基于渐变间隙补偿法的汽车后门外板成形优化设计

模具工业2013年第39卷第9期27基于渐又间隙补偿法的汽车后门外板成形优化设计田植诚，鲁志兵，付三令，朱取材1合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽合肥230009；2瑞鹄汽车模具公司，安徽芜湖241009摘要以汽车车厢后门外板为例，建立了倒装单动有限元模型并分析了其成形接触状态。基于间隙补偿原理，通过一种工作间隙渐变的压边圈，均衡冲压成形过程中板料受力状况。利用模拟求解验证，制件无成形缺陷且表面无冲击滑移痕迹。卸载后制件的回弹得到了有效地抑制，最大回弹量较传统工艺减小了50以上。经过生产实践，制造出了合格的制件。关键词后门外板；接触应力；优化设计；回弹控制中图分类号TG38632文献标识码B文章编号10012168201309002706FORMINGOPTIMIZATIONOFAUTOMOTIVEFEARDOORBASEDONCOMPENSATIONMETHODOFPROGRESSIVECLEARANCETIANGHICHENG，LUZHIBIN，FUSANTIN，ZHUQUCAI21SCHOOLOFMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING，HEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY,HEFEI，ANHUI230009，CHINA2RAYHOOMOTORDIESCO，LTD，。WUHU，ANHUI241009，CHINAABSTRACTTAKINGATRUNKREARDOORASEXAMPLE，THEFEMMODELOFTHEINVERTEDASSEMBLINGSTRUCTUREOFTHEFORMINGDIEWASESTABLISHEDANDTHECONTACTSTATEDURINGTHEFORMINGPROCESSWASANALYZEDTHROUGHUSINGABLANKHOLDERWITHPROGRESSIVEWORKINGCLEARANCE，THECONTACTSTRESSSTATEDURINGTHESTAMPINGPROCESSWASBALANCEDUSINGNUMERICALSIMULATIONVERIFICATION，THEPARTSWERENOFORMINGDEFECTSANDNOIMPACTINGSLIPPINGMARKSSPNNGBACKAFTERUNLOADINGWASEFFECTIVELYRESTRAINEDCOMPARINGTOTHETRADITIONALTECHNOLOGY,THEMAXIMUNLAMOUNTOFSPRINGBACKREDUCEDABOVE60KEYWORDSAUTOMOTIVEREARDOOR；CONTACTSTRESS；OPTIMIZATIONDESIGN；SPRINGBACKCONTROLL引言汽车覆盖件不仅具有结构性功能也展现着整车的外观，因此对其形状精度、外观质量提出了较高的要求。随着汽车业的发展，以覆盖件为代表的大型薄板冲压成形理论和计算机模拟技术取得了显著发展”1。通常汽车覆盖件型面由于外形尺寸较火，成形过程中受力不均衡，易在刚度薄弱处产生微小变形，最终制件的尺寸精度与局部形状精度难以保证忙。基于此类问题，以汽车车厢后门外板为例，采用一种渐变间隙的压边圈来调局部成形压力，以减少制件成形后的网弹，经过生产验证，制造出了合格的制件。收稿日期20130516。