汽车纵梁的成形仿真分析及工艺优化文/柴克文，何桂娇·安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心  柴克文，冲压工艺工程师，主要从事汽车覆盖件的工艺设计及新开发模具的调试工作。 根据纵梁外形对其成形过程进行模拟，纵梁造型最高点与最低点之间落差较大，在成形过程中在落差较大的区域形成悬空区，产品容易起皱。通过分析起皱原因，在悬空区增加压料芯进行模拟。在产品可接受范围内，在拉延过程中对悬空区压料进行处理，对普通拉延模具进行改进，使模具结构达到工艺要求。 驾驶室纵梁是车身中主要的连接及受力零件，是车身高强度钢中的困难件，更是汽车冲压件生产领域的一个短板。由于成形过程较难控制，各车型纵梁零件形状各异，各车型纵梁成形方式各不相同，模具调试周期长，匹配性差，往往很难达到预期设定的相关技术指标，主要表现为零件开裂、起皱、回弹严重、扭曲、模具拉毛、面精度低等。零件的成形性及精度得不到保证，严重影响地板总成及白车身的精度。 冲压成形工艺分析拉延是冲压件成形最重要的工序，通过拉延冲压件的形状基本或全部呈现，其直接影响冲压件精度及外观品质。拉延工艺设计过程主要包括对零件数模进行分析、确定冲压方向、对冲压件的孔进行填充、确定修边线、设计压料面、对冲压件进行工艺补充、拉延筋的设计、初步确定拉延用板料的尺寸。 产品分析 纵梁是卡车驾驶室重要的承重零件，纵梁总成更是白车身的基准，其与驾驶室前、中、后地板搭接构成整个地板总成，纵梁的精度直接影响着白车身的整体精度。图1为江淮某轻卡纵梁零件。  图1 纵梁零件图 该纵梁零件的材质为B170P1（表1为B170P1基本参数），料厚为1.2mm，零件长1140mm、宽430mm、深度270mm，零件整体呈S形；零件造型较复杂，工艺设计时要考虑成形过程中零件起皱、开裂的问题，以及零件的回弹控制、扭曲变形。由于纵梁需与前、中、后地板同时搭接，纵梁造型呈前后不同的两段落差，此落差急剧且深度为216mm，拉延成形时极容易起皱叠料，同时前后两段落差段呈S形，侧壁角度为93°，成形后会产生扭曲变形，零件侧壁与纵梁加强板搭接成形性差，存在回弹，拉深成形后需整形确保零件尺寸精度，零件前段造型限制无法拉延成形，需后期整形。 表1 B170P1基本参数  料厚/mm 屈服强度/MPa抗拉强度/MPa 厚向异性系数 硬化指数1.2 170～260 ＞340 1.5 0.18 冲压方向的确定 图2为纵梁冲压方向，方向确定时，主要考虑以下因素，拉延工序下不存在冲压负角；工件拉延过程定位可靠不存在窜料等现象；冲压件整体拉延深度尽可能小；为保证拉延过程材料流动的均匀性，应尽量扩大坯料进入凹模时的接触面；冲压件各部分拉延深度应尽量相差不大。  图2 纵梁冲压方向 设计压料面 设计拉延压料面应保证整个压料面过渡平顺，控制合适的拉延深度（太深降低材料利用率，太浅容易塑性变形不充分，零件刚性不足），为保证拉延过程中坯料均匀的流动并且逐渐贴合凸模，压料面应和零件形状相似，图3为纵梁压料面形状。  图3 压料面形状 对零件进行工艺补充 工艺补充是根据零件形状特点添加合适的补充部分以便成形出合格零件，其对拉延过程及结果影响巨大，坯料的变形，工艺参数以及零件表面质量和精度等都受到工艺补充的影响。图4为纵梁的工艺补充，根据工艺设计，前段需摊平做工艺补充为更好的成形，对局部拉伸深度较大且不易流动的补充区域进行局部圆角扩大增加工艺补充量，防止此处拉延开裂，工艺补充最浅拉延深度为140mm，最深拉延深度为195mm。  图4 纵梁工艺补充 坯料形状及尺寸的确定 坯料形状及尺寸是一个很重要的工艺参数，板件的大小及形状影响着拉延成形过程中材料流动的均匀性及塑性变形是否充分，影响板件的成形极限，同时影响修边余量及材料利用率。为了达到更好的零件成形情况及提高材料利用率，确定毛坯形状如图5所示，板料采用方料，在拉延之前增加落料工序。  