发动机盖外板拉深数值模拟及模具设计

发动机盖外板拉深数值模拟及模具设计

汽车的安全性、舒适度、新颖性和豪华等级与汽车车辆覆盖物的制造精度密切相关，这促使电动汽车致力于外观美观、外形美观、低风量和低量的高质量汽车。车身覆盖件拉延工序中,初始坯料形状很大程度上决定了材料利用率,同时也对成形质量有决定性影响。传统坯料形状设计方法大都依赖经验和设计者的直觉,实际生产中缺陷较多1零件特征参数发动机盖外板是典型的汽车外覆盖件,本文以某中型车发盖外板为研究对象,如图1所示,零件的发盖零件的外形尺寸近似为1000mm×1300mm,由复杂的空间曲面构成,其80%表面为外观面,零件整体曲率变化不大2拉深三维映射分析动态显示算法不需平衡迭代,计算速度快,常用于拉深成形模拟3材料分配的调整矩形板料的进料量如图3所示。可见坯料四周的进料量都相对较小,最大进料量发生在发盖外板的两侧,也只有约38mm,产生两侧拉伸不充分的表面缺陷。图3中A、B、C这3个区富余了大量材料,板料边界距离分模线甚远,造成了材料大量浪费。根据各处变形特点与材料流动情况,更改初始坯料的线形状,同时为了保证板材形状适合带料剪切及提高材料的剪切利用率,必须将A、B、C这3块材料富余区域裁去,使初始坯料线形状接近发动机盖外板的分模线。坯料轮廓形状优化设计基于以下原则圆弧形坯料线由矩形板料进料情况、坯料设计原则和有限元反求坯料线的三方面数据综合确定。为了进一步提高材料利用率,本文尝试设计了一种波浪形坯料线,即将坯料线的两侧圆弧设计成波浪形。在坯料设计中,以粗略的波浪边界坯料线为目标值(TargetLine),以两面圆弧形坯料线为初始值进行迭代,若成形后的板料轮廓与波浪形坯料线相匹配,则判定迭代过程结束。经过多次迭代可以得到较合理的坯料形状,其反求工作原理如图5所示。经过多次迭代计算,获得的输出线(NewOutLine)可以作为最终波浪边界线。这种迭代波浪坯料线比初始波浪线轮廓更节约材料,如图6所示。两侧波浪齿形轮廓如图7所示。多块坯料前后排列,突出齿形与凹进齿形啮合,拼成一条矩形料带,极大地提高了坯料剪切效率,减少摆剪阶段材料的浪费。与圆弧形坯料相比,波浪式形状可以在板料每个波浪处节省一个波浪齿形的材料,图8给出了各坯料形状的材料利用率。4可扩张型面的压边压边材料流动控制针对塑性成形中局部拉伸不充分和棱线滑移距离过大的缺陷,对模具模型进行优化设计。原型面设计中尽可能保证拉延深度的一致,型面断面曲线如图9所示。图9中凹模任一断面曲线长度等于凸模与之相对应的断面曲线长度,即L故本文尝试控制凹模断面曲线长度大于凸模与之相对应的断面曲线长度,即L为了控制棱线两侧材料的流动,需要控制坯料初始安放位置。图10a为常规压边圈压住板料的结构。这种结构可以在拉深开始时使板料预先受到压边力,防止板料错动,但这种常规压边结构会减缓主型面区域材料的流动,使得棱线A区材料流动速度慢于B区,导致棱线向B区偏移,影响外观质量。本文采用凸模顶料结构,如图10b所示,可使成形初期阶段没有压边力的控制,使得主型面区域在拉深深度急剧变大时有足够材料流动,平衡A、B区域材料流动速度,减小该处棱线滑移距离,提高制件外表面质量。以新改进的型面与坯料初始位置建立有限元模型。对多次迭代求得的波浪式轮廓坯料进行有限元仿真,以验证其在提高材料利用率前提下的成形质量。图11所示为有限元分析云图。发盖外板各处都得到充分拉伸,且没有破裂区域,整体起皱趋势亦得到有效控制;制件表面棱线滑移得到有效控制,最大滑移距离约减小3mm,发盖两侧棱线滑移线如图12所示,制件外观质量得以保证。5拉深件的安全裕度测量波浪式轮廓坯料设计方案确实大大提高了材料利用率,但其成形质量的有限元仿真还需与实际生产相匹配,才能最终确定波浪式坯料的可行性。图13为最终制件图,而A、B、C、D为拉深工序后对应区域的局部质量放大图。通过油石打磨,回弹测量等质量检测手段对制件的成形质量进行评估。检测结果表明:运用波浪形坯料通过拉深模具生产出的制件无开裂且零件外表面无残留波纹;4条棱线滑移线控制在5mm以内;表面曲率连续,面品质量较高;两侧回弹得以有效控制。考虑到图11中存在开裂风险区,故不能确保拉深件的拉伸安全裕度。本文将利用网格应变测量技术对成形后拉深件的安全裕度进行测量。网络应变测量如图14所示,首先在波浪形坯料上印制网格,并在坯料上印制规律的圆点;在冲压成形后的制件上摆放编码点,从多角度拍照;再识别编码点,绑定图片位置,识别网格通过计算得到如图15所示的成形极限图,图15中存在着没有达到安全裕度的点(即图中线Ⅲ上方区域的点,分布在板件的拉延筋部位),这并不能说明这些区域没达到安全裕度。考虑到成形极限曲线是在单向拉伸载荷下获得的,而拉延筋附近材料经过了弯曲与反弯曲,其加载路径发生了变化,故计算结果存在一定的偏差。而实验结果中这些危险区域都分布在拉延筋附近,故需对其进行误差补偿,从而得到真实的结果。对这些危险区域按图15所示编号,对这10个点相距成形极限曲线的距离进行测量并计算各点修正值得到表1数据。可以看出,修正后各点均在安全域度以内。试验证明波浪形坯料不仅能得到成形质量好,面品质量高的制件,还能有效地提高材料利用率,节省成本。6坯料初始安排(1)根据材料进料量修改了矩形坯料形状,并在此基础上基于逆向推算法优化了初始