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      案例剖析

      汽車模具設計-某車型兩廂轎車頂蓋尾部-產品起皺問題優化分析[智恩模具]

      Date:2016-07-31

      沖壓工藝是汽車模具設計制造的核心技術,涉及工序設計、成形型面設計、修沖刃口設計等制件成形內容,一般包括制件前期工藝性分析、工藝方案預測、模型構建、工藝可行性分析、模型反復優化等設計過程。轎車頂蓋類制件的棱線R角光順度是模具企業關注的質量指標之一。為解決棱線光順問題,一般需要對制件棱線部位進行正整形。正整形通常會導致制件拐角下部側面起皺且難以消除,影響模具制造水平和制件質量。

      制件結構及工藝分析

      圖1 兩廂轎車頂蓋制件

      某兩廂轎車頂蓋制件如圖1所示,此類制件具有尺寸大、形狀簡單、拉深深度相對較淺等特點。在成形時要求制件表面平整無皺紋,具有良好的剛度,保證制件R角處棱線清晰光順。因此,從工藝設計角度考慮,關鍵是如何保證其與前、后窗框及背門、側圍橫梁之間的平順過渡。在整個頂蓋制件造型中,成形工藝最復雜的區域是制件尾部,此處需要經過拉深、修邊、整形等多道工序。由于其是連接后背門的主要部位,不僅需要有足夠的強度,還要求有較高的形狀精度和尺寸精度,這是工藝設計的難點。

      原頂蓋尾部成形工藝但在實際沖壓生產中,從OP30工序整形結束開始至OP50工序,制件的尾部側壁上出現了起皺現象(見圖2),顯然不能滿足制件質量要求。

      OP20-DR-拉深出制件的大致形狀;

      OP30-RE/TR-先整形制件尾部R角;

      OP40-CRE-整形出制件形狀;

      OP50-RE/PI-最終修整;

      圖2 OP30整形后尾部側壁起皺

      起皺因為在工藝設計中,為避免在模具調試和實際沖壓中出現開裂等問題,通常在拉深工序后進行整形,而在一些沖壓成形案例中,過拉深往往是導致制件起皺的原因之一。由圖3所示頂蓋拉深工藝數模的過拉深處理可知,工藝設計中有4mm的過拉深量,會在后序成形時產生多余的材料,這是導致制件整形起皺的根本原因。

      圖3 頂蓋拉深工藝數模的過拉深處理

      采用Autoform軟件對前期設計的制件拉深造型進行有限元分析,模擬結果如圖4所示,制件拐角部位最大變薄率達到28.3%,略小于CAE判別極限值30%,表明實際起皺部位有開裂風險。如果通過減小過拉深來改善起皺問題,勢必會導致制件開裂。因此,過拉深導致的起皺問題只能在后工序中加以改善。

      圖4 前期設計的制件拉深造型有限元分析

      OP30工序整形結構如圖5所示。從原成形工藝看,OP30工序整形的作用是先將制件尾部R角成形,防止R角一次性整形發生變形。因此,OP30工序整形部位只包括制件尾部R角及R角以下一小部分拉深區域。下模上有壓料符型面,同時還要留有整形空間,這樣壓料區域與整形區域之間就形成一個臺階。

      圖5 OP30工序整形結構

      1.壓料芯 2.整形刀塊 3.拉深板料 4.下模塊 5.壓料板

      實際成形時,過拉深設計中多余的材料在整形刀塊的作用下向下流動,而壓料板和下模塊臺階形狀嚴重阻礙了材料繼續流動。因此,在壓料板與整形刀塊接觸的臺階面縫隙部位產生嚴重積料現象。聚集的材料在模具壓力作用下發生堆積硬化,無法在OP40工序側整形時再進行拉深變形,或留有很深的疊料痕跡,導致制件尾部出現起皺現象。

      沖壓工藝優化

      由上述分析可知,制件尾部起皺的直接原因是OP30工序下模塊臺階造型和壓料板成形工藝設計不合理。因此,重點改變下模塊和壓料板造型及壓料范圍,使多余的材料在成形過程中平緩延展而避免集中在某一小范圍內,即可改善上述起皺缺陷。根據此思路,得到優化后的整形結構如圖6所示。

      圖6 優化后的整形結構

      1.制件 2.下模塊 3.壓料芯 4.整形刀塊5.拉深板料 6.壓料板

      將下模塊原臺階形狀設計成平緩過渡形狀,便于材料向下流動;壓料板上部分設計成讓空形式,整形時只壓拉深板料凹R角以外部分,使材料有一個平緩延展的空間,避免過拉深余料在局部小范圍內堆積。將下模塊與上模部分形狀設計成不同造型,且壓料板與整形刀塊間有一定間隙,增強了材料流動性。優化后的工藝方案,消除了OP30工序整形時材料聚集現象,使過拉深余料存儲在壓料板與整形刀塊的間隙空間內,同時滿足OP40工序側整形時進料需求,從而改善制件尾部起皺缺陷。

      采用Autoform軟件對頂蓋尾部優化后的成形工藝進行模擬,模擬結果如圖7所示。

      (a)成形極限

      (b)變薄率

      圖7 頂蓋尾部優化后的成形工藝模擬結果

      由圖7可見,頂蓋尾部在成形工藝優化后未出現起皺現象,變薄情況滿足CAE判定依據,起皺缺陷的改善在理論上取得了滿意的效果。模具結構根據優化后的成形工藝進行整改,經沖壓試模,OP30工序整形后拉深余料聚集現象得到消除。


      圖8 頂蓋尾部成形工藝優化后沖出的制件

      圖8為頂蓋尾部成形工藝優化后沖出的制件,對比圖2可見,頂蓋尾部未出現起皺和整形疊料痕跡,制件質量合格。


      -END-

      智恩模具/設計師:晨煜

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