汽车覆盖件拉深成形质量问题的研究

汽车覆盖件拉深成形质量问题的研究

世界汽车工业的发展面临三个问题：油耗、环保和安全，焊接技术是解决上述问题的有效手段之一。近几年,该技术在欧美等国得到迅速发展,如美国通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司的门内板、侧围、门框等零件采用了拼焊板成形技术由于焊缝在塑性变形中向强侧金属不均匀移动,引起薄侧金属过量减薄,使得拼焊板整体的冲压成形极限降低,导致制件破裂和厚度不均匀现象,这些问题的存在为拼焊板的生产应用带来了一定困难。为避免上述缺陷的产生,关键是采取工艺措施或最佳工艺参数以有效控制焊缝的不均匀移动变形。为此,国内外有许多学者对拼焊板冲压成形技术进行了探讨研究,主要涉及拼焊板的焊接工艺、焊缝移动、焊缝位置设计、典型冲压件的不均匀变形规律和法兰起皱、冲压成形的计算机模拟和冲压件变形的控制“轿车左右前地板”为典型的激光拼焊板覆盖件,为保证其成形质量,本文采用Dynaform软件对其拉深过程进行数值模拟,对零件刚性不足和焊缝移动等质量问题提出了改进措施,减少了试模次数,保证了模具按时顺利交付,同时亦可为其它类似拼焊板覆盖件的生产提供参考。1板成形焊缝的安装图1为轿车前地板产品左件三维数模,左右件基本对称,采用一模两件进行冲压成形,左右零件搭接尺寸为15mm。零件薄厚两侧材料均为B170P1,厚度分别为0.75mm和1.35mm,即该拼焊板成形焊缝两侧材料强度比为1,板厚比约为0.56。由于两侧的板厚差对零件成形中的焊缝移动有较大影响,而焊缝移动过量将引起装配问题,同时零件属于浅拉深成形,且整个零件较平坦,成形后大部分材料未充分变形,零件刚性不足。为此,对该零件的成形工艺重点考察两方面的内容:(1)由于整车装配需要,需要控制零件最终焊缝位置;(2)增加提高零件刚性的工艺措施。通过分析,零件最终产品需要经过拉深、修边冲孔、翻边、剖切冲孔等多道冲压加工工序才能完成。而前面讨论的焊缝移动以及刚性不足问题都出现在拉深工序中,因此,本文对该零件的拉深成形过程进行了模拟仿真,并对其焊缝的移动规律进行了探讨。2拉深模和拉深门槛设计汽车覆盖件拉深型面设计是在覆盖件产品三维模型基础上进行边界条件设计的创造性过程,它是汽车覆盖件拉深模设计的关键环节设计中,考虑到小曲率或深度浅的覆盖件成形时主要靠凹模内部材料的胀形和少量的法兰材料流入,以获得形状稳定、刚性好的拉深件,同时利用拉深槛可以减少工艺补充部分,节省材料,提高材料利用率,因此在该零件压料面上设计了沿周一圈的拉深槛。3板料冲压成形仿真技术随着计算机的应用和发展以及有限元方法的成熟,近年来发展了板料冲压成形仿真技术,该技术在减少甚至取消试模过程、缩短产品开发周期、降低开发成本方面发挥了越来越重要的作用3.1板料网格划分有限元模型见图3所示,拼焊板的料厚差反映在凹模上,即复制凸模和压边圈网格并在焊缝处分割,将分割后的工具体分别按薄厚板偏置出具有板厚差的凹模(偏置尺寸为1.1t,t为板料厚度)。将板料沿焊缝位置分开,进行网格划分,计算过程中,网格进行自适应划分。焊缝按照刚性建模,即忽略焊缝类型,只考虑焊缝位置,不考虑马氏体数量,焊缝用一条线来代替处理。3.2模型的应力状态描述坯料为B170P1材料,厚薄板的力学性能参数如表1所示,模拟中采用Hill屈服准则,在平面应力状态表达如下:式中:凸凹模间隙C=1.1t,t为材料厚度,毛坯与各工具体之间的摩擦系数为0.125,压边速度v3.3试验结果分析模拟结果如图4所示,可明显看出拉延件出现了破裂和起皱缺陷。起皱发生在压料面上,对零件成形质量影响不大,有A、B、C三处出现了开裂现象,且A、B两区域破裂十分严重。通过工艺参数的调整,包括压边力的大小的控制、凹模圆角增大等措施,得到优化结果如图5所示,在产品部位无严重起皱和开裂现象,工艺补充部分一侧圆角处轻微开裂,变薄率在30%以内,可以通过钳工打磨处理解决。此时,零件中间材料变形不充分,刚性还有待加强。图6所示是零件焊缝的移动情况,从法兰部分向零件对称中心,焊缝由薄侧向厚侧移动并且移动量逐渐增加,到达对称中心移动量达到最大值。这是由于薄侧母材变形所需的载荷较厚侧母材所需的载荷小,薄侧母材比厚侧母材先屈服,当薄侧材料发生塑性变形时,厚侧材料仍处于弹性变形状态,塑性变形集中发生在薄侧母材处,所以在零件底部区域薄侧材料减薄量较大,面积增大,导致焊缝向厚侧移动。在左件的模拟结果中选取11个点作为测量点,从下至上依次标为测量点1至11(如图6)。模拟结果最大移动量6.97mm,位置在测量点11处。4拉深型面加工模具的建立由前述的模拟结果可知,零件中间变形不够充分,并且需要对焊缝的移动进行控制。为此,提出以下工艺措施进行成形性改善。(1)由文献[7]可知,设置筋条能控制焊缝的移动量,因此在型面中间(见图2的A处)垂直焊缝设计一条加强筋以减少焊缝移动,加强筋形状见图2所示。而且加强筋能提高材料的塑性变形能力,增强零件平坦底部的刚度。(2)根据模拟结果中的焊缝移动量,对焊缝进行反向补偿。对改进后的工艺措施进行模拟,得到的结果如图7所示。从图中可以看出零件中间的材料变形充分,同时焊缝的移动量也得到了有效控制。采用上述优化后的拉深型面加工模具,在油压机上进行实冲,得到如图8所示的最终产品。经检测,零件成形质量良好,焊缝线位置达到装配要求,焊接线移动问题得到良好的改善,实际生产结果与数值模拟结果吻合很好。5拉深成分配工艺采用有限元分析软件Dynaform,对前地板拼焊板的拉深成形进行模拟仿真,得到如下结论:(1)前地板拼焊板的拉深成形过程中容易出现刚性不足、焊缝移动等缺陷,通过设置拉深槛和局部添加加强筋,