汽車覆蓋件具有尺寸大、相對厚度小、形狀復雜等特點,決定了在沖壓成形中板料變形的復雜性,變形規律不易被掌握,不能定量地對主要工藝參數和模具參數進行計算,在工程實踐中還主要運用經驗類比來進行沖壓工藝設計。

  一、沖壓工藝制定

  1.零件工藝分析

  圖1所示為某轎車車門內板零件圖,材料為St14,料厚0.8mm。從圖可以看出,該零件形狀復雜,高差較大,局部成形較多,板料的變形不是單純的拉延成形,而是存在一定程度的脹形變形,是典型的汽車覆蓋件。

  圖1中的a和b處,由于窗框部分進行內工藝補充后,形成了零件的反成形形狀,這部分形狀的成形一般不能靠外部材料進行補充,只能靠該部分板料的脹形成形來實現,脹形成形深度較深,a和b處大約有20mm左右,且轉角部R較小,因此在拉延成形過程中很容易出現破裂。在零件的c處,存在大約12mm高的臺階,此部分若在第一次拉延過程中直接成形,則壓料面可能有以下兩種分法:(1)將c部分作為壓邊面的一部分,即將分模線分在零件側壁圓角處,這樣由于臺階對板料的進料阻力較大,易導致零件在拉延過程中可能產生破裂;(2)將c部分作為凸模的一部分,即將分模線分在c部分外側的法蘭上,則在拉延過程中該區域的板料是懸空的,在徑向拉應力和切向壓應力的作用下,材料集中收縮到此處,可能導致零件的該部分起皺,甚至有迭料的可能。

  由上面的工藝分析可知,該覆蓋件成形難度大,成形工藝較復雜。

圖1 某轎車車門內板零件圖

  2.工藝方案的制定

  產品沖壓成形工藝的確定過程,就是分析和預測板料在變形過程中可能產生的缺陷,并采取一定的措施,以消除和防止沖壓缺陷,同時考慮制造能力、沖壓設備、投資成本等因素。根據本零件的工藝性和本身的結構特點,結合實際生產情況,車門內板的工藝過程如下:拉延+切角;二次拉延+切邊+沖孔;切邊+沖孔;側切+側沖孔翻孔+沖孔+整形;整形+沖孔。

  (1)拉延工序工藝方案的制定

  拉延工序是覆蓋件沖壓成形的關鍵工序,覆蓋件的大部分形狀是在此工序形成的,拉延成形的好壞將直接影響覆蓋件質量。該工序一方面將成形出零件的大部分形狀,同時在拉延過程中還將對坯料進行切角,減少落料模具,降低成本。結合零件的工藝性,在拉延工序中對零件的某些部分作如下處理:

  ◎在零件的a和b處可采取以下方式來消除破裂:第一方案,增大a和b處的相應模具圓角,以減小材料流動阻力,后工序再對相應部分作整形;第二方案,利用在窗框的適當部位沖切工藝切口的方法,使容易破裂的區域從相鄰區域里得到材料補充,從而改善該區域的變形情況,避免破裂的產生。

  ◎在零件的C處,為了避免一次拉延可能產生的缺陷,考慮作二次拉延,從而降低第一次拉延的難度,如圖2中的局部視圖F所示。

  拉延工序工藝的制定包括拉深方向的選擇、工藝補充和壓料面的設計等。選擇合理的拉延方向應考慮以下原則:(1)保證能將拉延件的全部空間形狀一次拉出來,不產生負角;(2)盡量使拉深深度淺且均勻;(3)保證凸模有良好的接觸狀態;(4)有利于防止表面缺陷;(5)同時要考慮后工序內容和模具結構。綜上所述,結合車門內板本身特點,拉延工序的沖壓方向如圖2所示。

  合理的壓料面形狀應遵循以下幾個主要設計原則:(1)壓料面的形狀應盡量簡單;(2)在拉延過程中壓料面任一斷面的展開長度要小于拉延件內部相應斷面的長度;(3)壓料面應使成形深度小且各部分深度接近一致。結合本零件的特點,壓料面沿零件四周的變化趨勢順延成曲面,如圖2所示。

  在進行工藝補充時,應主要考慮以下幾個原則:(1)盡量簡化拉延件結構形狀;(2)工藝補充部分盡量小,以提高材料利用率,降低成本;(3)對后工序有利原則,如定位、修邊等。根據以上原則,結合本零件的本身特點,工藝補充簡圖如圖2所示。如局部視圖F所示,為了降低拉延的難度,避免拉延過程中產生缺陷,將如圖1的C部分分兩次成形。由于后工序全部有沖孔動作,出于模具結構簡單化的目的考慮,窗框型面部分采用向下整形,并保證合適的切邊角度,窗框型面部分的工藝補充如圖2的局部視圖I所示,并將側壁作了8°的拔模角,如局部視圖E所示。其余部分順著產品延伸出來。

