汽車縱梁的成形仿真分析及工藝優(yōu)化

文/柴克文，何桂嬌·安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心

柴克文，沖壓工藝工程師，主要從事汽車覆蓋件的工藝設(shè)計及新開發(fā)模具的調(diào)試工作。

根據(jù)縱梁外形對其成形過程進(jìn)行模擬，縱梁造型最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間落差較大，在成形過程中在落差較大的區(qū)域形成懸空區(qū)，產(chǎn)品容易起皺。通過分析起皺原因，在懸空區(qū)增加壓料芯進(jìn)行模擬。在產(chǎn)品可接受范圍內(nèi)，在拉延過程中對懸空區(qū)壓料進(jìn)行處理，對普通拉延模具進(jìn)行改進(jìn)，使模具結(jié)構(gòu)達(dá)到工藝要求。

駕駛室縱梁是車身中主要的連接及受力零件，是車身高強(qiáng)度鋼中的困難件，更是汽車沖壓件生產(chǎn)領(lǐng)域的一個短板。由于成形過程較難控制，各車型縱梁零件形狀各異，各車型縱梁成形方式各不相同，模具調(diào)試周期長，匹配性差，往往很難達(dá)到預(yù)期設(shè)定的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，主要表現(xiàn)為零件開裂、起皺、回彈嚴(yán)重、扭曲、模具拉毛、面精度低等。零件的成形性及精度得不到保證，嚴(yán)重影響地板總成及白車身的精度。

沖壓成形工藝分析

拉延是沖壓件成形最重要的工序，通過拉延沖壓件的形狀基本或全部呈現(xiàn)，其直接影響沖壓件精度及外觀品質(zhì)。拉延工藝設(shè)計過程主要包括對零件數(shù)模進(jìn)行分析、確定沖壓方向、對沖壓件的孔進(jìn)行填充、確定修邊線、設(shè)計壓料面、對沖壓件進(jìn)行工藝補(bǔ)充、拉延筋的設(shè)計、初步確定拉延用板料的尺寸。

產(chǎn)品分析

縱梁是卡車駕駛室重要的承重零件，縱梁總成更是白車身的基準(zhǔn)，其與駕駛室前、中、后地板搭接構(gòu)成整個地板總成，縱梁的精度直接影響著白車身的整體精度。圖1為江淮某輕卡縱梁零件。

圖1 縱梁零件圖

該縱梁零件的材質(zhì)為B170P1（表1為B170P1基本參數(shù)），料厚為1.2mm，零件長1140mm、寬430mm、深度270mm，零件整體呈S形；零件造型較復(fù)雜，工藝設(shè)計時要考慮成形過程中零件起皺、開裂的問題，以及零件的回彈控制、扭曲變形。由于縱梁需與前、中、后地板同時搭接，縱梁造型呈前后不同的兩段落差，此落差急劇且深度為216mm，拉延成形時極容易起皺疊料，同時前后兩段落差段呈S形，側(cè)壁角度為93°，成形后會產(chǎn)生扭曲變形，零件側(cè)壁與縱梁加強(qiáng)板搭接成形性差，存在回彈，拉深成形后需整形確保零件尺寸精度，零件前段造型限制無法拉延成形，需后期整形。

表1 B170P1基本參數(shù)

料厚/mm 屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa 厚向異性系數(shù) 硬化指數(shù)1.2 170～260 ＞340 1.5 0.18

沖壓方向的確定

圖2為縱梁沖壓方向，方向確定時，主要考慮以下因素，拉延工序下不存在沖壓負(fù)角；工件拉延過程定位可靠不存在竄料等現(xiàn)象；沖壓件整體拉延深度盡可能??；為保證拉延過程材料流動的均勻性，應(yīng)盡量擴(kuò)大坯料進(jìn)入凹模時的接觸面；沖壓件各部分拉延深度應(yīng)盡量相差不大。

