任維澤，樓 灝，孫 靖，孫佳寧，杜平安

（1.電子科技大學(xué) 機械與電氣工程學(xué)院，成都 610000；2.廣西雙英集團(tuán)股份有限公司，柳州 545006；3.電子科技大學(xué) 廣西智能制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，柳州 545000）

0 引言

隨著地球資源環(huán)境問題日益突出，汽車輕量化已成為全球汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢和研究重點[1]。輕量化是指在保證汽車安全性能的前提下盡可能降低整車質(zhì)量，以提高汽車動力性、減小修車頻率、降低燃料消耗和排氣污染。

使用高、中強度和輕質(zhì)材料是實現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑。但材料屈服強度增加會使零件成型性能變差，成型中容易出現(xiàn)開裂且回彈較大，這給沖壓件的成型質(zhì)量和精度*帶來了較大困難[2]。因此本文以汽車座椅靠背邊板為對象，采用有限元數(shù)值仿真方法模擬中強度鋼邊板的沖壓成型過程，預(yù)測邊板成型缺陷，研究影響回彈大小的因素，并通過優(yōu)化沖壓工具和工藝參數(shù)提高邊板成型質(zhì)量和精度[3]。

1 邊板成型工藝性分析與工藝設(shè)計

1.1 邊板工藝性分析

汽車座椅靠背邊板如圖1所示。邊板形狀較復(fù)雜且非對稱，表面不規(guī)則并有較大起伏。其中，A處的翻孔區(qū)域壁厚分布不均，局部形變過大，拉延中容易出現(xiàn)開裂。B處存在側(cè)邊孔，需對各個側(cè)邊孔單獨設(shè)置沖孔方向。C部分為側(cè)翻邊區(qū)域，需在其余翻邊區(qū)域成型后進(jìn)行單獨二次翻邊。D處為一凸臺，高度較大，需注意拉延深度，避免開裂。

圖1 靠背邊板三維模型

邊板屬于內(nèi)鈑件，對材料強度要求較高。材料選為HC420LA，中等強度鋼，屈服極限462MPa，強度極限521MPa，彈性模量210GPa，硬化指數(shù)0.139，泊松比0.3。邊板厚度1.2mm。

1.2 邊板成型工藝設(shè)計

沖壓件的拉延方式主要分為單動拉延和雙動拉延。雙動拉延壓邊力大、穩(wěn)定且易于調(diào)整，但模具造價貴且設(shè)計復(fù)雜，所以實際成型中一般選擇模具結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本較低的單動拉延方式[4]。針對邊板結(jié)構(gòu)特點，本文選擇單動拉延。設(shè)計的邊板工藝流程如圖2所示，共包括6道工序。

圖2 邊板工藝流程

2 邊板成型過程仿真

2.1 仿真模型建立與前處理

利用基于有限元法的AutoForm軟件進(jìn)行邊板成型過程仿真。邊板采用三角形網(wǎng)格離散，網(wǎng)格劃分公差設(shè)為0.05mm，最大長度20.00mm，縫合距離0.50mm。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，共27701個單元，13090個節(jié)點。送料方向選擇x軸，沖壓中心選擇重心。邊板沖壓方向選擇平均法向。首先檢查沖壓負(fù)角度，結(jié)果顯示無負(fù)角，說明沖壓時凸模能夠順利進(jìn)入凹模，無凸模接觸不到的區(qū)域，邊板可順利成型。

圖3 邊板網(wǎng)格劃分及局部細(xì)節(jié)

2.2 創(chuàng)建沖壓工具體

根據(jù)圖2所示工藝流程，在拉延工序中將全部孔位填充。將零件前段進(jìn)行手動填補使整個零件拉延區(qū)域作為一個整體拉延，提高凹凸模面和零件的貼合度。料片為矩形，為防止板料在沖壓過程中偏移，在板料四周設(shè)置定位銷。壓料面是凹模圓角以外部分，拉延中壓邊圈將板料壓緊在壓料面上，保證板料平整，之后生成壓料面和工藝補充面幫助成型。拉延工具體模型如圖4所示。

圖4 拉延工具體模型

在修邊工序中選擇邊板展開邊界線作為切線，最大切邊深度11mm，保證廢料從邊板半成品中完全切除。在翻邊整形工序，為使模面盡可能光滑平順，翻邊前添加修邊線使工具體模面與翻邊區(qū)域更加貼合，以利于零件成型。沖孔工序中，由于邊板存在側(cè)邊孔，從生產(chǎn)成本考慮，將側(cè)邊孔的模具添加斜楔，把側(cè)邊孔的沖壓方向調(diào)整為水平方向，將所有沖孔在同一工序中完成，降低生產(chǎn)成本。與斜沖孔同理，側(cè)翻邊工序中調(diào)整側(cè)翻邊方向至水平，以使凸模能順利進(jìn)入凹模，板料與模具貼合，保證良好成型。

2.3 邊板沖壓成型過程仿真及優(yōu)化

對圖2的邊板工藝流程進(jìn)行成型過程仿真，結(jié)果如圖5所示，板料由初始落料的矩形板經(jīng)各道工序步步成型，最終在各道工序后得到完整的邊板零件。

