發(fā)動機(jī)蓋外板拉深數(shù)值模擬及模具設(shè)計

發(fā)動機(jī)蓋外板拉深數(shù)值模擬及模具設(shè)計

汽車的安全性、舒適度、新穎性和豪華等級與汽車車輛覆蓋物的制造精度密切相關(guān)，這促使電動汽車致力于外觀美觀、外形美觀、低風(fēng)量和低量的高質(zhì)量汽車。車身覆蓋件拉延工序中,初始坯料形狀很大程度上決定了材料利用率,同時也對成形質(zhì)量有決定性影響。傳統(tǒng)坯料形狀設(shè)計方法大都依賴經(jīng)驗和設(shè)計者的直覺,實際生產(chǎn)中缺陷較多1零件特征參數(shù)發(fā)動機(jī)蓋外板是典型的汽車外覆蓋件,本文以某中型車發(fā)蓋外板為研究對象,如圖1所示,零件的發(fā)蓋零件的外形尺寸近似為1000mm×1300mm,由復(fù)雜的空間曲面構(gòu)成,其80%表面為外觀面,零件整體曲率變化不大2拉深三維映射分析動態(tài)顯示算法不需平衡迭代,計算速度快,常用于拉深成形模擬3材料分配的調(diào)整矩形板料的進(jìn)料量如圖3所示?？梢娕髁纤闹艿倪M(jìn)料量都相對較小,最大進(jìn)料量發(fā)生在發(fā)蓋外板的兩側(cè),也只有約38mm,產(chǎn)生兩側(cè)拉伸不充分的表面缺陷。圖3中A、B、C這3個區(qū)富余了大量材料,板料邊界距離分模線甚遠(yuǎn),造成了材料大量浪費。根據(jù)各處變形特點與材料流動情況,更改初始坯料的線形狀,同時為了保證板材形狀適合帶料剪切及提高材料的剪切利用率,必須將A、B、C這3塊材料富余區(qū)域裁去,使初始坯料線形狀接近發(fā)動機(jī)蓋外板的分模線。坯料輪廓形狀優(yōu)化設(shè)計基于以下原則圓弧形坯料線由矩形板料進(jìn)料情況、坯料設(shè)計原則和有限元反求坯料線的三方面數(shù)據(jù)綜合確定。為了進(jìn)一步提高材料利用率,本文嘗試設(shè)計了一種波浪形坯料線,即將坯料線的兩側(cè)圓弧設(shè)計成波浪形。在坯料設(shè)計中,以粗略的波浪邊界坯料線為目標(biāo)值(TargetLine),以兩面圓弧形坯料線為初始值進(jìn)行迭代,若成形后的板料輪廓與波浪形坯料線相匹配,則判定迭代過程結(jié)束。經(jīng)過多次迭代可以得到較合理的坯料形狀,其反求工作原理如圖5所示。經(jīng)過多次迭代計算,獲得的輸出線(NewOutLine)可以作為最終波浪邊界線。這種迭代波浪坯料線比初始波浪線輪廓更節(jié)約材料,如圖6所示。兩側(cè)波浪齒形輪廓如圖7所示。多塊坯料前后排列,突出齒形與凹進(jìn)齒形嚙合,拼成一條矩形料帶,極大地提高了坯料剪切效率,減少擺剪階段材料的浪費。與圓弧形坯料相比,波浪式形狀可以在板料每個波浪處節(jié)省一個波浪齒形的材料,圖8給出了各坯料形狀的材料利用率。4可擴(kuò)張型面的壓邊壓邊材料流動控制針對塑性成形中局部拉伸不充分和棱線滑移距離過大的缺陷,對模具模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。原型面設(shè)計中盡可能保證拉延深度的一致,型面斷面曲線如圖9所示。圖9中凹模任一斷面曲線長度等于凸模與之相對應(yīng)的斷面曲線長度,即L故本文嘗試控制凹模斷面曲線長度大于凸模與之相對應(yīng)的斷面曲線長度,即L為了控制棱線兩側(cè)材料的流動,需要控制坯料初始安放位置。