2019家電模具高峰論壇征文
兩廂汽車頂蓋外板尺寸大，頂面的曲率較小，頂面形狀較為平坦。由于需要避開(kāi)尾門(mén)開(kāi)合空間，兩廂汽車頂蓋尾部流水槽位置需設(shè)計(jì)成負(fù)角，并采用側(cè)整形的成形工藝。很多情況下，側(cè)整形后回彈變形會(huì)造成尾部頂面產(chǎn)生波浪，降低頂面的剛度，影響整車外觀質(zhì)量，甚至在高速運(yùn)行時(shí)，頂面波浪位置會(huì)產(chǎn)生顫動(dòng)，發(fā)出噪音。現(xiàn)通過(guò)某實(shí)例，以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)（CAE）為分析手段，基于抗凹理論，對(duì)兩廂汽車頂蓋尾部頂面產(chǎn)生波浪的原因進(jìn)行分析。為了驗(yàn)證計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在實(shí)際生產(chǎn)條件允許的情況下，進(jìn)行了試驗(yàn)。
Autoform是專門(mén)針對(duì)汽車工業(yè)和金屬成形工業(yè)中的板料成形的仿真模擬軟件，用于進(jìn)行復(fù)雜的沖壓成形分析和優(yōu)化沖壓工藝方案。為了驗(yàn)證Auto?form軟件對(duì)頂蓋尾部頂面產(chǎn)生波浪問(wèn)題進(jìn)行分析的準(zhǔn)確性，在現(xiàn)有的條件下進(jìn)行了2組試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果看，軟件分析結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)相符程度在90%以上，如圖1所示。
圖1 CAE分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)比
圖2 拉深件
某兩廂汽車頂蓋（簡(jiǎn)稱A頂蓋）的沖模開(kāi)發(fā)過(guò)程中，拉深件頂面并無(wú)波浪產(chǎn)生，如圖2所示，但在第2工序側(cè)整形后，尾部頂面產(chǎn)生了嚴(yán)重的波浪問(wèn)題，如圖3所示。最初推斷是第2工序的壓料板研合率不足，導(dǎo)致頂面壓力不夠，側(cè)整形帶動(dòng)尾部頂面的板料發(fā)生輕微位移，造成波浪的產(chǎn)生。但研合率達(dá)到要求后，波浪問(wèn)題并沒(méi)有減輕。后經(jīng)CAE分析，發(fā)現(xiàn)制件在第2工序整形回彈后發(fā)生的波浪現(xiàn)象，并不是在整形過(guò)程中產(chǎn)生的波浪。通過(guò)CAE模擬分析，在修改側(cè)整形部位后，波浪消失，如圖4所示，說(shuō)明波浪屬于彈性變形范疇，并沒(méi)有發(fā)生塑性變形。
圖3 側(cè)整形后零件
圖4 修改側(cè)整形后零件
圖5 內(nèi)部應(yīng)力分析
通過(guò)對(duì)比拉深工序和整形工序內(nèi)部應(yīng)力CAE分析結(jié)果，拉深工序件主應(yīng)力大部分大于0，局部次應(yīng)力小于0，但絕對(duì)值較小，接近于0。整形工序件出現(xiàn)大部分主應(yīng)力小于0的情況，次應(yīng)力全部小于0，且絕對(duì)值較大，如圖5所示。這說(shuō)明整形回彈后給頂蓋尾部頂面帶來(lái)了較大的壓應(yīng)力，較大的壓應(yīng)力是尾部頂面產(chǎn)生波浪的主要因素。兩廂汽車的尾門(mén)安裝方式?jīng)Q定了兩廂汽車頂蓋尾部的結(jié)構(gòu)必然會(huì)有負(fù)角，從而決定了兩廂汽車頂蓋必須采用尾部側(cè)整形的工藝，最終導(dǎo)致頂面存在較大的壓應(yīng)力，給頂蓋尾部頂面產(chǎn)生波浪提供了驅(qū)動(dòng)力，這也是頂面產(chǎn)生波浪問(wèn)題的必要條件。
圖6 3個(gè)頂蓋的分析結(jié)果對(duì)比