作者简介田植诚1988一，另汉族，河南洛阳人，硕士研究生，主要从事冲压工艺设计、会属塑性成形艺的研究。2后门外板成形工艺分析2。1后FLGB板结构特点汽车车厢后门外板见图1相接于车后同、后翼子板等覆盖件，不仅形状复杂而且装配关系要求严格。其断面形状近似于V字形，由上、F两个平面构成，交汇处形成一条过渡棱线。车窗位于上平面，川于悬挂后车牌的凹坑位于下平面。制件表面质量、局部形状精度和作为搭接面的外轮廓区域平面度为成形主要控制目标。22成形缺陷产生的原因对于汽车覆盖件，通常采用一次拉深的成形方式，经常导致拉深高度的分布极不均匀，易造成板料在成形过程中冈受力不均而产生变形。此外覆盖件外形尺寸人，整体刚性偏弱，自身受力易产生模具工业2013年第39卷第9期图1汽车车厢门外板结构微小的局部变形，易改变模具型腔面与扳料的接触状况，使局部成形间隙发生变化，造成部分域欠压或过乐4I。这些受力不均的情况最终导致成形后的制什产生同弹，不能满足没计要求。分析模具受力可知，成形力来源压力机上滑块传导的压力。上滑块由传动杆连接机床，从而带动上模做整体刚性运动。传动杆一般分布在一L模的4个角部，远离压力源的模具内部型腔面并不直接受力。但模具外闱受力将在中部型面处产生力矩，使该处形成一定的桡度I。尤其横向跨度较人的覆盖件模贝面变形度更加显并，如2所示。厢后外板成形模具面，内凹拱形，抵抗受力变形能力较筹，且缺少类似加强筋等结构的支撑，使作为成形作型JJ卒的中部易产生隆起变形，造成后门外扳面与模腔面之间间隙人理论值，成形的制什形状误筹人。图2模受力及变形示意图A初始位钱模其表面B闭合模具型面C闭合后理想型面3模具接触受力与变形分析31模具接触应力分析BC利HJABAQUAS软什对模具进行接触应力分析，结果显示模具表面接触应力为6OMPA时，应力云的等值域人小基本稳定，故选取模具表面接触戍力为O60MPA得出应力等值云，如图3所示。图3中刚域反映山模具表面局部凸起使该处L作间隙小理论值，造成载荷强制性增人，卸载后此处残留戍力的释放可能导致制仲住该部位产生同弹。制什边缘和棱线部位的受力明显人丁其他域。接触应力最人值山现在FJ角部，其值为355MPA。型面内片状分布的四角区域，相对丁腔上局部内凹形状，该处板料与型腔面没有充分接触，成形压力过低不利了制件局部形状的成形。通常将制仲局部形状的成形方向相反丁冲压方向的域称为反成形区域，板料在径向和切向拉廊力作，LJ卜通过变薄来维持塑性变形，区域外部材料在拉、压应力的作JJ卜难以向成形域流动。当局部戍力过人时易产生破裂，戍力过小N,JJJJ无法成形山制什的特征形状。由图3可见，面内片状分布的四角域主要存在具有反成形特征的部位。图3模面接触戍力4U32型面位移分析何移等值云可以较真实地反应出腔结构变形趋势，模具腔Z向位移分布如图4所示。以初始静位置的模L表面为基准面见2，以Z为方向，模具FA1合后的腔面位置与基准面位置的筹值为图2中N值。即为一L模各。点实际行的位移函数Z。_XL，2“。分析结果显示，2中A、B点附近域在腔面外同区域，该处绝对值最人，即A、B处不产生自身结构变形对应图中4中C、D1I域。图4中E、F域的绝对值最小，即型腔面节点实际行远小模具工业20I3年第39卷第9期29预定行，为变形最严重部位。其与A点位置的垂直落筹约为2MM，即发生了隆起变形。主要存在丁后外板的台阶和棱角部位，在凸、凹模完全闭合后局部形状仍无法乐印清晰。0图4模其型腔Z向位移分对比3与图4可知，接触受力与模具局部结构强度共同决定着型腔面的变形度，受力与变形虽不是线性相关，但可确定型腔面各区域受力不均衡是造成制件形状尺寸、形状精度超差的重要原冈。