汽車流水槽成形性分析及回彈研究

辛國升， 張永波， 鄭 旭

（1.諸城威仕達機械有限公司， 山東 諸城 262200；2.日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系， 山東 日照 276826；3.日照市科技中等專業(yè)學(xué)校， 山東 五蓮 262300）

0 引 言

圖1所示為某車型流水槽，為左右對稱零件，圖示為左件。零件形狀為細長型，長度約1 442 mm，屬于易扭曲回彈、質(zhì)量穩(wěn)定性較差的零件。該零件同時與側(cè)圍、頂蓋、后圍搭接，周邊搭接關(guān)系復(fù)雜，如圖2 所示，還需要安裝鉸鏈、背門限位器、密封條等關(guān)鍵部件，因此其成形質(zhì)量影響整車的外觀、密封等，對其沖壓工藝方案提出更高的要求[1]。

圖1 流水槽

圖2 流水槽周邊搭接關(guān)系

1 零件概況

1.1 零件外觀要求

零件因安裝在側(cè)圍后部的后背門下方（見圖3），后背門打開后即可看到，屬于二級外觀件，要求不能起皺和開裂，并且四周均需焊接或安裝其他零件，對搭接面尺寸要求較高，尤其是與側(cè)圍焊接部位要求較為嚴格。同時該零件具有流水功能，對密封及耐腐蝕要求也較高。

圖3 流水槽在車身位置

1.2 材料參數(shù)

零件料厚為0.7 mm，材質(zhì)為DC56D-Z，是汽車覆蓋件中常用的冷軋成形鋼，具有較好的剛度，成形性能好，且表面為鍍鋅涂層，具有防腐蝕特點，材料參數(shù)如表1所示[2-5]。

表1 材料參數(shù)

2 工藝方案

由于零件為左右對稱件，從提高材料利用率方面考慮，采用左右件合模生產(chǎn)，由1 片板料生產(chǎn)2 個零件，模具制造成本也會相應(yīng)降低[6]。結(jié)合零件造型確定沖壓方向，確定2 個零件的對接方式，如圖4所示。

圖4 左右件工藝布置

根據(jù)沖壓設(shè)備數(shù)量及客戶要求，零件采用5 道工序成形，分別為拉深、修邊側(cè)修邊沖孔、修邊側(cè)修邊沖孔分離、翻邊上整形、沖孔側(cè)沖孔。

3 拉深造型及CAE成形分析

根據(jù)零件形狀特點及性能要求，結(jié)合以往經(jīng)驗，密封條安裝面需單獨下翻邊，如圖5 所示，與后圍焊接面需上整形，其余部位全部在拉深工序成形到位。

圖5 翻邊方案

3.1 拉深工藝補充

拉深工藝初次采用四周封閉形式，四周設(shè)置拉深筋，最大拉深深度為84 mm左右，拉深工藝補充設(shè)計為中間深兩端淺的樣式，具體造型如圖6所示。

圖6 拉深造型

3.2 CAE成形分析

3.2.1 拉深分析

利用Autoform R8 進行拉深分析[7]，輸入客戶提供的材料參數(shù)，優(yōu)化壓邊力及拉深筋參數(shù)后，獲得最優(yōu)拉深分析結(jié)果，如圖7所示，由成形性云圖和成形極限圖可知，95%以上零件區(qū)域都能得到充分拉深，無起皺和開裂區(qū)域，滿足客戶要求[8]。

3.2.2 回彈分析

常規(guī)的流水槽長度在600～800 mm，長度較短，發(fā)生扭曲回彈的可能性較低或回彈量小。但該零件長度為1 442 mm，寬度小，屬細長零件，易發(fā)生回彈扭曲現(xiàn)象，且每個搭接面都會影響零件的回彈，因此對零件回彈量以及成形后回彈穩(wěn)定性的控制較為關(guān)鍵。

在拉深分析確定后，從修邊和翻邊整形后2 個部分分別計算回彈，如圖8 所示。修邊后回彈量最大值在右側(cè)與頂蓋搭接位置，約1.5 mm，其余85%區(qū)域回彈均在0.5 mm 以內(nèi)，基本符合要求；翻邊整形之后，回彈量明顯加大，最大處約3.1 mm，且有50%以上區(qū)域回彈數(shù)值在1 mm 以上，不能滿足要求。從回彈趨勢看，與修邊后回彈不一致，說明翻邊整形對零件的回彈產(chǎn)生了巨大的影響。

