汽車鋁板頂蓋成形回彈優化的數值模擬論文
1 引 言
為滿足汽車輕量化要求,輕量化材料得到了迅猛發展。與鋼板相比,鋁合金具有密度小、比強度高、耐鏽蝕等優點,能滿足汽車輕量化的要求,成為汽車輕量化技術中替代鋼板的主要材料之一。由於微觀結構差異,汽車用鋁合金板的成形性能與汽車鋼板相比有較大的差異,傳統鋼板的成形理論和技術不能直接應用到鋁合金板上。汽車用鋁合金板的衝壓成形機理和規律是國際學術研究的前沿技術。頂蓋作為汽車最重要的大型外覆蓋件之一,其質量的好壞直接影響整車的外觀和質量。回彈是汽車頂蓋主要缺陷之一,會造成頂蓋外觀變形和裝配困難。以下通過採用不同的衝壓工藝方案,探索解決汽車鋁板頂蓋回彈的方法。
2 零件衝壓工藝分析
汽車頂蓋,外形尺寸為 1 792 mm×1 244 mm×131 mm。中 A 段為車頭部分,C為車尾部分,B段與D段對稱。零件衝壓工藝如下:①拉深;②正修邊、側修邊和A段整形;③衝孔、修邊和C段整形;④衝孔、修邊及B、D段側翻邊。
3 CAE 回彈結果分析
由於零件B、D段對稱,其工藝性質一致,僅對A、B、C 3 段採用 Autoform 進行仿真分析。零件各工序模擬回彈結果,工序①的回彈主要集中在零件周邊的工藝補充面上;經工序②切邊後,板料內應力得以釋放,零件回彈量整體減小;工序③的回彈主要集中在B、C段天窗翻邊處,零件外邊緣回彈量較小;工序④的天窗翻邊處回彈量減小,但A、C段的回彈與工序③相比明顯增大。對比工序③、④的工藝和仿真回彈分析,零件天窗區域翻邊是工序④回彈量增大的主要原因。
4減小天窗翻邊回彈的措施
根據回彈結構分析,優化零件天窗區域翻邊工藝。
方案2:保持板料原有形狀,僅改變天窗翻邊的工藝補充面形狀,在拉深工序進行局部天窗翻邊,將翻邊R角由R2.5mm增至R3mm,特徵深度8 mm,底部圓角R6 mm。經分析,R3 mm圓角處開裂嚴重,原因是新增凹坑會在成形中增大板料向內流動的阻力,板料流經R3mm圓角時受力大於材料的抗拉強度,導致失穩破裂。
方案3:天窗翻邊處工藝補充面不變,在板料中間開孔。根據方案2的工藝缺陷,凹坑特徵處的板料僅由外部板料補充,R角處受到較大拉應力以致開裂。在板料中間開孔後,天窗區域板料不再是單獨脹形,板料開孔邊界會隨着拉深進程向外擴張,補充凹坑處的板料。成形仿真結果可知,在板料中間開孔後大大降低了零件中間區域的應力,板料R3 mm圓角處的開裂消失,零件E面(不易充分拉深,另外板料開孔處圓角部分受力不均,易失穩開裂。
方案4:板料尺寸和凹坑與方案3相同,但在板料開孔處加上壓料板並施加350 kN的壓力。
如圖6所示,以凹坑內邊界為界限設計上壓料板,並在上壓料板上設置加強筋,圖6(b)為A-A截面的尺寸參數,圖6(c)為B-B截面的尺寸參數。
方案4仿真成形結果,在板料開孔處加上壓料板後,板料開孔區域拉深狀態得到改善,上壓料板拉深筋外側區域成形充分。因上壓料板對板料流動的控制作用,板料開孔區域向外擴展的.過程中變形均勻,圓角處開裂消失。
方案5:外側壓邊圈與方案4相同,將板料中間開孔處的上壓料板換為內壓邊圈,並在該處設置台階,加強內壓邊圈對板料的成形作用。
方案5仿真成形結果,板料開孔圓角部分受力不均,易失穩開裂,但與方案3相比,零件E面拉深較充分。
5 結果比較
5.1 拉深減薄率對比
方案1、4、5拉深減薄率對比,方案1 減薄率較大區域出現在零件 A、C 段的 R 角區域(最大減薄率0.18),方案4減薄率較大區域出現在零件天窗圓角翻邊處(最大減薄率0.228),方案5減薄率較大區域出現在內壓邊圈台階的R角處(最大減薄率0.21),尚滿足標準。綜上所述,對比方案1、方案4和方案5的減薄率,零件E面的減薄率基本相同,但在局部圓角處的減薄率存在差異。
5.2 回彈對比
圖11所示為方案1、4、5在成形零件經過工序④後的回彈分析圖,對比如下:
(1)方案4與方案1相比:零件A段的回彈量超差區域減小,該處回彈最大值由9.52 mm降至6.34mm;C 段整形區域的回彈量超差區域基本消失,優化效果明顯,回彈最大值由4.29 mm降至3.24 mm;B 段翻邊區域的回彈量整體降低。
(2)方案5與方案1相比:零件A段的回彈量超差區域減小,但回彈的整體趨勢與方案1相反;B段翻邊區域的回彈量整體增大以致超差,該處回彈最大值為9.39mm;C段翻邊區域優化效果明顯,回彈超差區域基本消失。
綜上所述,施加上壓料板優化零件整體回彈狀態,天窗翻邊處回彈優化效果明顯;施加內壓邊圈對零件A、C段的回彈狀態優化效果明顯,但天窗翻邊處的回彈狀態惡化。
6 結束語
(1)單獨在零件天窗區域增加凹坑(方案2)雖可成形出部分天窗翻邊,減小後續天窗翻邊所造成的回彈,但板料R角處易開裂;在板料中間開孔(方案3)雖可消除板料R角處開裂,但因釋放零件中部應力導致靠近開孔處拉深不充分。
(2)在板料開孔處加上壓料板(方案4)和施加內壓邊圈(方案5),零件E面的減薄率基本相同,但在局部圓角處的減薄率存在差異。
(3)在板料開孔處加上壓料板(方案4),開口圓角部分開裂消失且零件E面拉深充分;零件整體回彈狀態得以改善,天窗翻邊區域回彈優化效果明顯。施加內壓邊圈(方案5)可優化零件E面的拉深狀態,但板料開孔R角處易開裂;零件A、C區的回彈狀態效果明顯,但天窗翻邊處的回彈狀態惡化。相對而言,施加上壓料板對控制零件整體回彈的果較好。
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