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[汽车铝合金] 汽车铝合金结构件回弹分析

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发表于 2020-3-5 08:19:12 | 显示全部楼层 |阅读模式
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汽车铝合金结构件回弹分析

刘新洋 牛忠贺
(一汽模具制造有限公司,长春 130000)
【中国汽车材料网】摘要:根据铝合金板材材料的特殊性能,研究其在塑性成型过程中的变形特点,经分析可知铝合金板材在成型之后会产生回弹、开裂、变薄、起皱等问题,通过对这些问题进行深入研究可知回弹是影响制件尺寸的最大问题,而且也是最难解决的问题,针对不同工序进行回弹补偿是解决问题最直接有效的方法。
关键词:铝制件 结构件 回弹分析

随着科技的进步以及环境改善的迫切需求,如何节省能源已经成为一项世界性的课题。对于汽车而言,车身轻量化已经成为世界汽车发展的主要趋势,白车身铝合金板材模具工装的开发与使用在整车生产中逐步占有越来越重要的地位。铝合金材料冲压成型时容易产生较大的回弹变形行为,在冲压过程中易出现尺寸超差、开裂、变薄率超差、起皱等现象。铝制件这种特殊的材料性能给工艺分析、回弹分析以及调试生产带来了很大的困扰。主要阐述了通过对制件的回弹分析及回弹补偿,来解决相应的成型问题。

1 减小或消除制件的回弹变形

铝合金板材的冲压工艺设计方法是解决铝合金板材制件回弹变形的核心技术,涉及到工艺方法、成型条件、补偿处理等多方面技术内容,需要分析成型过程中的开裂、起皱、回弹、扭曲等多种冲压缺陷产生的位置及原因,并寻找相应的消除办法,具体可以分为以下几个部分。

1.1 冲压工艺设计

冲压工艺设计也称工艺方案设计,是根据铝合金板材结构件的产品特点来确认成型区域、补充形状,修边布局及相关的翻边、整形形状等工艺内容,在设计过程中需要详细分析零件成形过程中板料的流动情况及各工序冲压过程的稳定性、成形性等多方面因素,制定相应的工艺过程。铝合金的延展性较低,制件相应的成型也更加困难,因此,需要考虑更多的成型因素对零件的影响,从而保证制件在冲压工艺设计时能够得到稳定的成型结果。

1.2 回弹补偿控制

受铝合金材料特性的影响,在铝合金冲压成型过程中回弹无法避免。在铝合金成型过程中,分析铝合金板材与钢板的力学性能,通过对相关材料参数进行深入研究,找出在成型过程中对回弹变形有影响的关键因素,从而有目的的加以解决,是对铝合金制件进行有效回弹控制的必然手段。由塑形金属材料拉伸曲线的应力应变关系(图1)可知,材料在拉伸过程中存在弹性变形εe和塑性变形εp两部分,材料受力后由材料原长L0拉伸为(L0+ΔL)。ΔL为受拉力F后产生的伸长量,当施加的成型力卸载后,样件内部的Δσ应力消失,弹性变形εe消失,样件的伸长量出现ΔLSB大小的回弹变形;由此可见,在冲压成型过程中,材料的回弹变形是不可避免的,相对于低碳钢板的变形行为来讲,如图2所示,铝合金制件的回弹变形较低碳钢变形大,且与高强钢的变形基理不同,主要是由于杨氏模量E引起。

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图1 塑形金属材料拉伸曲线

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图2 铝合金板材与钢板拉伸曲线相对关系

假定样板长度L0=1000 mm,ΔL=50 mm,则ε=0.05;低碳钢DC04的屈服强度为σs=210 N/mm2,铝合金板5754的屈服强度为σs=182 N/mm2,其中钢的杨氏模量为2.1×105MPa,铝的杨氏模量为0.7×105MPa,由上述数据可以得出,钢板回弹变形ΔLSB=1.00 mm,铝合金板材回弹变形ΔLSB=2.60 mm,铝合金板材的回弹变形是钢板的3倍左右;此外,在板料的弯曲过程中,板料外侧Lout处于拉伸状态,内侧Lin处于压缩状态,而中性层Lmid则认为没有变形,如图3、图4所示,可以得出如下计算公式。