圖2 拉延工序及工藝補充簡圖

  (2)其余工序工藝方案

  該覆蓋件部分孔和其他大部分孔的方向相差約10°,并且考慮到窗框型面弧度變化,第一工序和第二工序的沖壓方向相同,后工序沖壓方向與之相差10度,現將后工序進行簡單介紹。

  工序二,二次拉延+切邊+沖孔,如圖3a所示,該工序對如圖1所示的C部分進行二次拉延,局部區域進行整形,切邊時考慮了窗框內廢料較大,將其分三塊切掉,出于模具結構強度的原因本工序切出兩端的兩塊。

  工序三:切邊+沖孔,如圖3b所示,將余下全周進行切邊,同時沖出部分孔。

  工序四:側切+側沖孔翻孔+沖孔+整形,如圖3c所示,窗框內邊整形,側向門鎖安裝孔在此工序全部完成,如SECA-A所示,此部分內容的完成也是模具結構的難點,采用雙動斜楔機構。

  工序五:整形+沖孔,如圖3d所示,全周法蘭邊整形,沖切余下孔,因為零件的法蘭邊要與外板進行扣合,法蘭邊的平展度將直接影響扣合的質量,故在此工序安排了法蘭邊全周的整形。

  二、基于DYNAFORM 的數值模擬技術

  在數值模擬過程中,模具、板料等各部件模型被離散化,分為有限個單元,單元用節點連接,單元之問的作用由節點傳遞,并根據彈塑性及相關理論建立物理方程,通過計算機按照特定算法,求解出各單元成形后的應力及應變等狀態,然后建立計算結果的仿真模型,反映板料在成形后的拉裂、起皺等現象及應力應變等情況。

  在DYNAFORM的實際應用中,計算結果的仿真模型是確定合理的工藝參數,指導模具設計的依據。因此,計算結果的準確性是數值模擬技術的首要問題。而計算結果的準確性主要是由有限元模型的準確性決定的。有限元建模過程包括選擇適當的網格單元對幾何模型進行離散化,以獲得有限元網格模型;以合理的方式獲得仿真分析中準確的材料參數、摩擦潤滑參數、工藝條件和各種約束條件等,建立一個可直接用于仿真計算的完整有限元模型其中,有限元網格質量是決定計算效率和計算精度的主要因素。網格單元小則結果精確,但單元數目越多計算量越大,浪費計算時間;網格尺寸大則計算量小,但誤差較大,不能真實反映模型特征。在實際應用中,根據模具與板料在數值模擬中的不同特點,板料網格尺寸的大小應在滿足精度要求的前提下盡量大,并盡可能采用自適應網格劃分。

  三、車門內板拉延數值模擬

  將各單元集分別定義為凹、凸模、板料和壓邊圈。設置好模具、板料和壓邊圈之間的相對位置,并定義它們之間的接觸類型、參數和運動曲線,設置必要的工藝參數。

  分析材料厚度為0.8mm,考慮到材料利用,坯料設計為平行四邊形,如圖2所示。材料選用材料庫中的St14,其彈性模量E=2.07×105MPa,泊松比為0.28,屈服強度σ=165MPa,各向異性指數r-0=1.87,各向異性指數r-45=1.27,各向異性指數r-90:2.17,硬化指數n=0.2,摩擦系數為0.125,壓邊力為80t。

  分析所得成形極限圖如圖5所示,由圖可以看出零件拉延成形比較充分,零件部分無明顯的起皺,但在窗框部分由于脹形成形深度較深而出現了破裂,即如圖1的a和b處,在生產中可通過增大模具相應圓角和沖切工藝切口的方法來消除。在試模過程中,為了降低成本,應優先考慮方案一,即通過增大模具圓角來消除破裂。圖6為實際拉延成形的零件。

圖5 拉延成形極限圖

圖6實際拉延的零件

圖7 實際生產零件

  四、結束語

  本文的車門內板是典型的汽車覆蓋件,用計算機進行仿真模擬,預測了拉延過程中可能出現的缺陷,為模具設計提供了指導,減少了模具試模次數,有效降低了設計和制造成本,縮短了生產周期,所生產的制件質量高,提高了企業的市場競爭力。圖7為按本工藝所生產的零件。