圖8 零件回彈云圖

零件翻邊高度為15 mm，高度較高，翻邊輪廓為不規(guī)則弧形，如圖9中A、B、C處，翻邊時存在翻邊面伸長的可能。圖6中Ⅰ處放大圖翻邊采用完全展開方式，零件從翻邊前的平面通過模具翻成豎直的邊。同時翻邊輪廓面為弧形面，A、B 兩處弧面半徑較小，C 處弧面半徑較大，都存在翻邊伸長的狀態(tài)，造成翻邊內(nèi)應(yīng)力較大，在翻邊完成后內(nèi)應(yīng)力釋放，造成回彈；又因零件細長，在應(yīng)力的作用下產(chǎn)生扭曲現(xiàn)象。

圖9 翻邊伸長部位

為控制回彈，應(yīng)減小翻邊內(nèi)應(yīng)力，更改翻邊處拉深造型，采用圖10 所示的過拉深形式，將原平直面翻邊工藝更改為類似整形的翻邊形式。由于拉深過程中提前成形10 mm 深的臺階，通過臺階形式將零件固定，有利于修邊后零件回彈的控制以及減小翻邊時的內(nèi)應(yīng)力。

圖10 過拉深造型

按上述修改拉深造型，其他參數(shù)不變，再次進行拉深CAE 驗證，結(jié)果如圖11 所示，由成形性云圖和成形極限圖可知，97%以上零件區(qū)域都能得到充分拉深，無起皺和開裂區(qū)域，滿足客戶要求。

圖11 整改后拉深工藝模擬成形性云圖及成形極限圖

在拉深分析穩(wěn)定后再次進行后工序回彈分析，結(jié)果如圖12 所示，修邊后回彈明顯減小，回彈最大值由原來1.5 mm 減小到1.0 mm，存在個別點位超差。從圖12（a）可知，零件的整體扭曲得到了有效控制，且回彈量也大幅度下降，最大回彈位置僅在局部搭接面，后期容易完成回彈補償。

圖12 整改后零件回彈云圖

比較修邊和翻邊后的回彈，回彈趨勢沒有改變，說明整改后方案準確可行，翻邊對零件的回彈未產(chǎn)生較大影響，達到預(yù)期效果，滿足設(shè)計要求，可以按照該方案進行下一步工作。

4 零件驗證

模具制造及調(diào)試按照設(shè)計參數(shù)進行，拉深中的壓邊力、拉深筋等均與設(shè)計參數(shù)一致，并在調(diào)試后將現(xiàn)場測量拉深件材料流入量與CAE 分析流入量（見圖13）進行對比，確保基本一致后再進行下一步調(diào)試工作。最終調(diào)試后拉深工序件無開裂起皺等缺陷，如圖14所示。

圖13 材料流入量

圖14 拉深零件

后工序零件調(diào)試完成后進行白光掃描檢測，并采用GOM軟件進行對比，對比結(jié)果如圖15所示。

圖15 樣件掃描對比

將翻邊零件掃描回彈云圖（見圖15）與CAE 分析回彈云圖（見圖12）進行對比，同時對15個檢測點回彈數(shù)值進行對比（見表2），與模具沖壓方向相同為負，反之為正。其中7 個點實際零件回彈數(shù)值小于理論分析數(shù)據(jù)，7 個點實際零件回彈數(shù)值大于理論分析數(shù)據(jù)，1 個點數(shù)據(jù)相同；從對比數(shù)據(jù)差值分析，最大差值在13點位置處為1.14 mm，超過0.5 mm的差值僅有4 個點。由表2 可知，回彈方向相反的點存在2個，結(jié)合圖12與圖15預(yù)估理論與實際一致性達到80%左右，由此驗證了設(shè)計工藝方案的準確性和可行性。最終經(jīng)過對局部回彈進行補償和模具整改得到合格零件，如圖16所示。

表2 理論與實際差值對比 mm

圖16 最終成形零件

5 結(jié)束語

通過分析流水槽形狀和性能要求以及搭接關(guān)系，再結(jié)合材料和模具成本的控制要求，確定合理的沖壓工藝方案。利用Autoform R8 技術(shù)進行全工序分析，對拉深造型進行合理優(yōu)化，獲得穩(wěn)定性高、回彈量小的數(shù)據(jù)，減少回彈補償?shù)墓ぷ髁浚岣哒{(diào)試成功率。

運用白光掃描技術(shù)和GOM 軟件對樣件進行掃描，得到零件的面差云圖，直觀展現(xiàn)了零件的回彈狀況，對零件回彈補償整改提供了參考依據(jù)，減少了整改次數(shù)與調(diào)試成本。將零件掃描云圖與CAE分析回彈云圖對比，驗證了理論與實際的一致性，但回彈數(shù)值局部存在較大差別，對以后類似零件的開發(fā)提供了理論依據(jù)。