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图3 板料弯曲简化模型

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图4 板料回弹释放简化模型

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在材料的变形过程中,由于存在弹性变形和塑形变形,因此,去掉弯曲过程中的弹性变化参数,可知其塑形变形量计算如下。

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从回弹释放简化模型中,可以得出如下计算公式。

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从图4简化模型中角度回弹偏差可以得出如下计算公式。

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由上述公式可知,弯曲半径Rmid大会导致较大的回弹变形,弯曲过程中,较大内外表面的应力差Δσ也会产生较大的变形,此外小料厚t0、较小的杨氏模量E也是影响制件产生较大变形的主要因素,铝合金板材由于自身的力学性质决定其在冲压成型过程中必然会出现较大的回弹变形,因此需要通过有效的回弹补偿手段来保证产品的尺寸精度。在设计过程中,根据铝合金板材冲压成型的特殊性,要求进行全工序的CAE分析,对不满足铝合金板材成型性的产品区域进行评判,相关问题必需提出反馈、修改,保证产品在理论上可行,起皱及开裂区域必须有相应的对策处理。如图5所示,制件GX 513A06-7材料为AC600,料厚为1.5 mm,依据ATOS检测结果,对制件进行最佳拟合,然后根据制件拟合后的回弹范围及回弹量,比较制件的尺寸公差,确定其变形程度及需要进行补偿的范围。

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图5 补偿前制件的回弹变形结果

回弹补偿的范围及大小确定后,下一步就要明确具体的补偿量对应的时间及位置关系,如图6所示,制件GX 513A06-7回弹补充前的自由回弹,通过全工序的回弹分析,可以确认制件不同的回弹变形产生的时间、位置,然后通过型面补偿措施解决制件产生的回弹。一般原则上是从产生回弹变形的根源上加以补偿,从而有效解决冲压过程中的回弹变形。

根据不同的制件、不同的成型方法以及复杂的变形行为,制定出了铝合金冲压件的4种回弹补偿策略,通过整体补偿、局部补偿相结合的方法,解决制件的回弹变形,具体如下。

a.全工序整体补偿策略。

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图6 全工序制件回弹变形分析

b.各工序分步整体补偿策略。这种补偿方式主要针对工艺复杂,变形行为多变的异常状态,主要根据制件在各工序间的变化状态,采用两种不同目标基准的补偿方案。

c.成型优先整体补偿策略。

d.各工序局部区域补偿策略。

在CAE仿真分析过程中,各补偿策略既相互独立又可以根据制件的不同位置交差并存,应具体问题具体分析,既考虑制件的生产周期,又要评估补偿的生产成本,从而制定出科学的回弹补偿方案。另外,拉延筋的设计方法是影响CAE模拟分析与制造过程中调试稳定性的一个比较关键的环节,由于拉延筋对材料成型时板料的流动控制起到决定性的作用,而工艺阶段的回弹分析又是以分析软件的理论模型为基准,因此,在铝合金加工数据的构建过程中,为避免理论结果与实际生产出现偏差,需要加工数据严格按照该件等效筋的构建指示书进行设计,如图7所示拉延筋构建指示说明,在不同的情况下需要按照表1和表2采取不同的拉延筋设置。

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图7 拉延筋构建指示说明

表1 拉延筋设置
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表2 推荐使用的最大拉延筋阻力系数
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由于铝件在冲压后的回弹较大,且在冲压生产过程中,存在较多的不确定噪声因素的干扰,即使进行了相应的回弹补偿设计,仍会出现理论数据与实际形状存在偏差的现象。自动化生产中使用普通类型传感器的感应距离通常无法满足正常生产需要,因此除拉延工序外,后序模具都需要采用强力型的传感器。

