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基于5000系铝合金车门内板冲压工艺设计及试验研究

汽车覆盖件轮廓尺寸大、形状复杂,占汽车重量的比重较高。随着汽车尾气排放和油耗标准的日益严苛,车身轻量化要求越来越高。铝合金以其良好的性能和减重效果,已成为应用最广泛的汽车车身轻质材料。由于铝合金的融化温度低、流动性好、易于铸造形状复杂的零件,因此在国内汽车上的应用,以铸造铝合金为主。但是适用于冷冲压的铝合金板材,要求既具有一定的力学强度、焊接性能、良好表面处理及涂装性能,又具有较好的冲压成形性能,在国内仍处于研制或初步推广阶段。与钢板相比,铝板的总伸长率更低,只有钢的1/2,局部变形能力差,同时成形极限低,安全裕度更小,冲压成形过程中的开裂、起皱等缺陷产生的风险更大。车身覆盖件的厚度薄,但是零件表面质量及尺寸精度要求高。冲压成形过程复杂,影响其成形过程的因素很多,依靠经验和多次试模可以对零件的成形性进行验证,但使用传统方法成形的周期长且成本较高。板料成形有限元仿真分析使设计人员可以在产品工艺设计阶段,评估出成形中可能出现的问题,如起皱、开裂等,利用仿真模拟结果验证工艺方案的可行性,支持零件造型过程中规避缺陷,确定最优的工艺方案和工艺参数,节省模具调试时间,极大地提高了模具的制造效率。

车门内板是汽车外覆盖件,属于A级零件,要求零件外观必须光顺平滑、棱线清晰,无褶皱、波浪、凹陷、凸包等缺陷。左右车门内板三维数模如图1所示。

车门内板的二维模型如图2所示,该零件的材料为5000系铝合金5182,材料屈服强度σs为116.5MPa,抗拉强度σb为268.4MPa,料厚为1.5mm,外形尺寸为1373mm×1298mm×319mm,主型面曲率较大,型面较为复杂,因此要获得合格的冲压件,就必须设置合理的冲压方向、压料面、工艺补充面和拉延筋等工艺参数,特别是零件中间位置的型面很平缓,可能产生成形时变形量不够、成形后易回弹的问题,需进行充分的塑性变形,控制其回弹。

在得到产品数模初期,通过对产品进行工艺同步分析,提出设计变更申请交由产品设计部门进行数模更改,以尽量减少模具制造后的试模次数,降低模具开发成本,规避后期的调试风险,缩短模具的开发周期。图3所示1处修边后翻边存在质量缺陷,将止口切掉一块,便于修边,保证翻边质量。

汽车覆盖件的形状复杂、尺寸大,一般不可能在一道冲压工序中直接获得,通常要经过落料(或剪切下料)、拉延、成形、修边、冲孔、翻边、整形等多道工序才能完成。通过对产品数模的分析,初步规划工序为5序,具体工艺内容为拉延(左右件合模)→修边+冲孔+侧修边→修边+冲孔+侧修边→翻边+整形→冲孔+侧冲孔。

确定冲压方向

冲压方向的选择关系到拉延零件的产品质量及修边冲孔质量,是冲压工艺设计的关键。同时冲压方向影响拉延模面设计时的工艺补充量,进而影响零件的材料利用率,决定了批量生产的原料成本。此车门内板冲压方向的选择按照以下三点原则:
⑴无负角。保证拉延凸模与凹模产品型面可以完全贴合,不应出现凸模接触不到的封闭区。
⑵最小拉延深度。拉延凸模在初始碰触坯料时,接触面积尽可能大,避免点接触,接触部位应尽量处于冲模中心,避免坯料在成形过程中窜动,保证制件在一次拉延过程中成形;拉延深度尽可能的浅,在保证产品外观质量的前提下,材料利用率尽可能的高。
⑶制件品质优良。此车门内板零件的外观质量要求高,特征R角位置拉延时不允许产生凸模滑移线、冲击线等表面缺陷,需尽可能减小型面在冲压方向上的高度差,使拉延过程进料均匀。

