shí)模具的受力不平衡。故為了提高設(shè)備利用率，提高生產(chǎn)效率和考慮模具受力平衡等因素，采用一模雙腔左右件同時(shí)對(duì)稱(chēng)生產(chǎn)，工藝路線為下料→彎管→預(yù)成形→內(nèi)高壓成形→激光切割。

圖1 防撞梁左右件

坯料管徑的確定

我們將產(chǎn)品導(dǎo)入AUTOFORM，通過(guò)軟件自動(dòng)分析得到如圖2 所示數(shù)值，它反映的是產(chǎn)品截面的最大周長(zhǎng)和最小周長(zhǎng)值。確定坯料管徑的原則是保證每個(gè)截面材料都有拉伸，產(chǎn)生塑性變形，提高產(chǎn)品剛度，同時(shí)保證延伸率不超過(guò)20%。根據(jù)以上原則，這個(gè)產(chǎn)品最后坯料外徑確定為φ53mm。

圖2 零件周長(zhǎng)變化曲線

彎管半徑的確定

在軟件AUTOFORM 里分析產(chǎn)品的彎管中心和彎管半徑等如圖3 所示，共有2 個(gè)彎需彎管成形，并且彎管半徑不同，對(duì)于我司彎管設(shè)備能實(shí)現(xiàn)同時(shí)彎兩個(gè)不同半徑的彎，產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿足生產(chǎn)要求。

圖3 彎管半徑數(shù)據(jù)

端頭及過(guò)渡段設(shè)計(jì)

內(nèi)高壓成形時(shí)，要對(duì)管內(nèi)液體加壓，兩端頭必須有堵頭，而且要密封性能好，為保證密封可靠，密封堵頭通常是圓形，因?yàn)槎骂^是圓形和管最初形狀一致，這樣有利于堵頭順利導(dǎo)入管內(nèi)形成過(guò)盈配合，防撞梁兩端頭截面形狀近似方形，要保證由方形向圓形過(guò)渡平順，且過(guò)渡段盡量短，如過(guò)渡段長(zhǎng)，材料利用率就會(huì)降低，不利于材料利用率的提升。本例在從方形到圓形的過(guò)渡段我們做了50mm，如圖4 所示。

預(yù)成形分型面設(shè)計(jì)

管預(yù)成形上下模分型面確定要考慮以下主要因素。

⑴由于管內(nèi)不能插芯棒，凸凹模間隙不均勻。預(yù)成形形狀不完全受控制，但又要預(yù)成形形狀盡可能接近產(chǎn)品形狀，避免形狀局部變化太大造成內(nèi)高壓成形時(shí)局部減薄率過(guò)大引起開(kāi)裂、暗傷等。

⑵為保證預(yù)成形后能順利放入內(nèi)高壓成形下模模腔，需要預(yù)成形工序件外周尺寸小于內(nèi)高壓成形件，通常我們?cè)谧鲱A(yù)成形工藝模面時(shí)取內(nèi)高壓成形件沿周縮小0.5 ～2mm。

⑶由于產(chǎn)品截面是方形，兩側(cè)是直壁，如取中心線位置為分模面，因上下模口要倒R 角，這樣會(huì)使上下模在分型處產(chǎn)生較大間隙，合模后產(chǎn)生咬邊現(xiàn)象，故不能取中間位置。考慮工件最多落入下模腔內(nèi)，我們?nèi)≈北诤蜕蟁 角切線光滑過(guò)渡作為分模線，如圖5所示。

圖5 預(yù)成形分型面設(shè)計(jì)

內(nèi)高壓成形分型面設(shè)計(jì)

內(nèi)高壓成形上下模的分型面確定考慮以下主要因素。

⑴上下模具分布均勻。

⑵上下模沒(méi)有負(fù)角。

⑶分型面處不要出現(xiàn)影響模具強(qiáng)度的尖角。

⑷分型面光滑平順。

⑸內(nèi)高壓成形的分型面盡可能和上工序(預(yù)成形)分型面不重合，避免產(chǎn)品出現(xiàn)咬邊現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 內(nèi)高壓成形分型面設(shè)計(jì)

CAE 模擬分析

防撞梁內(nèi)高壓成形分析結(jié)果如圖7 和圖8 所示，圖7 為FLD 成形極限圖，圖8 為零件主斷面成形過(guò)程。由上述分析可知，不考慮彎管減薄情況下，防撞梁最大減薄率低于20%，各截面貼模率良好。最大成形力120MPa，最大合模力3500kN。從以上分析結(jié)果來(lái)看，成形后的壁厚均勻且無(wú)明顯起皺。

圖7 FLD 成形極限圖

圖8 管件主斷面成形過(guò)程

實(shí)物驗(yàn)證

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，此防撞梁的內(nèi)高壓成形工藝方案及預(yù)終成形模具完全滿足生產(chǎn)需求，零件精度及面品質(zhì)量非常高，如圖9 和圖10 所示，首次出件的最低面差92.9%，孔位100%，切邊100%，最低總合格率96.5%，遠(yuǎn)高于冷沖壓件。

圖9 模具實(shí)物圖

圖10 零件實(shí)物圖

結(jié)束語(yǔ)

本文利用有限元分析方法對(duì)零件進(jìn)行工藝和結(jié)構(gòu)分析，可節(jié)省試驗(yàn)獲得的各種工況結(jié)果，可節(jié)省大量人力、物力和財(cái)力。縮短產(chǎn)品生產(chǎn)調(diào)試周期，降低成本。通過(guò)設(shè)置合理的彎管半徑、預(yù)成形和內(nèi)高壓成形的分型面及過(guò)渡段模面，提高材料利用率和成形性。通過(guò)預(yù)成形模面的不斷完善、合理的產(chǎn)品造型和工藝補(bǔ)充能大大提高工藝性。