引言

众所周知, 金属板料成形在汽车行业中占据着十分重要的地位。其中, 车身结构件具有形状复杂、结构尺寸大和对强度要求较高等特点, 因此在制定和设计制件的冲压工艺时难度较大[1]。传统的汽车结构件成形工艺与模具结构设计中通常通过对制件工艺分析得到初步的工艺方案, 然后通过反复的试冲来修改完善工艺方案和模具结构。这种“试错法”的生产周期长, 坯料浪费严重, 已不能适应如今的生产需求, 并且这种方法对工人的技术水平和设计经验要求较高[2]。此外相对于国外来说, 国内对铝合金车身的应用研究还尚处于起步阶段, 研究铝合金在车身上的应用具有广阔的发展前景[3]。

近年来随着汽车工业的快速发展, 模具现代设计以及计算机CAE技术成为开发短周期、高质量和低成本模具的关键性技术之一[4]。应用CAE技术可以准确预测成形过程中材料的流动情况, 以及破裂、起皱和回弹等缺陷。陈从升等[5]利用Dynaform对汽车的后桥横梁进行了拉延工艺优化设计与回弹分析, 得到了较合理的拉延模型设计;黄娟等[6]则针对某汽车的前纵梁内板进行了拉延成形数值模拟以及工艺参数的优化研究, 为此类拉延件的研究提供了借鉴意义。随着计算机水平提高, 运用有限元技术模拟板料成形的精度也在逐渐提高, 在优化冲压工艺和模具结构上具有现实的指导和借鉴意义。本文以某轿车的地板梁为例, 运用Dynaform对该零件的拉延工艺进行研究。通过比较3种不同端头的工艺补充方案对地板梁成形性的影响, 对地板梁的拉延工艺方案进行确定。

1 拉延工艺分析及设计

1.1 制件的工艺性分析

某汽车的地板梁模型如图1所示。该制件属于汽车内板, 是车身重要结构件之一, 地板梁件板厚2.7 mm, 整体尺寸 (长×宽×高) 为996 mm×210 mm×96 mm。该制件为成形件, 且表面存在通孔, 制件周边有严格的尺寸和形状要求, 综合考虑制件形状, 该制件的成形工序依次为:拉延—冲孔—切边[7]。制件成形面为复杂的三维曲面, 尤其在中央部位存在局部下凹结构, 该结构周围有一整圈复杂的非规则圆弧过渡区域, 增加了制件成形难度。制件两端为开口结构, 若拉延模为开口结构, 两端金属流动难以精确控制, 由于带法兰件成形时, 金属流动相对稳定[8], 考虑对拉延模两端进行端头补充。拉延工序是冲压成形的关键工序[9], 制件的基本形状都由此工序完成, 拉延补充模面不仅对制件的拉延成形有重要影响, 还会影响后续的冲孔、修边等工序的质量[10], 本文着重研究制件拉延成形规律。以制件上已有的水平法兰为基础, 在整个制件外侧设置封闭的压边圈, 通过切边和冲孔工艺, *终获得制件表面7个通孔以及制件侧边切口形状。为了提高制件的拉延质量, 工艺补充采取封闭内孔、简化模具结构、控制板料变形条件及工艺补充面尽可能小的原则[11,12], 对地板梁进行内孔封闭、端头补充及压料面设计。图2a所示为带端头补充的拉延模, 图上Ⅰ区和Ⅱ区分别为端头补充区域和内孔填充区域, 图2b为设计的压料面。

1.2 地板梁拉延工艺分析

根据制件的拉延特点, 本文地板梁拉延模采用端头封闭式拉延设计。经过分析可知, 拉延模端头形状是决定制件能否拉延成功的关键因素。由于端头补充部分是促进端部金属顺利成形而设定的辅助补充面, 成形之后, 端头将被切除。因此, 端头设计应考虑节省坯料、模具结构合理、金属流动平顺等因素。本文设计的端头结构如图3所示, 图3a为端头的边界截面线, 图3b为端头侧面轮廓示意图。

图1 地板梁模型三视图   下载原图

Fig.1 Orthographic views of floor beam model

图2 地板梁工艺补充设计   下载原图

Fig.2 Process supplement design of floor beam

(a) 工艺补充 (b) 压料面

(a) Process supplement (b) Binder surface

图3 端头的边界截面线及形状示意图   下载原图

Fig.3 Schematic diagram of the boundary section line and shape of the end

(a) 端头边界截面线 (b) 端头侧面轮廓示意图

(a) Boundary section line of the end (b) Side profile schematic of the end

在端头基本形式确定之后, 经分析可知, 端头侧边的坡度θ大小对制件的成功拉延有巨大的影响。θ过小, 金属流动困难, 制件易在该处产生破裂;θ过大, 金属流动顺畅, 但补充面积过大, 浪费材料。本文按照图3所示设计了3种端头结构, 3种端头形状及其侧面轮廓线和尺寸示意图见表1。

