側圍外板成形仿真及工藝優化
常桂靜，梁桂榮，曾兵華
（重慶長安汽車股份有限公司模具事業部，重慶，401120）
摘要：結合側圍外板工藝難點及特征，采用經驗設計和數值模擬相結合的方法，制定了其沖壓工藝方案。運用數值模擬軟件對拉延成形進行模擬和分析，同時對后工序出現的翻邊開裂起皺問題進行了原因分析，采取有效措施優化成形工藝，成功解決了沖壓件質量問題，為類似零件工藝方案的制定提供參考。
關鍵詞：側圍外板數值模擬 開裂 起皺 優化
Forming analysis and Process Optimization of Side Outer panel
CHANG Guijing, LIANG Guirong ，ZENG Binghua
Abstract:The stamping process planning of side outer panel has formulated by using the method of numerical simulation and combining design experience. The numerical simulation of drawing process for side outer panel is studied by using the sheet metal forming analysis software Dynaform. The causes of crack and wrinkle in flanging process are analyzed.The problem have been solved through the effective technical measures, and the quality of the products is guaranteed. The study provide a reference for the process plan of similar part .
Key words：side outer panel；numerical simulation；crack；wrikle；optimize
1 引言
側圍外板是汽車外覆蓋件中最為重要的零件，其形狀復雜、成形難度大、模具結構復雜、裝配關系最多，也就決定了它的表面質量及尺寸精度要求極高，因此側圍外板沖壓工藝制定是整個汽車車身開發的技術難點。 本文主要從側圍的沖壓工藝設計方面入手，結合數值模擬仿真技術，對側圍的拉延成形過程進行了模擬分析。同時通過對后工序翻邊整形開裂起皺問題的整改，積累了側圍外板翻邊整形問題解決方法的寶貴經驗，為解決此類問題提供了很好的參考作用。
2 零件的工藝性及有限元分析
2.1 零件工藝性分析及工序安排
圖1所示為某側圍外板零件圖，材料為DC05，料厚0.7mm。從圖可以看出，該零件形狀復雜，型面高差較大，局部成形較多，是典型的汽車覆蓋件。
在側圍外板的制造過程中，要經過落料、拉延、切邊、翻邊、沖孔等多道工序才能完成，而拉延工序是其中的關鍵，它直接影響到產品質量、材料利用率、生產效率及制造成本。如圖1所示零件大部分棱線部位側壁斜度小，圓角半徑較小，變形過度集中，易產生塑性破裂。因此在工藝數模設計時做了過拉延處理，即將局部側壁拔模角度增大，同時增大圓角半徑。
產品沖壓成形工藝的確定過程，就是分析和預測板料在變形過程中可能產生的缺陷，并采取一定的措施，以消除和防止沖壓缺陷，同時考慮制造能力、沖壓設備、投資成本等因素。
圖1 某側圍外板零件圖 圖2 落料形狀
根據該零件的工藝性和本身的結構特點，結合實際生產情況，側圍外板的工藝過程如下：
工序一：落料
工序二：拉延
工序三：切邊+整形+側切+側沖孔
工序四：切邊+沖孔+整形+側整+側翻+側切
工序五：翻邊+側翻+整形+側沖孔+沖孔+切邊
2.2 拉延成形數值模擬
為了減少拉延的調試時間，從而縮短生產周期，本文運用數值模擬軟件Dynaform進行了沖壓成形分析。在設計階段對拉延過程中可能產生的缺陷進行預測并加以消除，為設計人員在模具設計和工藝參數制定時提供可靠的理論依據。
沖壓成形分析選用的材料為DC05，厚度0.7mm, 考慮到材料利用及零件的成形性，坯料采用落料形狀，如圖2所示。摩擦系數為0.125，壓邊力為85t。經過多次的模擬分析計算及工藝優化，得到最終分析結果如圖3所示，由圖可以看出零件拉延成形變形比較充分，材料流動均勻，產品部分無明顯的開裂和起皺，實際生產的拉延工序件見圖4。
圖3 拉延成形分析結果
圖4 實際拉延工序件
3 側圍外板前窗框A柱上部成形方案優化
3.1 A處側翻邊開裂、疊料的問題
該側圍外板模具經過長時間的調試，最突出的難點最終表現在零件A柱上部（圖1A處）側翻邊時容易開裂，并在前端形成疊料，嚴重影響模具的開發進程，進而影響裝車。產品形狀和翻邊開裂疊料情況如圖5和圖6所示。
3.2 原因分析
如圖7所示，該側圍外板產品A柱上部側翻邊高度大（一般的側圍高度為25mm，該側圍高35mm），與翼子板搭接面臺階高10mm(一般的側圍高度為5~8mm)，翻邊線夾角很小的“三角形”，夾角只有146.7度左右（夾角越接近180度越不會形成疊料），導致側翻邊時在最高的尖角處撕裂。另外，此形狀決定了拉延時在“三角形”區域聚集了過多的材料，而此處側翻邊時的法蘭面為平面，把三角形狀的材料在側圍邊上整形為平面，如果排不出多余的材料必然形成疊料。
圖7 產品尺寸示意圖3.3 解決措施
側圍外板的A柱上部都是優先考慮先切邊再側翻邊的工藝，在此工藝無法解決疊料的問題時才考慮使用先側翻邊再切邊的工藝。該側圍外板正是采用后一種工藝，即側圍外板在使用先切邊再側翻邊工藝造形疊料的情況下，改為先側翻邊再切邊的工藝，經過多次的CAE分析驗證最終得出了一種較好的方案（如圖8所示）。在拉延過程中盡量的少聚積材料，側翻邊時把多余的材料分散在一個較大的區域，達到消除疊料的效果，CAE分析結果如圖9。
圖8 整改后數模形狀 圖9 翻邊CAE分析結果
通過這種工藝優化后，拉延、翻邊整形模具運行狀態很好，試制件狀態良好（圖10），A處區域無疊料現象，起皺現象基本消除，焊接邊的平整度達到了焊裝和總裝的要求。
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圖10 解決開裂、疊料問題的實際樣件4 側圍輪轂部位B處起皺嚴重問題整改
圖1 B處疊料主要是因為整形量太大，導致整形時無法將材料完全吸收和排出，疊料情況如圖11。
圖11 B處翻邊疊料情況
原工藝采用拉延出一部分形狀后序整形的方法，整形量較大達到近8mm。在保證B處在拉延不開裂的情況下，此臺階盡量拉延到位，使整形量相對減少到3.5mm左右，整形時疊料缺陷消除。整改前后數模對比如下圖：
圖12 整改前后數模對比
圖13 整改后樣件效果 圖14 生產出的合格零件
5、結論
1）結合數值模擬仿真結果對拉延型面進行優化，可以大大改善零件成形時的力學條件，充分發揮材料的塑性變形能力，保證拉延過程中無起皺、開裂出現；
2）充分結合數值模擬仿真技術進行工藝方案設計，有效提高了模具設計質量和效率，進而縮短模具設計、制造和調試周期；
2）實現了側圍內板的全工序CAE分析，為提高產品開發的成功率和產品質量提供了有利保障；
3）提出側圍外板A柱上部、輪轂部位成形難點的合理解決方案，為以后其它車型側圍外板模具的開發打下堅實的基礎。
參考文獻
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作者簡介：常桂靜（1979-），女（漢族），河北泊頭人，工程師，主要從事覆蓋件模具CAD/CAE/CAM方面的研究與工作，地址：重慶市渝北區空港大道603號模具事業部，（電話）023-67418856，（電子信箱）changgj@163.com
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