高强度钢板具有吸能好、抗疲劳性好、耐腐蚀 以及强度高等优点, 已逐渐被用于汽车白车身的开 发及生产, 以达到节能、减排、提高安全性能的目 的。但是高强度钢板较普通钢板的高屈服强度、低 断面收缩率等性能却给汽车高强度钢板件生产带 来了极大的麻烦, 主要表现为回弹大, 可塑性降低, 严重影响了工件的成形质量。 下面以冲压专业分析软件pam-stamp2G为平 台, 运用NUMISHEET’96 标准考题模型S-Rail , 对某 汽车A 柱(材料B410LA) 成形参数进行系统分析,得 到优化的工艺参数及合理的生产工艺, 并用白光扫 描仪对该工艺生产的A 柱零件进行检测。生产实际 表明: 此工艺可行, 最终开发出了成形模具, 得到了 合格产品。
1 回弹测量约定 为测量方便以及宏观反映回弹量的大小, 以零 件成形回弹后网格节点与原数模对应点的测量距离 Δd 作为回弹量进行分析。 Δd = ( ±) (xi′- xi )2 - (yi′- yi ) 2 + (zi′- zi ) 2 (1) 由于A 柱零件形状复杂, 成形后有可能产生回 弹扭曲现象, 约定趋向坐标正方向的回弹为正值 ( + ) ,负方向的为负值( - ) 。 3 有限元模型的建立与参数设置 3. 1 分析模型的建立 数字模型采用NUMISHEET’96 提供的标准考题 模型S-Rail ,如图1 所示,模具采用倒装结构。 3. 2 参数设置 模具设为刚体, 冲压速度设为5 m/ s , 板料网格 划分采用四边形网格,最大尺寸为10 mm,自适应阶 数4 阶, 摩擦因数0. 12 , 高斯积分阶数取5 阶, 采用 Hill48 正交各向同性屈服准则, 成形采用动力显示 高强度钢板汽车A 柱回弹控制与工艺优化
2. 重庆数码模车身模具有限公司, 重庆400084) 摘要: 以NUMISHEET’96 标准考题模型S-Rail 对高强度钢板材料B410LA 进行模拟分析, 确定了凸模圆 角半径与压边力变化对B410LA 板料成形回弹的影响,根据模拟结果优化了A 柱的冲压工艺。经检验, 生产的零件回弹控制效果良好,优化后的生产工艺可行。 回弹采用静力隐式算法的复合算法。采用宝 钢生产的B410LA 板料,板料性能参数见表1。
3 模型分析结果讨论 4. 1 凸模圆角半径的影响 凸模圆角半径大小在一定程度上将影响S-Rail 回弹量的大小,由于S-Rail 形状相对较复杂,在圆角 和侧壁处都存在弯曲变形, 多处应力作用将导致 S-Rail 翘曲, 在模型侧壁与底部都将产生一定的回 弹量。 模型最大回弹量直接取软件计算 值。选择过(130 , 240 , 41) 点的XZ 截面截取的二维 图上侧壁及底部的回弹最大值作为量取值(统计分 析用) , 此截面相对约束点的另一侧, 且接近尾端, 在补偿时能够作为侧弯的最大值予以补偿。凸模圆 角半径不同时, 模型侧壁与底部的回弹量如图3 所 示, 凸模圆角半径不同时, 模型侧壁与底部回弹二 维图如图4 所示。 图2 约束点设置 从图3、4 中可以看出, S-Rail 由于侧壁弯曲, 成 形后将产生整体侧弯, 当凸模圆角半径增大后, 侧 弯回弹会明显减小, 底部的翘曲则随着圆角半径增 大而增大较多。 图3 不同凸模圆角半径时模型侧壁与底部回弹量 图4 凸模圆角半径不同时模型侧壁与底部回弹二维图 选择过约束点TX TY TZ (83 ,59 ,40. 5) 的XZ 截 面(可以认为此处不存在侧弯) 获取侧壁回弹量, 故 凸模圆角半径与侧壁回弹量的关系如图5 所示。 