圖2 縱梁沖壓方向

設(shè)計壓料面

設(shè)計拉延壓料面應(yīng)保證整個壓料面過渡平順，控制合適的拉延深度（太深降低材料利用率，太淺容易塑性變形不充分，零件剛性不足），為保證拉延過程中坯料均勻的流動并且逐漸貼合凸模，壓料面應(yīng)和零件形狀相似，圖3為縱梁壓料面形狀。

圖3 壓料面形狀

對零件進(jìn)行工藝補(bǔ)充

工藝補(bǔ)充是根據(jù)零件形狀特點(diǎn)添加合適的補(bǔ)充部分以便成形出合格零件，其對拉延過程及結(jié)果影響巨大，坯料的變形，工藝參數(shù)以及零件表面質(zhì)量和精度等都受到工藝補(bǔ)充的影響。圖4為縱梁的工藝補(bǔ)充，根據(jù)工藝設(shè)計，前段需攤平做工藝補(bǔ)充為更好的成形，對局部拉伸深度較大且不易流動的補(bǔ)充區(qū)域進(jìn)行局部圓角擴(kuò)大增加工藝補(bǔ)充量，防止此處拉延開裂，工藝補(bǔ)充最淺拉延深度為140mm，最深拉延深度為195mm。

圖4 縱梁工藝補(bǔ)充

坯料形狀及尺寸的確定

坯料形狀及尺寸是一個很重要的工藝參數(shù)，板件的大小及形狀影響著拉延成形過程中材料流動的均勻性及塑性變形是否充分，影響板件的成形極限，同時影響修邊余量及材料利用率。為了達(dá)到更好的零件成形情況及提高材料利用率，確定毛坯形狀如圖5所示，板料采用方料，在拉延之前增加落料工序。

圖5 落料形狀

成形過程模擬

拉延工序模擬與分析

設(shè)置模具與板料之間的摩擦系數(shù)為0.15，拉延筋采用虛擬筋，圖6為拉延模擬初始狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)為凹模在上，凸模在最下，中間壓邊圈，板料在壓邊圈之上，拉延模擬成形過程為凸模不動，凹模向下移動與壓邊圈接觸壓緊板料，然后共同下移完成與凸模的成形貼合過程。

圖6 拉延模擬初始狀態(tài)

根據(jù)拉延模擬的結(jié)果對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行更改設(shè)計，在壓邊力為900kN，拉延深度為195mm，摩擦系數(shù)為0.15的情況下，模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 工藝分析結(jié)果

拉延工序模擬優(yōu)化

根據(jù)以上模擬結(jié)果可以看出，在縱梁臺階急劇變化的地方有增厚起皺，并且無法消除，影響零件質(zhì)量，且此處與縱梁內(nèi)板加強(qiáng)板搭接無法增加吸皺筋，其他地方成形均勻，符合設(shè)計要求。經(jīng)過分析，由于零件結(jié)構(gòu)此處變化急劇，在成形過程中由于沒有設(shè)置預(yù)彎工序，成形過程中凸凹模貼合時間不同，此處較其他地方貼合較晚，形成懸空區(qū)引起材料流動不均勻，導(dǎo)致產(chǎn)品件起皺嚴(yán)重。

由于產(chǎn)品件造型復(fù)雜，目前已通過5道工序完成此零件從板料到產(chǎn)品件的出件，從模具工裝成本及生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性考慮不增加預(yù)彎工序，所以對拉延模擬過程進(jìn)行調(diào)整再次進(jìn)行模擬分析，具體方案是根據(jù)以上模擬的結(jié)果在拉延開始時就對起皺嚴(yán)重的地方進(jìn)行壓料，具體如圖8所示，確保板料在拉延過程中流動的均勻性，來降低縱梁零件變化急劇地方起皺、疊料的風(fēng)險。

圖8 凹模拉延壓料位置

調(diào)整后的拉延模擬初始狀態(tài)，除了在凹模相應(yīng)部位增加活動壓料面外，其余和第一次模擬初始狀態(tài)基本相似，設(shè)置壓邊力為900kN，摩擦系數(shù)為0.15，活動壓料面的壓料力為3MPa。

