【成型案例】背門內板沖壓數值模擬及工藝改進

2016-09-09 by:CAE仿真在線來源:互聯網

在數值模擬分析的基礎上,制定出合理的沖壓工序排布方案,對于實際生產有著重要的指導意義。本文對背門內板的成形工藝進行了分析,利用AutoForm軟件分析其成形性并對成形工藝進行了改進,工藝改進后的方案能夠有效解決開裂和起皺的問題。

汽車覆蓋件一般由冷軋薄鋼板沖壓而成,具有結構尺寸大、形狀復雜、板料薄和表面質量要求高等特點。薄板的沖壓成形過程是一個復雜的力學過程,它是一個集幾何非線性、材料非線性和接觸非線性于一體的三重非線性耦合的連續(xù)介質力學問題,是一個大位移、大轉動和大變形的過程。以往車身覆蓋件的模具制造需要反復試模和修模,生產周期長,生產成本很高,產品質量不易控制。隨著計算機技術的發(fā)展,數值模擬技術在板料成形分析中得到廣泛應用,以往只能憑借經驗和生產試驗得出的結果經數值模擬分析便可快速獲得,從而縮短了模具設計與制造周期,降低了模具開發(fā)成本,提高了模具和沖壓件質量。
汽車背門內板具有尺寸大、形狀復雜等特點,成形容易產生開裂、起皺等缺陷。本文利用AutoForm軟件分析了背門內板的成形性,并對其成形工藝進行了改進。

背門內板成形工藝分析

本文研究的背門內板模型如圖1所示,零件尺寸約為1320mm×1154mm×110mm。從圖1可以看出,此零件形狀復雜,尤其周邊形狀多樣,變化急劇,周邊R角較小,側壁較深且拔模角度小,拉延時極易出現開裂、起皺等缺陷;此件孔洞較多,沖孔方向不一致,工序排布比較困難;背門內板在背門開啟時部分可見,對表面質量要求較高,故此件成形質量控制難度較大。

背門內板沖壓方向的確定比較重要,合理的沖壓方向不僅能生產出高質量的產品,對降低生產成本也起著積極作用。若采用圖2a所示的沖壓方向,則側沖孔的廢料將落在產品上無法排出,如圖2b所示。經過綜合分析,最終確定拉延時的沖壓方向如圖2c所示。

背門內板沖壓數值模擬分析

1. 模擬參數的設定

背門內板形狀較復雜,成形有一定的難度,故所用材料為沖壓性能較好的DC04,材料厚度為0.8mm。材料性能參數為:屈服強度σs=120~210MPa,抗拉強度σb≥270MPa,硬變硬化指數n≥0.18,厚向異性指數r≥1.5,斷后伸長率δ=36%,密度ρ=7.85×10-5N/mm2,楊式模量E=2.1×105N/mm2,泊松比γ=0.3。本例采用彈塑性強化模型進行計算,所用的屈服準則為Hill準則;摩擦因數為0.15。

在CATIA中抽出零件數模片體,以IGS格式導出并導入到AutoForm軟件中。工藝補充面在AutoForm軟件中制作,如圖3a所示,生成如圖3b所示的有限元模型工具體。

2. 模擬結果分析

成形極限圖(Forming Limit Diagram,簡稱FLD)是評定薄板成形性能最直接和有效的方法,通過此圖可以直觀地判斷零件起皺、開裂等缺陷,制定出相應的對策。如圖4所示,成形極限圖中的曲線A為成形極限曲線(Forming Limit Curve,簡稱FLC),在此曲線以上的區(qū)域表示材料發(fā)生了塑性破裂,曲線最低位置為平面應變狀態(tài),次應變e2=0;曲線B為臨界極限曲線,處在曲線A和曲線B之間的區(qū)域材料有破裂風險;直線C為雙向等值拉伸線,在該線上材料處于雙向等值拉應力狀態(tài),e1= e2;直線D為單向拉伸線,在該線上材料處于單向拉伸狀態(tài),盡管板料厚度沒有增加,但材料內部已存在壓應力,有起皺趨勢;曲線B和直線C、D組成的區(qū)域為安全區(qū),這部分區(qū)域的材料在成形時既得到了充分拉伸,又沒有破裂和起皺的工藝缺陷,此狀態(tài)為板料成形的最佳狀態(tài);直線E為等厚拉伸線,在該線上材料處于等厚變形狀態(tài),e1= -e2;直線D和直線E所組成的區(qū)域為臨界起皺區(qū),該區(qū)域內的材料雖然受到壓應力,但材料沒有增厚;直線E以下的區(qū)域為起皺區(qū),e1< -e2,材料厚度增加。

