【成型案例】背门内板冲压数值模拟及工艺改进

2016-09-09 by:CAE仿真在线来源:互联网

在数值模拟分析的基础上,制定出合理的冲压工序排布方案,对于实际生产有着重要的指导意义。本文对背门内板的成形工艺进行了分析,利用AutoForm软件分析其成形性并对成形工艺进行了改进,工艺改进后的方案能够有效解决开裂和起皱的问题。

汽车覆盖件一般由冷轧薄钢板冲压而成,具有结构尺寸大、形状复杂、板料薄和表面质量要求高等特点。薄板的冲压成形过程是一个复杂的力学过程,它是一个集几何非线性、材料非线性和接触非线性于一体的三重非线性耦合的连续介质力学问题,是一个大位移、大转动和大变形的过程。以往车身覆盖件的模具制造需要反复试模和修模,生产周期长,生产成本很高,产品质量不易控制。随着计算机技术的发展,数值模拟技术在板料成形分析中得到广泛应用,以往只能凭借经验和生产试验得出的结果经数值模拟分析便可快速获得,从而缩短了模具设计与制造周期,降低了模具开发成本,提高了模具和冲压件质量。
汽车背门内板具有尺寸大、形状复杂等特点,成形容易产生开裂、起皱等缺陷。本文利用AutoForm软件分析了背门内板的成形性,并对其成形工艺进行了改进。

背门内板成形工艺分析

本文研究的背门内板模型如图1所示,零件尺寸约为1320mm×1154mm×110mm。从图1可以看出,此零件形状复杂,尤其周边形状多样,变化急剧,周边R角较小,侧壁较深且拔模角度小,拉延时极易出现开裂、起皱等缺陷;此件孔洞较多,冲孔方向不一致,工序排布比较困难;背门内板在背门开启时部分可见,对表面质量要求较高,故此件成形质量控制难度较大。

背门内板冲压方向的确定比较重要,合理的冲压方向不仅能生产出高质量的产品,对降低生产成本也起着积极作用。若采用图2a所示的冲压方向,则侧冲孔的废料将落在产品上无法排出,如图2b所示。经过综合分析,最终确定拉延时的冲压方向如图2c所示。

背门内板冲压数值模拟分析

1. 模拟参数的设定

背门内板形状较复杂,成形有一定的难度,故所用材料为冲压性能较好的DC04,材料厚度为0.8mm。材料性能参数为:屈服强度σs=120~210MPa,抗拉强度σb≥270MPa,硬变硬化指数n≥0.18,厚向异性指数r≥1.5,断后伸长率δ=36%,密度ρ=7.85×10-5N/mm2,杨式模量E=2.1×105N/mm2,泊松比γ=0.3。本例采用弹塑性强化模型进行计算,所用的屈服准则为Hill准则;摩擦因数为0.15。

在CATIA中抽出零件数模片体,以IGS格式导出并导入到AutoForm软件中。工艺补充面在AutoForm软件中制作,如图3a所示,生成如图3b所示的有限元模型工具体。

2. 模拟结果分析

成形极限图(Forming Limit Diagram,简称FLD)是评定薄板成形性能最直接和有效的方法,通过此图可以直观地判断零件起皱、开裂等缺陷,制定出相应的对策。如图4所示,成形极限图中的曲线A为成形极限曲线(Forming Limit Curve,简称FLC),在此曲线以上的区域表示材料发生了塑性破裂,曲线最低位置为平面应变状态,次应变e2=0;曲线B为临界极限曲线,处在曲线A和曲线B之间的区域材料有破裂风险;直线C为双向等值拉伸线,在该线上材料处于双向等值拉应力状态,e1= e2;直线D为单向拉伸线,在该线上材料处于单向拉伸状态,尽管板料厚度没有增加,但材料内部已存在压应力,有起皱趋势;曲线B和直线C、D组成的区域为安全区,这部分区域的材料在成形时既得到了充分拉伸,又没有破裂和起皱的工艺缺陷,此状态为板料成形的最佳状态;直线E为等厚拉伸线,在该线上材料处于等厚变形状态,e1= -e2;直线D和直线E所组成的区域为临界起皱区,该区域内的材料虽然受到压应力,但材料没有增厚;直线E以下的区域为起皱区,e1< -e2,材料厚度增加。

