案例

圖1所示是某轎車翼子板,圖2所示列舉了后期模具開發過程中經常遇到前保險杠處的圓角開裂、翻邊起皺、A面凹凸及圓角不順等質量缺陷。

圖1 某車型翼子板

圖2 翼子板前保險杠處翻邊常見缺陷

常見的翼子板前保險杠處結構

根據不同車型的屬性要求,翼子板與前保險杠的匹配安裝結構存在一定差異,一部分車型前保險杠Y 向安裝點在翼子板上,另一部分車型前保險杠Y向安裝點在支架上,支架與翼子板焊接在一起。按照這種分類方法,翼子板前保險杠處的結構可以分為2 類:一類為帶有法蘭面的整形結構;另一類為不帶法蘭面的翻邊結構(見圖3)。通常情況下,帶法蘭面的整形結構主要用于整形深度小于30 mm且形狀相對簡單的情況;不帶法蘭面的翻邊結構主要應用在翻邊深度超過30 mm,翻邊容易起皺的情況。

圖3 翼子板前保險杠處2 種不同搭接結構

常見結構工藝分析

1、帶法蘭面整形結構工藝分析

圖4 所示為某車型翼子板前保險杠處結構,整形深度約33 mm,法蘭面寬度約66 mm,鈑金材料為DC54D+Z。分為5 道工序成形,初步設定此位置處工序內容為:①拉深;②修邊;③整形;④沖孔;⑤側沖孔。

圖4 帶法蘭面某車型翼子板前保險杠處結構

翼子板前保險杠處型面在工序①過拉深出部分圓角,主要型面在工序③一次整形到位,通過CAE仿真軟件AutoForm 建立有限元模型對全部工序進行成形模擬分析。

(1)板料為DC54D+Z,其屈服函數如下:

式中:-σ——沿軋制方向的等效應力;x、y——板料的軋制縱向和橫向;r——各向異性平均值。

板料厚度為0.7 mm,材料參數為n=0.22,r=1.54,k=537.2,αs=160 MPa,αb=309.6 MPa。

(2)板料采用等向指數強化模型,應力應變關系數學表達式為:

式中:α —— 應力;K—— 硬化系數;ε —— 應變;n——硬化指數。

(3)有限元分析模型建立。利用AutoForm軟件自動進行工具體網格單元劃分,并建立拉深工序及整形工序有限元模型,如圖所示5,模型中凸模、凹模、壓邊圈、壓料芯、整形刀塊設為剛性材料,分析中采用彈塑性殼單元理論,網格進行自適應4 級劃分。為減少計算時間,拉深筋簡化為等效模型(虛擬筋)。拉深行程為100 mm,壓邊力為1 200 kN,板料與模具各零件間的摩擦因數取為0.15,成形速度V=1 m/s。

圖5 拉深及整形有限元分析模型

由于整形量大,零件形狀復雜,整形CAE分析起皺嚴重,如圖6 所示,工程師反饋已無法再降低整形深度,只能通過工藝解決。經反復嘗試,整形時在上模增加壓料板,外側壓住板料后再整形的效果較為理想,起皺問題得到明顯改善。圖7 所示為壓料整形方案;圖8 所示為壓料整形分析結果;圖9 所示為按照壓料整形的工藝加工的模具成形的零件,無起皺現象,滿足零件質量要求,此壓料整形方案可行,可以應用于后續類似結構的翼子板上。

圖6 整形分析法蘭面起皺結果

圖7 帶法蘭面壓料整形方案工藝簡圖

(a)距到底3 mm (b)距到底1 mm

圖8 帶法蘭面壓料整形分析結果

圖9 實際模具成形的零件

2、不帶法蘭面的翻邊結構工藝分析

圖10 所示為某車型翼子板前保險杠處結構,整形深度約47 mm,板料為DC54D+Z。由于此翻邊太深,若直接翻邊成形會嚴重起皺,初步設定直接采用外側先壓料后整形的工藝,CAE模擬分析仍然起皺嚴重(見圖11),說明壓料整形方案針對深度太深的結構不適用,需要考慮其他方案。結合以往車型鈑金件開發經驗及此翼子板翻邊結構的特殊性,此處可以考慮增加下部浮動托料板(通過氮氣缸來實現)進行壓料翻邊,其結構如圖12 所示。經過CAE 模擬分析驗證,此方案整體可行,僅在A 面(圖11 中橢圓處)過渡劇烈位置側壁仍存在輕微起皺,圖13所示為實際模具托料翻邊成形的零件,側壁僅存在輕微起皺,驗證此方案可行,可以應用于后續類似結構的翼子板上。

圖10 不帶法蘭面某車型翼子板前保險杠處翻邊結構

圖11 不帶法蘭面壓料整形分析結果

圖12 托料翻邊結構

圖13 托料翻邊模具成形的零件

常見結構設計優化

零件結構設計的好壞直接影響成形工藝,通常情況下,帶法蘭面的整形結構主要用于整形深度小于25 mm且形狀相對簡單的情況,建議結構斷面參考表1 進行設計,且表中L2及L3要加工成相等深度,不然整形過程中會出現起皺。針對汽車外表面起伏較大的特殊情況,零件還需要考慮增加工藝缺口。

表1 帶法蘭面整形結構設計參考斷面

圖14 增加工藝缺口

由于零件結構等特殊原因,翼子板前保險杠處深度需大于30 mm,建議搭接結構做成翻邊加支架的形式,有利于改善翻邊成形性,同時翻邊深度盡可能等深(基于沖壓方向),防止翻邊整形過程中出現起皺及開裂等缺陷。針對橢圓處起伏較大的特殊情況,翻邊成形容易起皺及開裂,零件還需要考慮增加合適的工藝缺口,如圖14所示。