既然產(chǎn)生波浪的驅(qū)動(dòng)力必然存在，理論上類似結(jié)構(gòu)的頂蓋應(yīng)該都存在類似問(wèn)題，但通過(guò)與多個(gè)車型比較，發(fā)現(xiàn)并不是所有具有類似結(jié)構(gòu)的頂蓋都存在尾部頂面波浪問(wèn)題，或波浪問(wèn)題與此車型同樣嚴(yán)重。對(duì)3種類似車型的頂蓋進(jìn)行比較，如圖6所示，頂蓋的結(jié)構(gòu)大同小異，材料的材質(zhì)和厚度略有不同，CAE模擬分析結(jié)果顯示，尾部頂面同樣有較大的壓應(yīng)力存在，即都有尾部頂面產(chǎn)生波浪的風(fēng)險(xiǎn)，但是結(jié)果卻是車型A有波浪，車型B和C沒(méi)有波浪（分析結(jié)果與實(shí)際一致）。
圖7 A頂蓋不同方案的分析結(jié)果
基于以上疑問(wèn)，對(duì)A頂蓋進(jìn)行了不同材質(zhì)、不同厚度、不同形狀的CAE模擬分析，如圖7所示，從對(duì)比中尋找原因?？v向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，同是DC03的材質(zhì)，0.8mm厚度的頂蓋波浪問(wèn)題比0.7mm厚度的頂蓋波浪問(wèn)題要輕。橫向?qū)Ρ?，相同厚度不同材質(zhì)的頂蓋波浪區(qū)別并不明顯。改變側(cè)整形第一觸料點(diǎn)的分析結(jié)果顯示，波浪位置雖然和原始狀態(tài)稍有區(qū)別，但并沒(méi)有改變產(chǎn)生波浪問(wèn)題的本質(zhì)。延長(zhǎng)頂面加強(qiáng)筋，其分析結(jié)果要優(yōu)于其他結(jié)果，但并未完全解決產(chǎn)生波浪的問(wèn)題。從分析結(jié)果來(lái)看，無(wú)法找出合理解釋3種頂蓋產(chǎn)生不同波浪問(wèn)題的原因。
在解決波浪問(wèn)題的過(guò)程中，用CR210B2材料進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)效果理想，但發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果和CAE分析結(jié)果差別較大（CAE分析結(jié)果很差，同樣存在波浪）。前文提到，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證CAE分析結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)相符度在90%以上。后來(lái)發(fā)現(xiàn)CR210B2材料為電鍍鋅鋼板，實(shí)際上電鍍鋅鋼板的抗凹性要強(qiáng)于非鍍鋅板，而Autoform軟件進(jìn)行沖壓模擬分析時(shí)不能區(qū)分鍍鋅板與非鍍鋅板，這也是CAE分析結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)的結(jié)果產(chǎn)生差異的原因。因此推斷抗凹性的差異是3個(gè)頂蓋具有不同結(jié)果的根本原因。
抗凹理論是指汽車覆蓋件在受到力的作用下，抵抗變形的能力?？拱祭碚撚?個(gè)概念：一是局部凹痕抗力，指抵抗塑性變形的能力；二是抗凹剛度，指抵抗彈性變形的能力。因?yàn)榍懊嬉呀?jīng)分析，波浪屬于彈性變形范疇，針對(duì)此問(wèn)題，只借鑒抗凹剛度理論進(jìn)行分析。
引用陳蓮峰等抗凹理論試驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明抗凹剛度與材質(zhì)、厚度和形狀的關(guān)系。試驗(yàn)采用3種不同材質(zhì)的板料對(duì)某車型翼子板拉深件的3個(gè)不同位置進(jìn)行抗凹試驗(yàn)，如圖8和表1所示。
圖8 翼子板試驗(yàn)取點(diǎn)位置
經(jīng)過(guò)抗凹理論試驗(yàn)得出3組數(shù)據(jù)，如圖9~圖11所示，抗凹剛度曲線的斜率越大，抗凹剛度越強(qiáng)。從圖9可以看出：隨著材料屈服強(qiáng)度的提高，零件的抗凹剛度略有增強(qiáng)，但差別不大。
圖9 3種材質(zhì)在相同位置（Ⅱ點(diǎn)）的抗凹剛度
圖10 180BH不同壓邊力下產(chǎn)生的抗凹剛度（Ⅲ點(diǎn)）
圖11 180BH不同位置的抗凹剛度
從圖10可以看出：在一定范圍內(nèi)，拉深時(shí)，隨著壓邊力的增大，零件的抗凹剛度略有增加，變化不大，當(dāng)壓邊力增大到一定程度時(shí)，板料厚度減薄過(guò)大，厚度變小，零件的抗凹剛度出現(xiàn)大幅度降低，說(shuō)明材料的不同厚度對(duì)零件的抗凹剛度影響比較大。