圖5 邊板沖壓成型仿真過程

成型完成后通過極限圖檢查，發(fā)現(xiàn)邊板整體成型良好，但翻孔區(qū)域出現(xiàn)開裂。開裂原因是該處拉延后厚度分布不均，上下兩圓角處斷面面積小，在壓邊力確定后該處拉應(yīng)力超過邊板材料強度極限；且圓角半徑小，板料彎曲變形過大，流料劇烈，筒壁和筒低的材料無法向圓角處補給，所以出現(xiàn)開裂。

針對開裂缺陷進(jìn)行工藝優(yōu)化。采用多次工序成型方法，在拉延工序前調(diào)整翻孔處上下兩個圓角半徑至10mm，使該區(qū)域形變較均勻，平面和孔底區(qū)域可向凸膜圓角區(qū)域補給材料，此處對翻孔區(qū)域進(jìn)行初次整形。在得到一定彎曲形狀后，在翻邊整形工序中通過壓料板與下模對翻孔處進(jìn)行二次整形，便可保證在板料不破裂的基礎(chǔ)上完成對翻孔區(qū)域的整形。完成工具體優(yōu)化后再進(jìn)行沖壓仿真，翻孔處的成型極限如圖6所示，可以看出翻孔區(qū)域的開裂已消失，整個邊板再無成型缺陷。

圖6 翻孔處成型極限圖

3 邊板沖壓回彈研究

3.1 邊板沖壓成型回彈檢測

回彈是指板料受力后產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，當(dāng)外力卸載后塑性變形保留而彈性變形恢復(fù)的現(xiàn)象?；貜椨绊憶_壓件的尺寸精度和裝配性[5]。在整體仿真流程中加入回彈工序，檢測邊板回彈大小，計算的法向回彈如圖7所示，最大回彈量位于圖中A處，最大值1.94mm。一般要求內(nèi)板件公差回彈量不超過±1.5mm[6]，所以需對回彈作進(jìn)一步優(yōu)化。

圖7 零件的法向回彈量

3.2 針對邊板回彈量優(yōu)化工藝參數(shù)

回彈主要與零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、材料性能和工藝參數(shù)有關(guān)。在邊板結(jié)構(gòu)與材料確定后可通過調(diào)整工藝參數(shù)，改善成型中板料內(nèi)部應(yīng)力分布和流動情況來控制回彈。其中影響較大的工藝參數(shù)有模具表面摩擦系數(shù)、拉延筋和壓邊力。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)和材料性能，摩擦系數(shù)為0.15，等效拉延筋線強度設(shè)為29.9N/mm，壓邊力設(shè)為100KN。調(diào)整工藝參數(shù)后，零件最大回彈量為1.624mm。

為得到最優(yōu)工藝參數(shù)組合，對這三個參數(shù)單獨進(jìn)行對比試驗。選擇摩擦系數(shù)為0.11、0.13、0.15、0.17、0.19，拉延筋強度為15.5、29.9、45.5、59.9、75.4，壓邊力為75、100、125、150、175N，不同工藝參數(shù)與邊板回彈的關(guān)系如表1所示。

表1 不同工藝參數(shù)與零件回彈量關(guān)系表

采用三因素（A，B，C）和三水平（1，2，3）進(jìn)行正交試驗。三個影響因素分別為摩擦系數(shù)（A）、拉延筋強度（B）和壓邊力（C），以回彈量最小為標(biāo)準(zhǔn)，摩擦系數(shù)選擇0.11、0.15和0.19，拉延筋強度選擇15.5N/mm，29.9N/mm和45.5N/mm；壓邊選擇100KN，150KN和175KN。表2為試驗因素與水平值設(shè)置，表3為正交試驗表及模擬結(jié)果。

表2 試驗因素和水平設(shè)置

從表3可知第6組試驗A2B3C1所得零件回彈最小，為1.362mm，滿足沖壓內(nèi)板件±1.5mm的回彈要求。

表3 正交試驗表及模擬結(jié)果

4 仿真結(jié)果驗證

根據(jù)上面設(shè)計的工藝流程，結(jié)合沖壓工具體的優(yōu)化并選擇正交試驗中第6組試驗A2B3C1的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，沖壓出座椅靠背邊板如圖8所示。零件表面平整光順，無開裂區(qū)域，整體成型良好。通過檢具測量，邊板成件與檢具最大縫隙值為1.390mm，測量結(jié)果與仿真結(jié)果相對誤差為2.06%，數(shù)據(jù)吻合良好且滿足靠背邊板成型精度及質(zhì)量要求。

圖8 優(yōu)化后的靠背邊板生成圖

5 結(jié)語

1）沖壓件局部形變過大區(qū)域易產(chǎn)生開裂缺陷。本文提出的沖壓成型數(shù)值仿真方法，可以有效預(yù)測成型缺陷，評價工藝流程和工藝參數(shù)設(shè)計的合理性，并開展針對性的優(yōu)化，保證沖壓件的實際成型質(zhì)量，結(jié)余了加工成本和時間。

2）研究了摩擦系數(shù)、拉延筋強隊和壓邊力對邊板回彈的影響，并通過正交試驗得到最優(yōu)工藝參數(shù)組合，從而得到邊板整體沖壓成型方案。

3）對實際成型邊板進(jìn)行檢測，邊板成件與檢具的最大縫隙為1.390mm，與仿真結(jié)果相對誤差為2.06%，滿足邊板加工精度要求，同時驗證了沖壓成型仿真方法的準(zhǔn)確性。