确定压料面

压料是拉延过程中非常重要的功能,坯料就是沿压料面逐渐流入模具型腔的,因此压料面的设计要使产品不同部位的拉延深度尽量均匀,坯料流动阻力的分布满足拉延成形的需要,保证制件在各个截面上变形均匀(拉延深度一致)。合理的压料应该保证压料面上的材料不起皱,以及流入凹模的坯料不起皱、不破裂。压料面设计不合理会使压边圈压料时形成起皱、聚料、松弛等,甚至在成形过程中无法消失而残留在零件上。在设计此车门内板拉延模的压料面时,应注意以下两方面内容:
⑴压料面设计时优先采用单曲面,以保证压料面的光顺,其阻力变化相对容易控制,便于将模具调整到最有利于拉延成形所需要的最佳压料面阻力状态。考虑该车门内板的刚性要求,压料面设计为单曲面直纹可展曲面。
⑵压料面任一断面的曲线长度要小于拉延件内部相应断面的曲线长度,凹模内的毛坯产生一定程度的胀形变形,可以保证坯料的刚性,否则会使拉入凹模内的多余材料无法延展。
综合上述内容,设计拉延模面并在UG软件上建模,如图4所示。

有限元分析模拟

在拉延模面建模完成后进行CAE的模拟分析,首先对坯料尺寸、拉延筋系数进行调整。汽车覆盖件拉延成形中,一般采用拉延筋或拉延槛,其分布形状跟凸模轮廓线随形,两者距离一般在20~25mm之间,从截面形状上分为圆筋、方筋、拉延槛(半方筋)。拉延筋增加了压料面上各位置的进料阻力,控制材料的流动方向和进料速度,调节材料流入量,大大改善零件的拉深条件,是防止覆盖件起皱、开裂、拉延不足等成形缺陷发生的最有效方法。
拉延开始前,模具压边圈与凹模先闭合,坯料被拉延筋压弯成形,随后在凸模作用下,坯料的周边产生拉延变形并向凹模走料,坯料沿拉延筋表面滑动产生的摩擦阻力和弯曲变形阻力,都使毛坯断面内的径向拉应力加大。通过更改拉延筋的高度、圆角半径以及拉延筋的间距,可以调整进料阻力,这种调整径向拉应力的方法十分方便有效。当拉延筋之间间距过大时,就会出现坯料在此处堆积,而合理的拉延筋间距会给坯料一个反向的作用力,阻止坯料的继续流入,消除堆料现象。
考虑到CAE分析的计算时间,在初次计算时,使用等效拉延筋代替实体筋,待初次CAE结果得出后,再作针对性调整,等效拉延筋如图5所示,模拟结果如图6所示,从FLD图中可以看出,拉延型面零件变形充分,变形区控制在FLC安全范围之内,材料流动合理,零件有较好的塑性变形,拉深零件无暗伤、破裂的风险。

产品工序分配

通过前期对产品的分析,对此车门内板做了5道工序的排布。对5道工序影响大的主要是门把手处的冲孔与周圈修边及翻边的协调处理。通过对工艺内容和模具结构的优化,实现了工序节省的目标,详细工序分配如图7所示。

物理验证

根据CAE模拟结果优化后的工艺参数,优化拉延模面,设计加工模具,调试得到拉深件及产品件如图8、图9所示,试模结果与模拟仿真结果基本吻合,零件成形良好,无暗伤与开裂缺陷,外观品质优良。

结束语

车门内板作为汽车车身开发过程中难度较大的关键制件,若前期分析不充分,会造成产品设计出现大量的变更,后期制造、调试难度大,整改周期长、成本高的问题,我们在研究复杂型面拉深模具型面设计的基础上,通过CAE仿真模拟分析,能够预测覆盖件成形过程中存在的问题,根据数值模拟结果调整相应的工艺参数,并将优化后的工艺参数应用于实际生产中,可有效指导模具现场调试,减小模具调试时间,提高模具制造效率。

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