汽车流水槽成形性分析及回弹研究

2024-01-30辛国升张永波

模具工业 2024年1期

辛国升，张永波，郑旭

（1.诸城威仕达机械有限公司，山东诸城 262200；2.日照职业技术学院机电工程系，山东日照 276826；3.日照市科技中等专业学校，山东五莲 262300）

0 引言

图1所示为某车型流水槽，为左右对称零件，图示为左件。零件形状为细长型，长度约1 442 mm，属于易扭曲回弹、质量稳定性较差的零件。该零件同时与侧围、顶盖、后围搭接，周边搭接关系复杂，如图2 所示，还需要安装铰链、背门限位器、密封条等关键部件，因此其成形质量影响整车的外观、密封等，对其冲压工艺方案提出更高的要求[1]。

图1 流水槽

图2 流水槽周边搭接关系

1 零件概况

1.1 零件外观要求

零件因安装在侧围后部的后背门下方（见图3），后背门打开后即可看到，属于二级外观件，要求不能起皱和开裂，并且四周均需焊接或安装其他零件，对搭接面尺寸要求较高，尤其是与侧围焊接部位要求较为严格。同时该零件具有流水功能，对密封及耐腐蚀要求也较高。

图3 流水槽在车身位置

1.2 材料参数

零件料厚为0.7 mm，材质为DC56D-Z，是汽车覆盖件中常用的冷轧成形钢，具有较好的刚度，成形性能好，且表面为镀锌涂层，具有防腐蚀特点，材料参数如表1所示[2-5]。

表1 材料参数

2 工艺方案

由于零件为左右对称件，从提高材料利用率方面考虑，采用左右件合模生产，由1 片板料生产2 个零件，模具制造成本也会相应降低[6]。结合零件造型确定冲压方向，确定2 个零件的对接方式，如图4所示。

图4 左右件工艺布置

根据冲压设备数量及客户要求，零件采用5 道工序成形，分别为拉深、修边侧修边冲孔、修边侧修边冲孔分离、翻边上整形、冲孔侧冲孔。

3 拉深造型及CAE成形分析

根据零件形状特点及性能要求，结合以往经验，密封条安装面需单独下翻边，如图5 所示，与后围焊接面需上整形，其余部位全部在拉深工序成形到位。

图5 翻边方案

3.1 拉深工艺补充

拉深工艺初次采用四周封闭形式，四周设置拉深筋，最大拉深深度为84 mm左右，拉深工艺补充设计为中间深两端浅的样式，具体造型如图6所示。

图6 拉深造型

3.2 CAE成形分析

3.2.1 拉深分析

利用Autoform R8 进行拉深分析[7]，输入客户提供的材料参数，优化压边力及拉深筋参数后，获得最优拉深分析结果，如图7所示，由成形性云图和成形极限图可知，95%以上零件区域都能得到充分拉深，无起皱和开裂区域，满足客户要求[8]。

3.2.2 回弹分析

常规的流水槽长度在600～800 mm，长度较短，发生扭曲回弹的可能性较低或回弹量小。但该零件长度为1 442 mm，宽度小，属细长零件，易发生回弹扭曲现象，且每个搭接面都会影响零件的回弹，因此对零件回弹量以及成形后回弹稳定性的控制较为关键。

在拉深分析确定后，从修边和翻边整形后2 个部分分别计算回弹，如图8 所示。修边后回弹量最大值在右侧与顶盖搭接位置，约1.5 mm，其余85%区域回弹均在0.5 mm 以内，基本符合要求；翻边整形之后，回弹量明显加大，最大处约3.1 mm，且有50%以上区域回弹数值在1 mm 以上，不能满足要求。从回弹趋势看，与修边后回弹不一致，说明翻边整形对零件的回弹产生了巨大的影响。

图8 零件回弹云图

零件翻边高度为15 mm，高度较高，翻边轮廓为不规则弧形，如图9中A、B、C处，翻边时存在翻边面伸长的可能。图6中Ⅰ处放大图翻边采用完全展开方式，零件从翻边前的平面通过模具翻成竖直的边。同时翻边轮廓面为弧形面，A、B 两处弧面半径较小，C 处弧面半径较大，都存在翻边伸长的状态，造成翻边内应力较大，在翻边完成后内应力释放，造成回弹；又因零件细长，在应力的作用下产生扭曲现象。

图9 翻边伸长部位

为控制回弹，应减小翻边内应力，更改翻边处拉深造型，采用图10 所示的过拉深形式，将原平直面翻边工艺更改为类似整形的翻边形式。由于拉深过程中提前成形10 mm 深的台阶，通过台阶形式将零件固定，有利于修边后零件回弹的控制以及减小翻边时的内应力。

图10 过拉深造型

按上述修改拉深造型，其他参数不变，再次进行拉深CAE 验证，结果如图11 所示，由成形性云图和成形极限图可知，97%以上零件区域都能得到充分拉深，无起皱和开裂区域，满足客户要求。

图11 整改后拉深工艺模拟成形性云图及成形极限图

在拉深分析稳定后再次进行后工序回弹分析，结果如图12 所示，修边后回弹明显减小，回弹最大值由原来1.5 mm 减小到1.0 mm，存在个别点位超差。从图12（a）可知，零件的整体扭曲得到了有效控制，且回弹量也大幅度下降，最大回弹位置仅在局部搭接面，后期容易完成回弹补偿。

图12 整改后零件回弹云图

比较修边和翻边后的回弹，回弹趋势没有改变，说明整改后方案准确可行，翻边对零件的回弹未产生较大影响，达到预期效果，满足设计要求，可以按照该方案进行下一步工作。

4 零件验证

模具制造及调试按照设计参数进行，拉深中的压边力、拉深筋等均与设计参数一致，并在调试后将现场测量拉深件材料流入量与CAE 分析流入量（见图13）进行对比，确保基本一致后再进行下一步调试工作。最终调试后拉深工序件无开裂起皱等缺陷，如图14所示。

图13 材料流入量

图14 拉深零件

后工序零件调试完成后进行白光扫描检测，并采用GOM软件进行对比，对比结果如图15所示。

图15 样件扫描对比

将翻边零件扫描回弹云图（见图15）与CAE 分析回弹云图（见图12）进行对比，同时对15个检测点回弹数值进行对比（见表2），与模具冲压方向相同为负，反之为正。其中7 个点实际零件回弹数值小于理论分析数据，7 个点实际零件回弹数值大于理论分析数据，1 个点数据相同；从对比数据差值分析，最大差值在13点位置处为1.14 mm，超过0.5 mm的差值仅有4 个点。由表2 可知，回弹方向相反的点存在2个，结合图12与图15预估理论与实际一致性达到80%左右，由此验证了设计工艺方案的准确性和可行性。最终经过对局部回弹进行补偿和模具整改得到合格零件，如图16所示。