汽车前壁板冲压件的拉延成形缺陷工艺优化与Autoform应用

李林鑫，陈显均，银强，冯铃，赖丽莉

(四川化工职业技术学院，四川泸州 646005)

0 引言

近年来，随着我国汽车工业的快速发展，竞争日益激烈。为满足人们对汽车产品多样性的需求，各汽车企业的产品特点已从原来品种少、批量大、换代周期长向品种多、批量小、换代周期短转变[1]。冲压工艺作为汽车主机厂冲压、焊接、涂装及总装四大工艺之首，在汽车制造行业具有举足轻重的作用[2]。传统的汽车板材的冲压，在经验指导下，设计一个初步工艺方案，然后采用试错法，反复调整直至得到合格的零件，这种方法耗时长，材料浪费较严重[3-7]。本文作者采用Autoform软件，通过冲压工艺的虚拟仿真调试，指导实际的模具设计和工艺参数调整，获得了较好的效果。

1 缺陷问题介绍

汽车前壁板是将发动机空间与驾驶空间隔开的一个零件，如图1所示，该产品由OP10拉延→OP20切边冲孔侧切边→OP30切边冲孔侧冲孔→OP40切边冲孔侧冲孔→OP50翻边整形等5道工序冲压而成，其具有较多凸凹台结构，形状复杂，零件长宽约为1 300 mm×800 mm，而其最大拉延深度接近300 mm，零件加工工艺性差，特别是采用镀锌板为材料，因摩擦因数和成分不均匀的影响，在冲压加工过程中，很容易出现裂纹和叠料缺陷。

图1 汽车前壁板结构

如图2所示，某企业生产的前壁板，出现了裂纹和叠料缺陷。该零件要求的报废目标0.04%，返修目标0.06%，实际生产中每批次生产均出现叠料、破裂缺陷，返修高达0.396 5%，报废高达0.130 4%。为了得到合格的产品，降低报废和返修百分比，文中通过使用流程图、鱼骨图和因果矩阵图等工具，全面分析各个环节，查找问题原因，并采用有限元模拟Autoform软件对成型过程进行仿真，以期验证改进方案和得到较好的工艺参数，得到质量合格的产品。

图2 前壁板产品缺陷图

2 缺陷产生原因分析

产品冲压生产流程图如图3所示，可以看出在OP10拉延工序后没有再出现使材料变薄和增厚的工序，由此可以判定，裂纹和起皱必然是在OP10拉延工序中产生。

图3 前壁板冲压生产流程

3 改进措施

针对流程图和鱼骨图分析找到的缺陷产生因素，结合生产经验，拟从以下方面进行改进：

(1)检测机床顶杆高度，停止使用超过公差范围的顶杆；

(2)分别设置工艺参数范围中的最大最小值生产，判断参数设置是否合理；

(3)用蓝丹擦拭已成型零件上下面，机床上合模检查模具型面贴合度，消除未能贴合的型面位置；

(4)调节模具上材料定位，判断是否对材料成型产生影响及允许调节定位的最大位置；

(5)硬度计检测压边圈和模具型面表面硬度，不合适处重新热处理；

(6)根据零件成型破裂和起皱位置，调节对应方向上的拉延筋R角大小，破裂缩颈处放大R角、起皱叠料处减小R角；

(7)每垛料首尾料生产时，对比生产过程中的全检零件状态，发生变化及时调整生产参数；

(8)用Autoform分析材料性能指标是否满足零件成型要求，得到最佳工艺参数；

(9)记录不同钢卷号的原材料生产产生的不良品数量，判定原材料波动是否明显影响零件成型。

4 Autoform分析

4.1 数据导入

导入了如图4所示的上下模具和压边圈。压边圈的起始位置设与实际加工位置一致，为220 mm。初始模拟压边力，按照下式计算：

图4 上下模与压边圈设置

FQ=Ap

式中：A为压边圈下毛坯的投影面积(mm2)；p为单位压边力(MPa)。

由UG投影后可得到A值为5 136 mm2，查阅《现代冲压技术手册》，DC56D+Z(St07Z)材料的p值为(2.5～3)MPa，则FQ(N)=686 914 mm2×(2.5～3)MPa=1 717～2 060 kN。该压边力包含两部分，一是压边圈压力，二是拉延筋的力，因此实际压边力要小于该数据，在模拟过程中，要根据模拟结果进行调整。设置初始压边力为1 500、1 200、1 000、800 kN。

