產(chǎn)品介紹及分析
構成汽車車身的零件一般分為三類：外覆蓋件、內(nèi)覆蓋件和骨架件，前兩者統(tǒng)稱為覆蓋件。汽車頂蓋作為一種典型的外覆蓋件，在質量要求上被劃分為A類件，是消費者最直觀接觸到的零件之一，這就要求汽車頂蓋在其表面上有著相對苛刻的要求。對于本文所述無天窗類頂蓋，其拉深程度小，表面圓弧大，沒有復雜的特征形狀，因此總體來說其成形相對簡單，但是仍不可避免存在圓角凹陷和破裂、法蘭部位起皺等缺陷，其中最難以解決的問題是拉延后大面積回彈。
在汽車輕量化的要求下，頂蓋常用5系及6系鋁合金進行冷沖成形，且厚度較薄，一般在1mm左右。本文所述為江淮某型號汽車頂蓋，其材料指定為6016鋁合金，厚度為1mm。該材料強度較高，綜合性能較好，但是延伸率較低，屈強比大，在常溫下成形性能并不是很好，而且成形后回彈嚴重，因此需要設計更為有效的柔性成形工藝來提高表面質量和制件精度。充液拉深工藝作為一種典型的柔性成形工藝，被廣泛應用于汽車制造和航空航天領域。該工藝在成形階段通入高壓液體代替凹?；蛘咄鼓＃档湍＞叱杀疽约昂笃诘男弈r間，并能在模具之間形成良好的潤滑作用，減小摩擦力。現(xiàn)針對該零件已經(jīng)設計完成一套完整的拉延模具，但在后續(xù)參數(shù)調(diào)整中發(fā)現(xiàn)仍然存在一定的問題，主要是法蘭起皺和回彈量過大，本文在現(xiàn)有模具基礎上，基于大型商用有限元模擬軟件Dynaform對模具進行調(diào)整和工藝改進，提高成形質量并減小回彈。
初始模具成形效果
圖1為根據(jù)現(xiàn)有模具提取的有限元模擬當中使用的模型示意圖。該零件成形過程中，其成形質量主要受到壓邊力、拉延筋形狀和分布、以及液壓加載方式的影響。現(xiàn)有模具中拉延筋的形狀和位置已經(jīng)固定，從俯視圖來看主要為四周直邊，圓角處無拉延筋，前階段模擬中主要調(diào)整壓邊力以及液壓加載曲線。通過模擬得到的最優(yōu)的壓邊力為40kN，液壓力在調(diào)整過程中主要采用如圖2所示的三種加載方式，得到的最優(yōu)路徑為c，該路徑可以保證成形過程中板料充分變形，減少起皺和拉裂缺陷。模擬得到的最佳結果如圖3(a)所示。
圖1 原始模面充液拉深有限元模型
圖2 不同液壓加載路徑
由圖3(a)可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過優(yōu)化后四個圓角處仍然存在較為嚴重的起皺現(xiàn)象，這與現(xiàn)場實物出現(xiàn)的問題一致，如圖3(b)所示?？梢耘袛?，現(xiàn)有模具仍存在待改進之處，因此設計兩種改進方案如下文所述。
圖3 模擬結果與實物對照示意圖
改進方案一（壓邊圈填補法）
進一步分析起皺的原因可以發(fā)現(xiàn)，凹?？?個交角區(qū)域在上模下行的過程中沒有模具限制，成形后出現(xiàn)嚴重的起皺缺陷，如圖4所示。因此對原模面進行優(yōu)化設計，如圖5所示，將上模4個交角區(qū)域（圖5(a)標注區(qū)域）添加到壓邊圈上。通過補充壓邊圈內(nèi)圓角處，增大壓邊圈在下壓過程中對坯料的作用效果，減小坯料圓角成形過程中的失穩(wěn)現(xiàn)象，從而消除起皺。優(yōu)化后的模面得到圖6所示的結果，可以發(fā)現(xiàn)起皺現(xiàn)象得到明顯改善，減薄率為13.9%，符合制件減薄率＜15%的要求。
圖4 起皺原因示意圖
圖5 模具優(yōu)化示意圖
圖6 方案一優(yōu)化結果示意圖
分析上述結果可以判斷該修模方案可以很好的滿足對頂蓋成形質量的要求，但是仍然存在一些問題。如果按照上述方案進行優(yōu)化，需要對壓邊圈及凸模進行較大程度修改，這是一個相對來講很復雜的工作，會花費大量的人力物力，這就要求找到更為簡單的方法。
模擬過程中可以發(fā)現(xiàn)成形主要的影響參數(shù)為拉延筋形狀和位置、壓邊力以及液壓曲線，這幾個參數(shù)反復協(xié)調(diào)以后發(fā)現(xiàn)角部仍存在起皺以及拉裂情況，因此在較優(yōu)參數(shù)下又進行了坯料形狀和大小的優(yōu)化，目的是應用最小阻力原則改善金屬在角部的流動情況。在設計的幾種板料形狀中選擇主要的三種如圖7所示，其圖7(a)方形板料尺寸為1700×1300mm2，圖7(b)和圖7(c)所示板料是在圖7(a)所示板料基礎上分別進行了倒圓角和倒斜角處理，從模擬結果可知圖7(c)所示板料形狀為最優(yōu)，如圖8(b)所示，無拉裂和起皺情況，減薄率符合要求。
圖7 坯料形狀優(yōu)化示意圖
圖8 拉延筋優(yōu)化示意圖
回彈預測
通過前期對模面的修改工作，已經(jīng)可以很好的達到成形要求，但是仍需要對拉延結束后的回彈進行預測和分析。圖9(a)為公司按照原有工藝生產(chǎn)的零件在拉延之后實際測得的回彈量，圖9(b)為基于Dynaform軟件的回彈模塊得到的回彈云圖，兩者整體趨勢基本相同，模擬的數(shù)值略大于實測值。由圖中可以看到，回彈最嚴重的的部位發(fā)生在兩側的工藝補充面上，一般認為，只要實際的零件覆蓋范圍內(nèi)回彈值滿足要求即可，在此基礎上盡量控制補充面上的回彈，避免在修邊工序后應力釋放導致回彈加劇。
圖9 回彈檢測報告及模擬結果
在現(xiàn)有結果基礎上根據(jù)最終制定的拉延筋排布方式以及坯料的形狀，進行拉延筋參數(shù)、壓邊力、模具間隙和液壓力這幾個影響回彈的主要參數(shù)進行協(xié)調(diào)和優(yōu)化，得到的回彈優(yōu)化結果如圖10所示。從圖中可以知道，零件覆蓋的范圍內(nèi)回彈基本小于0.5mm，滿足生產(chǎn)要求，即使修邊之后應力釋放使回彈增大，生產(chǎn)中可以通過后續(xù)整形工步實現(xiàn)回彈控制。
圖10 回彈優(yōu)化后回彈模擬結果
結論
在原有模型基礎上，針對起皺和回彈問題對模具結構進行兩種方案優(yōu)化，一種是對壓料面進行較大修改，該方案可從本質上解決起皺問題；另一種方案通過在圓角處增加拉延筋來改善起皺問題，并通過壓邊力和拉延筋等參數(shù)設置的協(xié)調(diào)以及坯料形狀的修改改善回彈問題。綜合兩種修模方案，出于對實際生產(chǎn)條件和成本的考慮，擬采用第二種方案。