在图5 中,回弹的拟合直线在凸模半径R3～ R9 mm是逐渐增大的, 凸模半径的减小有利于回弹的 减小,这个结论与很多研究成果相同。 图5 凸模圆角半径与侧壁回弹量的关系 4. 2 压边力的影响 压边力的大小直接影响板料内部的应力状态, 模具工业2010 年第36 卷第1 期37 当板料等效内应力大于屈服应力, 或者内部应力平 衡较好,将改善板料回弹状态。经过模拟试验,在无 拉深筋的前提下, 压边力增大到能够压住板料不至 弹开后, 再增大压边力对板料的内部应力状态影响 甚小(见图6) , 且板料应变达不到2 % , 故需要增加 拉深筋增大板料的应变率。增加等效拉深筋后, 在 不同的压边力作用下的侧壁回弹量如图7 所示。回 弹量的测定选择过约束点TX TY TZ (83 , 59 , 40. 5) 的截面所截二维图进行测量。在保证成形安全的前 提下, 增大拉深筋的力, 并增大压边力有助于回弹 的减小。 图6 不同压边力下的等效应力 4. 3 A 柱工艺优化 图7 不同压边力下的侧壁回弹 A 柱数字模型如图8 所示, 板料厚1. 2 mm, 材 料为B410LA ,形状复杂,弯曲较多,成形应力应变错 综复杂,故控制回弹非常困难。 原定A 柱冲压工序为: 落料→拉深→翻边、冲 孔→修边→整形。通过CAE 分析, A 柱成形后回弹 较大, 最大回弹达到18. 5 mm, 零件侧弯回弹以及侧 壁外张回弹都未能达到设计要求。 根据B410LA 材料的成形性能, 充分考虑零件 特点,首选对拉深工序进行优化,凸模圆角半径加大 2 mm,并增大压边力,降低了拉深的回弹。再将冲压 工序进行优化, 调整为: 落料→拉深→修边→翻边、 冲孔→整形,并对A 柱成形进行模拟分析。 图8 A 柱数字模型 4. 4 工艺优化后的模拟分析 成形模拟拉深筋设置为等效拉深筋, 拉深筋阻 力为280 MPa , 压边力为180 kN, 其他设置与S-Rail 设置相同, 模拟结果对比如图9 所示(为10 等分截 面剖面图) 。A 柱成形后最大回弹为4. 1 mm。 4. 5 零件检测 图10 为A 柱成形回弹后, 经白光扫描仪扫描 结果与原产品数字模型的对比。 经过回弹统计分析, A 柱上所有测量点的回弹 量几乎全小于±3 mm,且91 %的回弹量在±2 mm内 (如图11 所示) ,回弹控制较好,工艺方案可行。不过 此时还不能满足车身装配要求,即控制回弹在±0. 5 mm以内,可以进行较小回弹补偿或通过整形工序将 图9 回弹三维曲线对比 零件回弹控制在合格范围内。采用后序整形的方式 生产的A 柱达到了设计要求,如图12、13 所示。 38 模具工业2010 年第36 卷第1 期 图10 零件检测结果 图11 回弹量分布 5 结束语 借助CAE 技术对高强度钢板进行了成形回弹 研究, 通过S-Rail 模型研究了凸模圆角半径及压边 力对回弹的影响趋势。研究表明, 凸模圆角半径的 增大可以减小板料侧弯回弹, 但是侧壁外张回弹会 增大,压边力的增大能够减小回弹。 针对汽车A 柱特殊的形状, 优化凸模圆角半径 和压边力,并对工序进行适当调整,能够较好地控制 回弹。通过将凸模圆角半径加大2 mm, 压边力调整 到150 kN,并对工艺优化后,将回弹最大值由原18. 5 mm控制到4. 1 mm,具有较好控制回弹的效果。
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