材料模型选择Autoform材料库中的DX56D_Z_D080_TEM，其力学性能如表1所示，与宝钢锌铁合金DC56D+Z(St07Z)性能基本一致。

表1 导入的材料力学性能参数

拉延筋的设置，如图5所示，将原模具上拉延筋进行了编号，共计17段。根据改进措施分析，文中将左右两侧(图5中的6、14号拉延筋)的等效系数增大(即减小R)，以保证中间的叠料区域将料拉开，消除叠料缺陷，同时将裂纹出现区域的等效拉延筋系数减小(即增大R)，防止裂纹缺陷产生。

图5 等效拉延筋的优化设置

第一次模拟的拉延筋的等效系数设置见表2。

表2 第一次模拟的拉延筋等效系数设置

4.2 结果分析

4.2.1 成形极限图分析

初次模拟成形极限图结果如图6所示，压边力不小于1 000 kN时，都在I区(破裂区，区域位置如图6(a)所示)中出现了不同程度的点分布，都有极大可能会产生拉裂缺陷。压边力为800 kN时，I区中的分布点消失，有0.05%的点分布在Ⅱ区(减薄区)域和8.76%的Ⅳ区(增厚区)。在Autoform的成形极限图出现Ⅳ区中点分布，并不代表一定会产生起皱(叠料)缺陷，要结合后续Wrinkles结果进行判断。

图6 不同压边力下的成形极限图结果

4.2.2 起皱模拟结果分析

如图7所示，通过软件分析，在图中深黑色标记为Wrinkles值不小于0.1的区域，根据经验，在料厚小于3 mm时，都会出现起皱，且料厚越小，起皱的程度越高。

图7 坯料起皱分析结果图

通过经验判定，出现该起皱缺陷的原因是该位置的坯料未被拉开，过多的材料进入了该区域中。为了消除该缺陷，在其他拉延筋等效参数不变的情况下，对影响起皱位置编号为6、7、10、12、13的拉延筋参数进行了调整，如表3所示，进行了再次成形模拟。

表3 第一次调整后的拉延筋参数

4.2.3 第二次成形模拟结果分析

如图8(a)所示，第二次模拟成形极限图结果中没有出现在Ⅰ区(拉裂区)的点分布；如图8(b)所示，起皱区域明显减小，但仍然存在，说明起皱缺陷对应拉延筋的压边力还不够，还应该继续增大。

图8 第二次分析成形极限图和起皱判定结果

为了得到理想的模拟结果，进行了第三次模拟，参数调整见表4，因第二次模拟成形极限图结果中Ⅱ区(减薄区)中的点分布增加到了0.5%，且边缘非常靠近Ⅰ区(破裂区)，第三次模拟的压边力减小至750 kN。

表4 第二次调整后的拉延筋参数

4.2.4 第三次成形模拟结果分析

如图9(a)所示，第三次模拟成形极限图结果中没有出现Ⅰ区(破裂区)点分布，且Ⅱ区(减薄区)域边缘与Ⅰ区(破裂区)有一定距离，模型安全系数大；如图9(b)所示，起皱区域消失。通过第三次模拟确定了模具17条拉延筋的等效参数和压边力大小。

图9 第三次分析成形极限图和起皱判定结果

5 实际生产效果

根据模拟确定的工艺参数进行了实际生产，如图10所示，工件原有缺陷被消除，产品质量符合客户要求。

图10 工艺改进后的实际生产产品图

6 结论

(1)在冲压生产中，通过产品流程图和鱼骨因果图的合理运用，可以快速地找到缺陷产生的根本原因，并进行系统分析和改善。

(2)针对较大拉深深度和复杂凸凹台结构镀锌板零件，通过拉延筋和压边力的调整，改善了拉延成形产品质量，消除裂纹和起皱缺陷，对同类产品的工艺改进和现场试模有较大的指导意义。

(3)经过实际生产效果验证，Autoform模拟确定的工艺参数，具有较高的可行性，可以在实际生产中得到应用。减少了试模次数，有利于缩短模具开发时间，降低生产成本。