2 制件在不同工序的回弹变形

车身结构件不同于内外覆盖件,形状千差万别,即便是同一个车身平台,不同车型,相同功能的制件,往往一个局部改动,都会造成制件的整个回弹行为发生方向性的偏差,因此不同的制件在模具中的服帖性也存在较大的不同。在模具加工制造过程中,由于铝合金板的材料特点决定,其加工方法与铁合金模具的生产方式也存在一定的差异。由于铝合金成型时存在较大的回弹变形,如何控制制件与模具型面的服帖性是一个较困难的问题,针对不同的制件形状及变形行为,具体划分如下。

a.制件成型过程中,拉延件的回弹变形与制件修边整形后,回弹趋势、范围基本一致,且不存在拉延件回弹变形低,局部切边后形状变高的现象,如图8所示,制件GX-03410各序回弹变形状态,回弹结果显示各序回弹变形量较小,可以认为工艺补充对制件的回弹变形影响较小,制件变形稳定,则第一序修边模具可以根据拉延件回弹变形释放后的尺寸偏差进行型面补偿,以保证第一序修边模具的服贴性。

b.在铝合金零件的冲压模具制造过程中,大部分的制件在回弹变形分析时,体现出的变形趋势往往更加复杂,拉延件的回弹变形与修边后的零件存在较大的偏差,或者是回弹尺寸发生较大的改变,或者是回弹趋势发生逆转,在这种条件下,表明制件的补充形状对零件的回弹变形会产生较大的影响。在调试过程中,在制件出现波纹、缩颈等现象时需要对工艺补充,拉延筋进行轻微的调整,也就意味这制件的回弹变形出现波动,从而影响制件在后序模具上的服帖性。另一方面,如果在成型过程中,制件的变形各序之间的偏差都存在明显区别,如图9所示的制件GX 03418的各序回弹状态,回弹结果显示各序的变形量差别较大。产生这种情况的原因是冲压件在拉延工序后就释放部分回弹量,修边后释放绝大部分回弹,经过翻整工序又产生回弹。因此,直接用理论产品数据加工后序模具型面,基本上不能做到自由状态下工序件与凸模服帖。为解决这一问题,需要严格分析各序制件的回弹方向和回弹数值,确定制件产生变形的根本原因,从而得到准确的后序工艺回弹范围及回弹量,并检测前期冲压工艺设计及回弹补偿策略的可靠性。

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图8 制件GX03410各工序回弹变形状态

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图9 制件GX03418各序的回弹变形状态

如果检测后的制件满足制件的公差要求,则意味着冲压工艺设计时预测的回弹及进行的补偿是正确的,只需要保证后序模具不产生额外变形,回弹量正常释放,就能够得到合格的制件。

如果制件的检测结果超出制件要求的公差范围,则表明前期的补偿控制出现问题,需要检测、分析超差的位置及原因。如确认是设计阶段分析及预判偏差所致,则需要重复从回弹变形分析开始的设计思路,确认偏差区域及偏差量,进行局部整改工作。如果前期分析没有问题,变形是由材料的流动变化产生,就可以进行扫描采集数据,然后通过逆向软件快速生成曲面,经过数据最佳拟合,即可得到拉延件与理论数据制件的偏差结果。

对比CAE分析时的回弹变形,如果数据偏差在一定的范围内,可以通过软件同向变形,作为加工第一序修边模具的加工数据。如果数据偏差超出额定范围,则需要经过细化,填充等处理,生产新的型面数据,直接导入CAM系统用于加工。如图10和图11所示制件加强梁GX 8403021更改前后的加工数模。

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图10 回弹补充前的加工数模

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图11 回弹补充后的加工数模

3 结束语

概括介绍了如何解决汽车铝合金板材结构件在冲压过程中回弹变形的几种方法,通过前期的冲压工艺全工序分析模拟,确定回弹工序、回弹区域和回弹数值,从而进行相应回弹补偿来解决可能产生的回弹变形;同时,在生产调试过程中跟踪制件的调试情况,然后通过软件模拟现场实际状态,对于分析前期预测的回弹结果,制定更加准确的回弹补偿措施。通过公司实际铝合金板材结构件的模具生产,验证了目前这种确定制件回弹的方法比较有效,能够满足实际生产要求,能够为国内铝合金板材制件模具的制造提供有力技术支撑。


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