從圖11可以看出：零件型面的不同曲率半徑對(duì)零件的抗凹剛度影響比較明顯，曲率半徑越小，零件的抗凹剛度越強(qiáng)。
經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，改變材質(zhì)和材料厚度，對(duì)解決此車型頂蓋的波浪問(wèn)題并沒(méi)有明顯的效果，即改變材質(zhì)和厚度，其抗凹剛度并沒(méi)有明顯的變化。材質(zhì)和厚度并不是3個(gè)頂蓋產(chǎn)生不同波浪問(wèn)題的主要原因，C頂蓋的厚度為0.65mm，小于A頂蓋的0.7mm，理論上C頂蓋的抗凹剛度要弱于A頂蓋的抗凹剛度，C頂蓋的波浪應(yīng)該比A頂蓋嚴(yán)重，但事實(shí)正好相反（見(jiàn)圖6）。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)：B頂蓋和C頂蓋的尾部頂面的曲率半徑皆在4000mm左右，而A頂蓋的曲率半徑接近于6800mm，如圖12所示。
圖12 3個(gè)頂蓋尾部頂面曲率半徑對(duì)比
頂蓋曲率半徑的差異是A頂蓋的抗凹剛度明顯弱于B頂蓋和C頂蓋的主要原因，直接結(jié)果是導(dǎo)致A頂蓋尾部頂面的抗彈性變形的能力差，在壓應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生了嚴(yán)重的波浪。為了驗(yàn)證此結(jié)論，對(duì)A頂蓋的尾部頂面進(jìn)行了調(diào)整，曲率半徑由6800mm調(diào)整為4000mm，其余型面不變，進(jìn)行CAE模擬分析，分析結(jié)果符合預(yù)期，如圖13所示。
圖13 A頂蓋尾部頂面曲率調(diào)整后的分析結(jié)果
為了驗(yàn)證上述結(jié)論，利用Autoform有限元模擬分析軟件對(duì)A頂蓋的3種方案進(jìn)行模擬抗凹試驗(yàn)，方案1為初始狀態(tài)；方案2為頂面加強(qiáng)筋延長(zhǎng)到尾端狀態(tài)；方案3為尾部頂面曲率半徑調(diào)整到4000mm的狀態(tài)。鑒于頂蓋的曲率半徑較大，采用直徑為?25.6mm的壓塊（見(jiàn)圖14），以每次0.5mm的位移增量對(duì)A頂蓋尾部頂面P點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)加載、卸載，重復(fù)7次。
圖14 抗凹試驗(yàn)示意圖
模擬試驗(yàn)計(jì)算完成后，從Autoform 軟件pro?cess data界面提取模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到如圖15所示的試驗(yàn)結(jié)果。
圖15 抗凹剛度模擬試驗(yàn)方案及結(jié)果
從模擬試驗(yàn)結(jié)果看，在抵抗小于約0.8mm的微觀變形時(shí)，3種方案的頂蓋抗凹剛度強(qiáng)弱依次為：方案3大于方案2遠(yuǎn)大于方案1；在抵抗大于約0.8mm的宏觀變形時(shí)，3種方案的抗凹剛度強(qiáng)弱依次為：方案2大于方案3大于方案1。方案2頂面加強(qiáng)筋延長(zhǎng)到尾端，在局部范圍內(nèi)，原有面的抗凹剛度本身并沒(méi)有加強(qiáng)，在較大的范圍內(nèi)，通過(guò)加強(qiáng)筋的延長(zhǎng)使整體抗凹剛度得到了提升，因此在約0.8mm的位置出現(xiàn)了方案2和方案3的抗凹剛度曲線交叉的情況。
A頂蓋產(chǎn)生波浪是在模具調(diào)試階段，如果此時(shí)按照方案3整改，會(huì)牽扯到與之匹配的尾門(mén)的形狀更改，改動(dòng)量較大，改動(dòng)成本高，考慮到以上因素，采用了改動(dòng)量較小的方案2，雖然方案2還存在輕微的微觀變形，但可以接受。
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▍內(nèi)容來(lái)源：《模具工業(yè)》2017年第3期
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