表1 3种端头形状、侧面轮廓及尺寸示意图     下载原表

2 初步模拟及结果分析

地板梁件成形的材料为新型铝合金Alum＿6HS2＿U, 板厚t=2.7 mm, 性能参数为:杨氏模量E=69 GPa, 泊松比μ=0.33, 材料硬化指数n=0.25, 各向异性系数r0=0.64, r45=0.62, r90=0.63, 屈服强度Rp0.2=170.3 MPa, 抗拉强度Rm=275.5 MPa。

2.1 有限元模型的建立

在Dynaform中建立地板梁拉延模仿真模型如图4所示。

图4 地板梁拉延模仿真模型   下载原图

Fig.4 Simulation model of drawing die of floor beam

在进行板料的形状及尺寸设计时, 一般通过制件尺寸反求出制件的初始轮廓线, 再对轮廓线进行修改设计, 得到*终板料的形状[13]。据以上所述, 对地板梁件进行展开, 其轮廓线如图5a所示, 轮廓线长、宽*大尺寸分别为L0=1013.96 mm和B0=312.94 mm。考虑到制件的端头补充及侧边法兰部分, 按简化坯料形状及省料的原则, 本文设计坯料*终尺寸包括制件展开尺寸、端头补充展开尺寸及法兰部分, 坯料展开形状及尺寸如图5b所示, *终坯料形状为矩形, 其长和宽分别为:

式中:L和B分别为坯料的长和宽;L0和B0分别为制件展开的长和宽;L1为端头的单边展开长度;L3为长度方向单边压边宽度;B1为宽度方向单边压边宽度。

图5 零件与坯料展开图   下载原图

Fig.5 Expanded drawing of part and blank

(a) 零件展开形状 (b) 坯料展开形状及尺寸

(a) Expanded shape of the part (b) Expanded shape and size of the blank

*终得到3种工艺方案下坯料关键尺寸如表2所示。

表2 各工艺方案坯料尺寸     下载原表

3种工艺方案的材料利用率可由以下公式计算得出:

式中:ηi为板料的利用率;S0为制件展开面积;Si为各方案的板料面积 (i为工艺方案序号, i=1, 2, 3) 。

通过以上计算可以得出, 工艺方案1的材料利用率η1为61.9%, 工艺方案2的材料利用率η2为60.1%, 工艺方案3的材料利用率η3为58.7%。

2.2 参数设置

凸凹模间隙取1.1t, 模具摩擦系数为0.12, 冲模冲压速度为2000 mm·s-1, 压边力为600 kN, 本试验中材料模型采用3参数Barlat材料模型 (Barlat Parameter Plasticity Model) , 工具接触类型为forming-one-way-surface-to-surface。对地板梁成形过程采用动态显式有限元算法进行模拟计算。

2.3 模拟结果分析

根据以上模拟参数的设置, 分别对3种工艺补充方案的地板梁拉延过程进行模拟分析, 并进一步对地板梁件的的成形情况进行综合分析。

如图6所示为各工艺方案的地板梁拉延件减薄率分布图。为进一步分析地板梁制件的成形行为, 在各工艺方案制件的型面中心纵向选取一条线, 等间距地选取7个点 (点1～点7) 作为测量点, 各测量点处的减薄率如图7所示。由图6看出:在方案1中, 如图6a所示, 端头圆角处 (点1、点7附近) 减薄较严重, *大减薄率达到31.86%, 该处有产生破裂的趋势, 而制件中间区域 (点2～点6) 减薄率虽较小, 但在制件切边后的成形区内*大减薄率出现在W处, 其值为21.12%, 此方案制件的整体减薄不均匀, 成形效果不佳;如图6b显示, 与方案1相比, 方案2的制件*大减薄率虽仍出现在端头圆角处, 但已降低为25.17%, 且制件中间区域的塑性变形得到了一定改善, 切边后*大减薄率仍出现在W处, 为18.2%, 该成形结果基本达到了成形要求;图6c显示, 方案3制件的减薄情况与方案2相比, 制件的*大减薄率达到了18.64%, 仍在端头圆角处。

图6 不同工艺方案的地板梁拉延件减薄率分布图   下载原图

Fig.6 Thinning rate distribution of floor beam drawing parts of different process schemes

(a) 方案1 (b) 方案2 (c) 方案3

(a) Scheme 1 (b) Scheme 2 (c) Scheme 3

图7显示, 3种方案下, 点2～点6的减薄率差别较小, 数值都小于5%。方案2和方案3中, 点1和点7的减薄率略大于中间点减薄率, 数值小于10%, 而方案1中点1和点7的减薄率较大, 达到30%, 超过制件破坏指标要求。

图7 测量点减薄率图   下载原图

Fig.7 Thinning rate of test points

由上述分析可得, 方案2和方案3均可使地板梁件得到较好的拉延效果。但是, 方案2的端部比较光滑平顺, 可以使金属板料的流动更加顺畅, 制件的整体减薄率基本符合制件生产要求, 而且板料的材料利用率达到60.1%。而方案3设计的端部在方案2的基础上增加了端头的直线距离, 加大了过渡圆弧, 虽对端头处减薄率数值有所降低, 但是切边后制件主体的减薄率与方案2相差不大, 该方案材料利用率为58.7%。综合比较以上3种地板梁拉延成形工艺方案减薄率结果, 方案2模具结构更符合工程要求, 得到的制件成形效果较佳, 材料利用率较高。