图5 落料形状 成形过程模拟拉延工序模拟与分析 设置模具与板料之间的摩擦系数为0.15，拉延筋采用虚拟筋，图6为拉延模拟初始状态，其结构为凹模在上，凸模在最下，中间压边圈，板料在压边圈之上，拉延模拟成形过程为凸模不动，凹模向下移动与压边圈接触压紧板料，然后共同下移完成与凸模的成形贴合过程。  图6 拉延模拟初始状态 根据拉延模拟的结果对相关参数进行更改设计，在压边力为900kN，拉延深度为195mm，摩擦系数为0.15的情况下，模拟结果如图7所示。  图7 工艺分析结果 拉延工序模拟优化 根据以上模拟结果可以看出，在纵梁台阶急剧变化的地方有增厚起皱，并且无法消除，影响零件质量，且此处与纵梁内板加强板搭接无法增加吸皱筋，其他地方成形均匀，符合设计要求。经过分析，由于零件结构此处变化急剧，在成形过程中由于没有设置预弯工序，成形过程中凸凹模贴合时间不同，此处较其他地方贴合较晚，形成悬空区引起材料流动不均匀，导致产品件起皱严重。 由于产品件造型复杂，目前已通过5道工序完成此零件从板料到产品件的出件，从模具工装成本及生产经济性考虑不增加预弯工序，所以对拉延模拟过程进行调整再次进行模拟分析，具体方案是根据以上模拟的结果在拉延开始时就对起皱严重的地方进行压料，具体如图8所示，确保板料在拉延过程中流动的均匀性，来降低纵梁零件变化急剧地方起皱、叠料的风险。  图8 凹模拉延压料位置 调整后的拉延模拟初始状态，除了在凹模相应部位增加活动压料面外，其余和第一次模拟初始状态基本相似，设置压边力为900kN，摩擦系数为0.15，活动压料面的压料力为3MPa。 图9所示为在凹模设置活动压料面的拉延模拟结果和材料成形极限图，对比第一次模拟结果及成形过程，可以看出纵梁急剧变化的地方只存在轻微的起皱，总体零件成形均匀符合产品设计的要求。 拉延凹模压料面结构的优化设计根据以上分析结果可以看出，在凹模设置活动压料面的结果优于普通分析结果，但是凹模设置活动压料面需对拉延模具进行改进。图10所示为改进后纵梁拉延模具的结构，一端为可伸缩的弹性压料机构安装于凹模的底部，可伸缩端面为凹模局部工作型面，在机床上滑块带动下凹模下行，当上模下行时伸缩端的端面沿模具冲压方向运动到一定位置后弹性压料机构的伸缩端首先与板料接触，并将板料压紧在凸模上，凹模继续下行，直至弹性压料机构的伸缩端面与凹模的模面平齐，此时模具闭合，完成整个拉延过程；之后，凹模在机床上滑块的带动下向上移动，弹性压料机构将工件推出凹模，在凹模内部限位作用下伸出到一定位置。 弹性压料机构包括固定座、伸缩弹性元件、料芯、垫块和限位块，固定座固定于凹模底面上，伸缩弹性元件安装在固定座上，压料芯的端面与板料接触后沿模具冲压方向反方向运动，直到接触到限位块，此时模具闭合拉延结束，伸缩端面与凹模型面平齐。由于伸缩端面为凹模型面一部分，同时为提高预变形效果压料芯的可伸缩端面形状根据制件的形状设定。本纵梁端面形状为零件落差较大处形状；为防止压料芯晃动而导致的板料窜动，提高结构性能，压料芯上设置有中心线沿着模具冲压方向延伸导向孔，伸缩弹性元件的一端穿过导向孔与压料芯连接，导向孔内设置垫块防止压料芯受力损坏。  图9 在凹模设置活动压料面的工艺分析结果 图10 优化后模具结构 1-凹模 2-弹性元件 3-固定板 4-限位块 5 -垫块6-压料芯伸缩端 7-凸模 8-压边圈 CAE分析情况与量产情况对比纵梁底面落差处存在轻微不平整，在可接受范围内，与CAE模拟分析结果一致，此处材料增厚，后段闭合处存在叠料现象，增加吸皱工艺，CAE模拟分析时料片此处存在叠料，由于对废料区未做处理，实际叠料严重对模具影响较大。 结束语本文对汽车驾驶室纵梁进行成形过程仿真分析，根据结果对相关模拟过程进行优化，并且通过改进拉延模相关结构实现工艺的设计。通过模拟状态对比，在悬空处增加压料装置能显著改善成形过程材料的流动，提高材料的成形性能，降低起皱缺陷；通过模拟状态与实物对比，确定模拟结果与实际状态结果类似。根据现场情况做一定的调整就可调试出合格的冲压件；整个模拟的过程及结果有效地指导了工艺设计的优化、模具结构的设计及调试出件的验证过程。 作者简介： |
|
|