在AutoForm軟件中,經過多次調整工藝參數,最終得到了背門內板的兩種分析結果。第一種分析結果如圖5所示,從圖5a成形極限圖中可以很直觀地看出存在較大面積的開裂區(qū)域(紅色區(qū))和臨界開裂區(qū)域(黃色區(qū)),由此可以判斷該零件開裂嚴重;起皺區(qū)無顏色顯示,說明無起皺現象,從圖中可以看出開裂的原因是局部主應變過大。從圖5b看出開裂的位置分布于零件形狀較復雜的周邊側壁區(qū)域。引起該零件開裂的原因主要有三個:一是,周邊R角過小,局部過于尖銳,存在應力集中;二是,零件側壁高度較大、拔模角度很小,材料橫向流動受阻,材料補給困難,在零件的橫向基本靠局部區(qū)域材料拉脹成形,產生過大的主應變;三是,拉延筋阻力以及壓邊力過大,材料流動困難。

為解決開裂問題,我們首先在不修改零件結構的前提下對拉延工藝參數進行調整,減小了拉延筋的阻力,得到了圖6a所示的成形極限圖,從中可以看出無破裂區(qū)域,但臨界起皺區(qū)(藍色區(qū))和起皺區(qū)(紫色區(qū))所占面積較大,說明零件局部存在較嚴重的起皺現象;從圖6b中可以看出起皺的位置主要分布于零件周邊區(qū)域。該零件產生起皺的原因主要有2個:一是,零件局部區(qū)域形狀變化急劇且較復雜,致使局部材料堆積;二是,拉延筋的阻力以及壓邊力過小,材料流入過多。起皺位置大部分在打開背門時是可見的,影響了整車的外觀質量,所以這樣的區(qū)域表面質量要求較高,通常不允許有起皺出現。

由以上分析可知,此零件無法同時消除開裂和起皺的缺陷。為了驗證數值模擬分析結果的正確性,采用此方案生產出了第一批軟模件,得到了圖7所示的實物圖。

從圖7中可以看出,背門內板最上部的兩個角有明顯起皺現象,玻璃窗框的左右下角部雖然經過了人工打磨,仍然可以看出起皺的痕跡,說明此處起皺很嚴重。圖6和圖7對比可發(fā)現,數值模擬結果與實際生產所得到的結果基本吻合,從而也證明了數值模擬對板料成形分析具有很大的指導意義。

工藝改進及其數值模擬分析
1. 工藝改進
背門內板形狀復雜,拉延時存在開裂與起皺的矛盾,為了克服這個矛盾,且在不修改零件結構的前提下得到合格產品,本文采用了一種改進的工藝,新工藝所建立的有限元工具體如圖8所示。其工作過程如下:
(1)板料放置在下壓邊圈上,上壓邊圈下行與下壓邊圈接觸將板料壓住;
(2)上壓邊圈與下壓邊圈以及板料一起下行,與凸模共同成形出上壓邊圈所具有的零件形狀;

(3)凹模下行,與內壓邊圈以及凸模共同成形出剩余的零件形狀。

2. 工藝改進后的數值模擬結果分析

為了快速驗證工藝改進后的成形性,在AutoForm軟件中對背門內板進行了數值模擬分析,分析中所用的拉延筋阻力與工藝改進前的第一種情況相同,得到成形極限圖(見圖9a),從圖中可以看出零件無開裂、起皺缺陷出現,只有極少數位置有開裂風險,后期通過模具調試可以解決,小部分區(qū)域存在壓應力,材料有增厚的趨勢。從圖9b中可以看出,在零件的可見區(qū)域不存在起皺現象,整個沖壓件無開裂區(qū)域,質量達到了要求,說明改進后的工藝能有效解決開裂和起皺的矛盾,可獲得質量較高的沖壓件。但此工藝還需后期實際生產來進一步驗證。