4成形工艺优化设计41传统成形工艺方法为提高制什的成形质苗，理论上需要将处YFDJ合状态的上模腔面位置降低。传统的方法是对模具型腔外嗣进行打磨，但不论机械打磨或是钳R研磨后，加1表面会出现微小凹凸坑洼，虽然表面A叫勰础艘赫瑚蘸滔艄盛蕊黼牲盥整嶷糍牲蝴蝼蕊氆，LLLLB起伏不人，但对汽车外板表面质鼙会产生不良影响。根据冲压成形原理，模具腔面的作间隙不同对板料产生的戍力也不同。较小间隙时，型腔面对扳料不仅产生拉应力、剪切应力还产生压缩应力，摩擦力也相应增人，从而导致局部成形压力增人F。冈此可以通过改变模具型腔面LL1作间隙人小平衡极料受力状况。42优化设计方案基丁以上分析，没计了一种_I作间隙渐变的压边圈，有利丁平衡腔面边缘受力状态，均衡腔入口处材料流入颦，从而避免对凹模、凸模面进行人I修整。Y方向制什的边缘区域，接触虑力最人值在两端，中间部位接触麻力数值最小，冈此使Y方向上的模具型腔面L作间隙从两端向中部逐渐减小。渐变区域如5A的B处所示，间隙减小趋势沿5A箭头方向。中部【又域减小鼙为02MM，由两端向中部光顺连接形成压边罔的_F作表面，如图5C所示。方向上，制什上卜搭接面均有较人度的变形，但变形度接近。依据凸模成形原理此处的凸模是相对成形I具局部凸凹形状而言，坯料的拉深将紧贴凸模表面进行，所以对合阶段极料紧贴上模表面成形出拉深筋的形状。拉深筋之内区域为成形质量控制，冈此可以将艺补充域内的卜模沿一Z方向偏置一定数值，偏置如5V一一L过渡LI扁嚣L控制区B于1深筋外阐的偏置C压边嘲AA截面图5模面问隙处理示意图1板料2压边网表面A偏B渐变FHJ隙区域C补偿表面D原始表面E_J模表面30模具工业2013年第39卷第9期A的A处所示。为保证制件成形质鼙，将控制扩展剑拉深筋轮廓之外一定范罔，偏置与控制之间通过一段过渡区进行光顺连接，如图5B所示。由于模具作为刚性整体，等同丁将上模整体高度降低了一些，其腔面部分将贴合得更紧密，在压力作州卜能实现将板料压实的目的。由4可得该乍厢后门模具最人变形约为2MM，冈此设计偏置域为2MM。5有限元模拟求解5_1拉深模型的建立车厢后门外板的成形必须考虑成形可能产生冲击线和滑移线的问题。由拉深模上的棱线先接触板料使其产生塑性变形而产生冲击线，因棱线两侧材料分配与进料不均，随冲压过程产生移动，可能在棱线一侧产生划痕，称为棱线滑移。板料与凹模圆角接触后，产生局部硬化，伴随材料流入凹模的过，硬化处的极料可能会移动剑制件表面产生冲击线L。合理的F艺造型设计是解决冲击与滑移问题的最佳方式。将制件中问棱线作为凸模最高点见图6中B处调整冲压方向使制件两侧的拉深高度分布均衡。制什边界处设置带有凸台的_艺补充侧艟，使冲击线保留在R艺补充部分而不影响制件表面质蟮。在压料面上设置一圈封JL的拉深筋，材料流入量人的边界处添加外侧筋形成局部双层筋。窗和灯是拉深造型的内艺补充部分，此处腔表面进行卜精加即可，但必须保证搭接部分的形状精度见6中A处。建立的车厢后门外极模如图6所示。图6车厢门外板模型A车窗搭接处B侧壁凸台AB52拉深工序建立的倒装单动拉深模有限元模型如图7所示。图7倒装动拉深模有限元模型1凹模2板料3乐边圈4凸模后门外板材料为DC06，板料厚度07MM，性能参数如表1所示。表1板料力学参数抗拉强度MPA屈服强度MPI硬化指数I2654132L023厚向异性指数RROO189，R193，R9O209注，GGO分别为水平和垂直于轧制方向测量的各向异性系数R值。