在AutoForm软件中,经过多次调整工艺参数,最终得到了背门内板的两种分析结果。第一种分析结果如图5所示,从图5a成形极限图中可以很直观地看出存在较大面积的开裂区域(红色区)和临界开裂区域(黄色区),由此可以判断该零件开裂严重;起皱区无颜色显示,说明无起皱现象,从图中可以看出开裂的原因是局部主应变过大。从图5b看出开裂的位置分布于零件形状较复杂的周边侧壁区域。引起该零件开裂的原因主要有三个:一是,周边R角过小,局部过于尖锐,存在应力集中;二是,零件侧壁高度较大、拔模角度很小,材料横向流动受阻,材料补给困难,在零件的横向基本靠局部区域材料拉胀成形,产生过大的主应变;三是,拉延筋阻力以及压边力过大,材料流动困难。

为解决开裂问题,我们首先在不修改零件结构的前提下对拉延工艺参数进行调整,减小了拉延筋的阻力,得到了图6a所示的成形极限图,从中可以看出无破裂区域,但临界起皱区(蓝色区)和起皱区(紫色区)所占面积较大,说明零件局部存在较严重的起皱现象;从图6b中可以看出起皱的位置主要分布于零件周边区域。该零件产生起皱的原因主要有2个:一是,零件局部区域形状变化急剧且较复杂,致使局部材料堆积;二是,拉延筋的阻力以及压边力过小,材料流入过多。起皱位置大部分在打开背门时是可见的,影响了整车的外观质量,所以这样的区域表面质量要求较高,通常不允许有起皱出现。

由以上分析可知,此零件无法同时消除开裂和起皱的缺陷。为了验证数值模拟分析结果的正确性,采用此方案生产出了第一批软模件,得到了图7所示的实物图。

从图7中可以看出,背门内板最上部的两个角有明显起皱现象,玻璃窗框的左右下角部虽然经过了人工打磨,仍然可以看出起皱的痕迹,说明此处起皱很严重。图6和图7对比可发现,数值模拟结果与实际生产所得到的结果基本吻合,从而也证明了数值模拟对板料成形分析具有很大的指导意义。

工艺改进及其数值模拟分析
1. 工艺改进
背门内板形状复杂,拉延时存在开裂与起皱的矛盾,为了克服这个矛盾,且在不修改零件结构的前提下得到合格产品,本文采用了一种改进的工艺,新工艺所建立的有限元工具体如图8所示。其工作过程如下:
(1)板料放置在下压边圈上,上压边圈下行与下压边圈接触将板料压住;
(2)上压边圈与下压边圈以及板料一起下行,与凸模共同成形出上压边圈所具有的零件形状;

(3)凹模下行,与内压边圈以及凸模共同成形出剩余的零件形状。

2. 工艺改进后的数值模拟结果分析

为了快速验证工艺改进后的成形性,在AutoForm软件中对背门内板进行了数值模拟分析,分析中所用的拉延筋阻力与工艺改进前的第一种情况相同,得到成形极限图(见图9a),从图中可以看出零件无开裂、起皱缺陷出现,只有极少数位置有开裂风险,后期通过模具调试可以解决,小部分区域存在压应力,材料有增厚的趋势。从图9b中可以看出,在零件的可见区域不存在起皱现象,整个冲压件无开裂区域,质量达到了要求,说明改进后的工艺能有效解决开裂和起皱的矛盾,可获得质量较高的冲压件。但此工艺还需后期实际生产来进一步验证。