圖9所示為在凹模設(shè)置活動壓料面的拉延模擬結(jié)果和材料成形極限圖，對比第一次模擬結(jié)果及成形過程，可以看出縱梁急劇變化的地方只存在輕微的起皺，總體零件成形均勻符合產(chǎn)品設(shè)計的要求。

拉延凹模壓料面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)以上分析結(jié)果可以看出，在凹模設(shè)置活動壓料面的結(jié)果優(yōu)于普通分析結(jié)果，但是凹模設(shè)置活動壓料面需對拉延模具進(jìn)行改進(jìn)。圖10所示為改進(jìn)后縱梁拉延模具的結(jié)構(gòu)，一端為可伸縮的彈性壓料機(jī)構(gòu)安裝于凹模的底部，可伸縮端面為凹模局部工作型面，在機(jī)床上滑塊帶動下凹模下行，當(dāng)上模下行時伸縮端的端面沿模具沖壓方向運(yùn)動到一定位置后彈性壓料機(jī)構(gòu)的伸縮端首先與板料接觸，并將板料壓緊在凸模上，凹模繼續(xù)下行，直至彈性壓料機(jī)構(gòu)的伸縮端面與凹模的模面平齊，此時模具閉合，完成整個拉延過程；之后，凹模在機(jī)床上滑塊的帶動下向上移動，彈性壓料機(jī)構(gòu)將工件推出凹模，在凹模內(nèi)部限位作用下伸出到一定位置。

彈性壓料機(jī)構(gòu)包括固定座、伸縮彈性元件、料芯、墊塊和限位塊，固定座固定于凹模底面上，伸縮彈性元件安裝在固定座上，壓料芯的端面與板料接觸后沿模具沖壓方向反方向運(yùn)動，直到接觸到限位塊，此時模具閉合拉延結(jié)束，伸縮端面與凹模型面平齊。由于伸縮端面為凹模型面一部分，同時為提高預(yù)變形效果壓料芯的可伸縮端面形狀根據(jù)制件的形狀設(shè)定。本縱梁端面形狀為零件落差較大處形狀；為防止壓料芯晃動而導(dǎo)致的板料竄動，提高結(jié)構(gòu)性能，壓料芯上設(shè)置有中心線沿著模具沖壓方向延伸導(dǎo)向孔，伸縮彈性元件的一端穿過導(dǎo)向孔與壓料芯連接，導(dǎo)向孔內(nèi)設(shè)置墊塊防止壓料芯受力損壞。

圖9 在凹模設(shè)置活動壓料面的工藝分析結(jié)果

圖10 優(yōu)化后模具結(jié)構(gòu)

1-凹模 2-彈性元件 3-固定板 4-限位塊 5 -墊塊6-壓料芯伸縮端 7-凸模 8-壓邊圈

CAE分析情況與量產(chǎn)情況對比

縱梁底面落差處存在輕微不平整，在可接受范圍內(nèi)，與CAE模擬分析結(jié)果一致，此處材料增厚，后段閉合處存在疊料現(xiàn)象，增加吸皺工藝，CAE模擬分析時料片此處存在疊料，由于對廢料區(qū)未做處理，實(shí)際疊料嚴(yán)重對模具影響較大。

結(jié)束語

本文對汽車駕駛室縱梁進(jìn)行成形過程仿真分析，根據(jù)結(jié)果對相關(guān)模擬過程進(jìn)行優(yōu)化，并且通過改進(jìn)拉延模相關(guān)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工藝的設(shè)計。通過模擬狀態(tài)對比，在懸空處增加壓料裝置能顯著改善成形過程材料的流動，提高材料的成形性能，降低起皺缺陷；通過模擬狀態(tài)與實(shí)物對比，確定模擬結(jié)果與實(shí)際狀態(tài)結(jié)果類似。根據(jù)現(xiàn)場情況做一定的調(diào)整就可調(diào)試出合格的沖壓件；整個模擬的過程及結(jié)果有效地指導(dǎo)了工藝設(shè)計的優(yōu)化、模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計及調(diào)試出件的驗(yàn)證過程。

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