窗框与灯框内部型腔面属丁典型的板料反成形域，主要存住开裂风险，后_J序需要切除此类补充，冈此在这些域的板料上设置一定人小的艺孔有利。R降低开裂风险，也有利丁减轻板料自身质鼙。】艺孔的设置如8所示。模具棱线作为最先接触板料的部位，上模距离_卜死点100MM时所有棱线与制件边缘凸角已开始成形距离_卜死点5MM时，即制什牌照卜缘凸台与窗框上边沿处板料已充分拉深。53冲击线与棱线滑移通常棱线处HJ圆角过渡，就不会出现滑移线一。制件中部棱线角远火丁15倍料厚，结合经验此处不会出现滑移线。冈此制件牌照卜缘凸台棱线成为滑移关键控制域。由图9A可见，型腔入口附近产生的冲击线被控制在LL艺补充面的侧肇又域，不会对制件表面质产生不良影响。图9B显示，制仆牌照卜缘凸台棱线没有明显滑移线。54制件回弹控制模具腔面成形间隙越人，制什同弹鼙越严模具工业2013年第39卷第9期1O0IILI1“1B50MM图8拉深成形过A冲线被控制艺补充面的侧壁F；T域FH制什牌照卜缘凸台棱线没有明滑移线图9冲卉线与滑移线检测结果重。适当减小凸、凹模间隙之后，制仆体同弹鼙得到明显降低，微小的弹可以通过整形L序得剑校止。特别是边界搭接部何的同弹得剑了有效控制。仅乍窗内框搭接部位仍存在较小的同弹。利FJETADYNAF0RM软件求解的制什闸弹分布如3LL0所示。43适当减小凸、凹模间隙之后的制什整体同弹龄与传统艺成形的制什整体同弹进行比较，以制什Z向同弹耸为纵坐标，区域何置为横坐标建立对比曲线，同弹鼙对比曲线如图11所示。对比位置1、6、7处可知，J上沿雨I牌照部位的同弹住做让空处理后同弹数值明显减小。对比位置3、4、5处可知，没置了侧罐凸台艺补充的制仆外缘同弹小R无凸台域，且采优化方案的制什整体网弹鼙均小R传统成形L艺数值。反成形域，如位置2利何萱5，闸弹减少了50，均控制在005MM以内，能够通过整形I艺对该部位进行有效地校止。对比位置8可知，虽然同弹颦已人幅减小，但仍存在约1MM向上隆起，其截面对比分析如L2所示。025宝02O妻O150100O50O03456789对比位L置同弹量对比FL线图L2变形处截面F线2L圈032模具工业2013年第39卷第9期结台生产实践，车窗内搭接面的同弹可能无法通过减小边界处压边圈间隙得到完全消除，需要进行局部强制加压处理。由于该部位的同弹方向向卜，将其所对应的_卜模区域表面抬高一定的高度，如图13A所示，有利丁提高极料局部塑性变形稃度，确保了制件脱模后的形状。为保证制件型面曲率连续性，没置过渡与表面光顺连接。处理后的午窗搭接面同弹结果如图L3B所示。A车窗内搭接部位的强压H优化处理后的车窗搭接面同弹图13强压处理结果1F模原始模面2强压处理后模面经过拉深、修边、整形、修边冲孔等序最终获得了后外板制件，经检测，制件尺寸、形状精度合格，如图L4所示。图L4后门外板制FQ6结束语1通过渐变间隙的压边圈调节制件局部成形压力与进料鬣的方法，能够实现成形中将制件压实的目的，提高了制件的形状精度，有效地减少了模具型腔面区域的设计更改，并避免了人T修整型腔面。2非成形控制面区域可沿冲压方向偏置一定量，能够提高型腔面的贴合程度，有利减少制什整体同弹餐。参考文献【1现代模具技术编委会汽车覆盖件模具设计与制造【M】北京蹦防I业出版社，1998170179【21R0伞坤。材料成形基本原理【M】北京机械1业_版F2OO43453563】高锦张，刈伟多腔壁板铝型材挤压过程模拟与模具设计J模具工业，2007，3322932【4】钱凌云，刘仝坤李亨提高冷挤压凹模强度方法的研究现状与进展J】模具业，201L，379L一5【5YANGX