以下从工艺改进前后成形过程的对比来分析工艺改进后能够获得合格冲压件的原因。图10所示为工艺改进前的部分成形过程,从中可以看出,零件周边复杂的形状与内部凹陷的形状同时成形,最高点A先接触板料,进料方向只能由外向内,当拉延筋的阻力较大时,周边形状复杂处无法得到足够的材料补给,主要依靠局部材料的拉胀成形;当主应变大于材料的极限应变时,零件周边侧壁发生开裂,零件中心形状是凹陷的,同时内部较平坦,板料线长较大,有足够的板料成形;当拉延筋的阻力和压边力较小时,致使进料速度过快,内部局部区域会出现起皱现象。

图11为工艺改进后的部分成形过程,成形时零件周边复杂的形状最先成形,随着上压边圈下行,内部板料由弧形逐渐被拉直,说明在成形周边复杂的形状时,进料方向不单是由外而内,内部的材料也会进行补给,材料优先贴合在凸模上,周边材料得到聚存,故侧壁得到了较好的形状,开裂问题得以解决;由于内部材料向外侧流出,材料线长缩短,内部形状成形时无法从外侧得到材料,只能依靠材料的局部拉胀成形,保证了内部局部区域不会起皱。所以,从理论上也说明此工艺方案能有效地解决开裂和起皱问题,保证能够得到合格的产品。

背门内板冲压工序排布
采用数值模拟分析手段对该零件的成形进行分析后,确定出板料大小、冲压方向和分模线的位置等,根据得到的相关数据制定冲压工序排布简图,为后期模具方案的制定提供指导。在工序分配时要考虑零件的冲压成形性、稳定性和模具结构实现的可行性、难易程度,以及各工序间的衔接和冲压生产流程等。

此零件孔洞较多,且各类孔的冲切方向不同,给工序安排带来很大困难。孔(包括圆孔和非圆孔)冲切的一般原则为:孔径(特指圆孔直径和非圆孔的最小直线距离)不大于6mm时,冲切方向与孔平面法线角度不大于5˚;孔径在6~12mm之间时,冲切方向与孔平面法线角度不大于10˚;孔径大于12mm时,冲切方向与孔平面法线角度不大于15˚。按此原则并结合该零件孔的功能和属性,同时考虑模具各部分的结构强度,把冲孔安排在3个工序中完成。

经过以上分析并结合数值模拟分析结果,最终成形工序排布为:OP05,落料→OP10,拉延→OP20,修边+冲孔→OP30,整形+冲孔+侧冲孔+翻边→OP40,整形+冲孔+侧冲孔。各工序间零件的旋转角度因不能大于10˚,所以OP20工序相对于OP10工序以Y轴为中心旋转了8˚;OP30工序相对于OP20工序以Y轴为中心旋转了9˚;OP40工序相对于OP30工序以Y轴为中心旋转了10˚。修边和冲孔时要充分考虑废料的排出或收集,在OP20序修边时,两处废料刀因工艺所限布置为刀背对刀背形式,废料切断后会滞留在两废料刀之间,需预留废料提升器,以保证废料顺利排出。详细工序排布如图12所示。

结语

汽车背门内板由于其结构复杂并且具有一定的特殊性,在成形时容易出现开裂和起皱等缺陷,并且这两种缺陷很难同时消除,往往在消除一种缺陷的时候会造成另一种缺陷产生。

本文采用两种工艺方案在AutoForm软件中分别对背门内板进行了数值模拟分析,通过结果对比分析,工艺改进后的方案能够解决开裂和起皱的矛盾,得到质量合格的冲压件。因此,对于有背门内板类似结构的零件,如左右车门内板等,都可以采用本文中改进的方案进行成形,解决开裂和起皱缺陷。虽然数值模拟分析得到了较好的结果,但此改进方案还有待实际生产的验证。

借助数值模拟分析方法,为冲压成形的评估提供了重要参考,可以制定出较合理的冲压工艺,为模具方案的制作提供参考。

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