3 工艺参数优化及工艺试验验证

3.1 工艺参数优化设置

为进一步改善地板梁件的成形质量, 本文在成形方案2的基础上, 对其成形工艺参数进行了优化设置。

3.1.1 增设拉延筋

拉延筋的作用主要是调节板料在成形过程中流入模具的阻力, 同时适当改善制件的起皱缺陷[14]。在Dynaform仿真分析中, 拉延筋的设置一般有两种:真实拉延筋和虚拟拉延筋。为提高模拟计算效率, 本文采用虚拟拉延筋进行设置, 共设置8条, 编号分别为1～8。经过本文2.3节中的分析, 发现地板梁件在拉延过程中, 在如图8所示的Q区和P区易出现较严重的起皱情况, 所以设置2号、3号、6号和7号拉延筋的拉延阻力为500 N, 设置1号、4号、5号和8号拉延筋的拉延阻力为200 N。所有拉延筋都设置在凹模的压料面上。

3.1.2 其他参数优化

影响地板梁成形的工艺参数主要有压边力大小、摩擦系数及冲压速度, 每个因素选取3个值, 由于正交试验表中没有3因素3水平表, 因此选用4因素3水平正交实验表 (L9 (34) [15], 这样会在正交表中出现一列空列, 该空列只是在形式上存在, 不用进行处理, *终设计的正交试验表如表3所示。以切边后的制件*大减薄率为目标, 对这3个主要工艺参数进行优化分析, 正交试验结果及极差分析见表4。

图8 拉延筋布置   下载原图

Fig.8 Drawbead arrangement

表3 L9 (34) 正交试验     下载原表

表4 正交试验结果及极差分析     下载原表

从表4极差分析数据中, 获得3个工艺参数对减薄率大小影响主次顺序为:A>B>C。减薄率越小越好, 因此选取每个参数的极差*小值, *终确定了3个工艺参数的优化组合, 即压边力取500 k N、摩擦系数取0.1, 冲压速度取3000 mm·s-1。以此组合的参数进行地板梁拉延成形的进一步模拟分析。

3.2 优化结果分析

通过以上对地板梁成形的工艺参数优化分析, 得到了地板梁成形新的工艺组合, 即在凹模压料面上增设拉延筋、设置压边力为500 kN、摩擦系数为0.1, 冲压速度为3000 mm·s-1, 在此基础上对制件成形进一步模拟分析。优化后的地板梁件减薄分布情况如图9所示。

由图9可知, 制件的表面成形情况良好, 无破裂和明显起皱, 切边后制件的*大减薄率为19.1%, 在要求的25%以内, 制件基本符合成形要求。

3.3 工艺试验验证

根据以上模拟分析, 以*优的工艺方案完成地板梁件的实际冲压拉延成形试验, 地板梁产品件如图10所示。由图10可知, 制件的成形情况良好, 表面无拉破和明显起皱情况。根据工人使用专用检具对多个制件进行测量, 得到产品件表面的平均*小厚度达到2.2 mm, *大减薄率为18.5%, 均出现在图中的M区域。试验结果与有限元模拟结果相比, *大减薄的误差为3.14%, 模拟结果与试验制件的结果基本一致, 符合制件评价标准。制件的*终产品成形区域基本无成形缺陷, 也验证了有限元模拟分析的准确性和可靠性。

4 结论

(1) 本文从冲压方向的确定、工艺补充面的设计、坯料初始形状及尺寸的确定等方面进行了设计和分析, 研究了3种不同端头补充工艺方案, 得出了合理的拉延模工艺模型。

(2) 综合分析*终获得较优的端头补充方案为方案2端头, 其参数为:H=55.4 mm, L1=10 mm, R1=20 mm, R2=30 mm, L2=70 mm。此方案得到的制件表面无破裂及明显起皱, 切边后制件的*大减薄率为18.2%, 在要求的25%以内, 板料流动顺利。

图9 优化后减薄率分布情况   下载原图

Fig.9 Thinning rate distribution after optimization

图1 0 地板梁拉延件产品图   下载原图

Fig.10 Product of floor beam drawing parts

(3) 为进一步改善制件成形质量, 对以上工艺方案进行了简单优化:增设拉延筋, 对主要参数进行正交优化。获得优化的参数组合:压边力500 kN, 摩擦系数0.1, 冲压速度3000 mm·s-1。*后获得制件具有良好的成形效果, 切边后*大减薄率达到19.1%, 符合成形要求。

(4) 在模拟分析的基础上进行了实际冲压试验, 对试验件结果与有限元模拟结果进行比较, 获得两者*大减薄率的误差为3.14%, 误差在要求范围内, 验证了工艺补充方案的合理性。