以下從工藝改進前后成形過程的對比來分析工藝改進后能夠獲得合格沖壓件的原因。圖10所示為工藝改進前的部分成形過程,從中可以看出,零件周邊復雜的形狀與內部凹陷的形狀同時成形,最高點A先接觸板料,進料方向只能由外向內,當拉延筋的阻力較大時,周邊形狀復雜處無法得到足夠的材料補給,主要依靠局部材料的拉脹成形;當主應變大于材料的極限應變時,零件周邊側壁發(fā)生開裂,零件中心形狀是凹陷的,同時內部較平坦,板料線長較大,有足夠的板料成形;當拉延筋的阻力和壓邊力較小時,致使進料速度過快,內部局部區(qū)域會出現起皺現象。

圖11為工藝改進后的部分成形過程,成形時零件周邊復雜的形狀最先成形,隨著上壓邊圈下行,內部板料由弧形逐漸被拉直,說明在成形周邊復雜的形狀時,進料方向不單是由外而內,內部的材料也會進行補給,材料優(yōu)先貼合在凸模上,周邊材料得到聚存,故側壁得到了較好的形狀,開裂問題得以解決;由于內部材料向外側流出,材料線長縮短,內部形狀成形時無法從外側得到材料,只能依靠材料的局部拉脹成形,保證了內部局部區(qū)域不會起皺。所以,從理論上也說明此工藝方案能有效地解決開裂和起皺問題,保證能夠得到合格的產品。

背門內板沖壓工序排布
采用數值模擬分析手段對該零件的成形進行分析后,確定出板料大小、沖壓方向和分模線的位置等,根據得到的相關數據制定沖壓工序排布簡圖,為后期模具方案的制定提供指導。在工序分配時要考慮零件的沖壓成形性、穩(wěn)定性和模具結構實現的可行性、難易程度,以及各工序間的銜接和沖壓生產流程等。

此零件孔洞較多,且各類孔的沖切方向不同,給工序安排帶來很大困難?？?包括圓孔和非圓孔)沖切的一般原則為:孔徑(特指圓孔直徑和非圓孔的最小直線距離)不大于6mm時,沖切方向與孔平面法線角度不大于5?;孔徑在6~12mm之間時,沖切方向與孔平面法線角度不大于10?;孔徑大于12mm時,沖切方向與孔平面法線角度不大于15?。按此原則并結合該零件孔的功能和屬性,同時考慮模具各部分的結構強度,把沖孔安排在3個工序中完成。

經過以上分析并結合數值模擬分析結果,最終成形工序排布為:OP05,落料→OP10,拉延→OP20,修邊+沖孔→OP30,整形+沖孔+側沖孔+翻邊→OP40,整形+沖孔+側沖孔。各工序間零件的旋轉角度因不能大于10?,所以OP20工序相對于OP10工序以Y軸為中心旋轉了8?;OP30工序相對于OP20工序以Y軸為中心旋轉了9?;OP40工序相對于OP30工序以Y軸為中心旋轉了10?。修邊和沖孔時要充分考慮廢料的排出或收集,在OP20序修邊時,兩處廢料刀因工藝所限布置為刀背對刀背形式,廢料切斷后會滯留在兩廢料刀之間,需預留廢料提升器,以保證廢料順利排出。詳細工序排布如圖12所示。

結語

汽車背門內板由于其結構復雜并且具有一定的特殊性,在成形時容易出現開裂和起皺等缺陷,并且這兩種缺陷很難同時消除,往往在消除一種缺陷的時候會造成另一種缺陷產生。

本文采用兩種工藝方案在AutoForm軟件中分別對背門內板進行了數值模擬分析,通過結果對比分析,工藝改進后的方案能夠解決開裂和起皺的矛盾,得到質量合格的沖壓件。因此,對于有背門內板類似結構的零件,如左右車門內板等,都可以采用本文中改進的方案進行成形,解決開裂和起皺缺陷。雖然數值模擬分析得到了較好的結果,但此改進方案還有待實際生產的驗證。

借助數值模擬分析方法,為沖壓成形的評估提供了重要參考,可以制定出較合理的沖壓工藝,為模具方案的制作提供參考。

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