圖10a為常規(guī)壓邊圈壓住板料的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以在拉深開始時使板料預(yù)先受到壓邊力,防止板料錯動,但這種常規(guī)壓邊結(jié)構(gòu)會減緩主型面區(qū)域材料的流動,使得棱線A區(qū)材料流動速度慢于B區(qū),導(dǎo)致棱線向B區(qū)偏移,影響外觀質(zhì)量。本文采用凸模頂料結(jié)構(gòu),如圖10b所示,可使成形初期階段沒有壓邊力的控制,使得主型面區(qū)域在拉深深度急劇變大時有足夠材料流動,平衡A、B區(qū)域材料流動速度,減小該處棱線滑移距離,提高制件外表面質(zhì)量。以新改進(jìn)的型面與坯料初始位置建立有限元模型。對多次迭代求得的波浪式輪廓坯料進(jìn)行有限元仿真,以驗證其在提高材料利用率前提下的成形質(zhì)量。圖11所示為有限元分析云圖。發(fā)蓋外板各處都得到充分拉伸,且沒有破裂區(qū)域,整體起皺趨勢亦得到有效控制;制件表面棱線滑移得到有效控制,最大滑移距離約減小3mm,發(fā)蓋兩側(cè)棱線滑移線如圖12所示,制件外觀質(zhì)量得以保證。5拉深件的安全裕度測量波浪式輪廓坯料設(shè)計方案確實大大提高了材料利用率,但其成形質(zhì)量的有限元仿真還需與實際生產(chǎn)相匹配,才能最終確定波浪式坯料的可行性。圖13為最終制件圖,而A、B、C、D為拉深工序后對應(yīng)區(qū)域的局部質(zhì)量放大圖。通過油石打磨,回彈測量等質(zhì)量檢測手段對制件的成形質(zhì)量進(jìn)行評估。檢測結(jié)果表明:運用波浪形坯料通過拉深模具生產(chǎn)出的制件無開裂且零件外表面無殘留波紋;4條棱線滑移線控制在5mm以內(nèi);表面曲率連續(xù),面品質(zhì)量較高;兩側(cè)回彈得以有效控制?？紤]到圖11中存在開裂風(fēng)險區(qū),故不能確保拉深件的拉伸安全裕度。本文將利用網(wǎng)格應(yīng)變測量技術(shù)對成形后拉深件的安全裕度進(jìn)行測量。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)變測量如圖14所示,首先在波浪形坯料上印制網(wǎng)格,并在坯料上印制規(guī)律的圓點;在沖壓成形后的制件上擺放編碼點,從多角度拍照;再識別編碼點,綁定圖片位置,識別網(wǎng)格通過計算得到如圖15所示的成形極限圖,圖15中存在著沒有達(dá)到安全裕度的點(即圖中線Ⅲ上方區(qū)域的點,分布在板件的拉延筋部位),這并不能說明這些區(qū)域沒達(dá)到安全裕度?？紤]到成形極限曲線是在單向拉伸載荷下獲得的,而拉延筋附近材料經(jīng)過了彎曲與反彎曲,其加載路徑發(fā)生了變化,故計算結(jié)果存在一定的偏差。而實驗結(jié)果中這些危險區(qū)域都分布在拉延筋附近,故需對其進(jìn)行誤差補償,從而得到真實的結(jié)果。對這些危險區(qū)域按圖15所示編號,對這10個點相距成形極限曲線的距離進(jìn)行測量并計算各點修正值得到表1數(shù)據(jù)。可以看出,修正后各點均在安全域度以內(nèi)。試驗證明波浪形坯料不僅能得到成形質(zhì)量好,面品質(zhì)量高的制件,還能有效地提高材料利用率,節(jié)省成本。6坯料初始安排(1)根據(jù)材料進(jìn)料量修改了矩形坯料形狀,并在此基礎(chǔ)上基于逆向推算法優(yōu)化了初始