新材料与工艺手册

[车身轻量化] 汽车铝合金覆盖件冲压成型工艺设计研究

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发表于 2020-6-3 17:13:55 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】汽车铝合金覆盖件冲压成型工艺设计研究
董洋洋 那芳芳 华晨雷诺金杯汽车有限公司 辽宁 沈阳 110034
摘 要 随着社会经济科技的迅猛发展,人们的生活水平有了极大的提升,私家车占有率也有了大幅上涨。中国汽车工业作为经济发展的支柱型产业,升级换代速度迅速,汽车生产所使用的材料、工艺技术和制造水平不断向安全环保和节能的目标发展。铝合金车身的应用在促进汽车轻量化发展的同时对汽车铝合金覆盖件冲压成型工艺的水平提出了更高的挑战。
关键词:汽车制造;铝合金覆盖件;冲压成型工艺
1 汽车外覆盖件冲压成形有限元基本理论
汽车外覆盖件在进行设计和生产的过程中程序非常复杂,尤其在汽车覆盖件拉伸延长成形的环节板料变形复杂多样,因此传统的汽车外覆盖件生产往往依靠技术人员的过往经验进行工艺设计及模具外形开发。随着汽车制造行业的深入发展,铝合金等轻质材料的应用对现代冲压工艺的灵活性和精准性有着更高的要求,需要通过技术不断革新来提升冲压工程和外覆盖件成形控制的稳定性。板料成形有限元理论的发展主要以弹塑性理论为基础,充分考虑了在汽车外覆盖件生产过程中弹性变形和塑性变形对板料最终成形的影响。弹塑性有限元法也是当前汽车制造业中板料成形数值模拟的主要方法之一。在进行铝合金材料弹塑性数据分析时需要对材料的本构关系式进行分析和计算,不同特性材料的弹塑性本构模型存在差异。对于汽车外覆盖件板料而言,冲压成型过程中出现的常规塑性变形和强化特征与等向强化模型存在很强的相似性,因此可以用于本构模型的计算和建立。
2 车门外板冲压工艺性分析
在汽车生产制造过程中车门外板是重要的外覆盖件之一,对车门外板的合理设计能够有效提升美观性,对内板件进行封闭和保护。首先在设计制造车门外板覆盖件的时候需要注意,由于外板的主要目的并不是承载重量,因此与其他冲压件在设计上存在区别,出于最终缩减汽车整体质量的目的,在一定程度上会缩减车门外板的质量。因此,车门外板属于薄板类成形,不仅板料厚度较低。而且汽车外覆盖件需要大面积的包裹车身,属于外形主要构件,因此外覆盖件的轮廓和尺寸都要比普通车用冲压件大很多。在进行汽车设计时,出于美观度和降低阻力的设计目的,一般多采用流线型设计和自由曲面设计,曲面之间存在着较大的曲率变化。
车门外板与内板包边紧密结合在一起,起到一定的保护作用。车门外板的结构特点主要表现为以下四点,第一,车门外板的整体零件尺寸较大。第二,车门外板覆盖件本身并不具有对称性,不同区域的曲面存在较大的曲率变化。一般设计时会在车门两侧设置棱线并向下凹陷,因此在板件生产拉延成形环节很容易出现开裂,需要在生产加工的过程中多加注意。第三、在车门把手的安装区域设定有球状凹陷,对板料拉延成形造成了一定的困难,容易出现因板料拉伸程度过大而导致的开裂问题,因此,需要对板件的拉延系数进行调节。最后车门板件作为外覆盖件需要做好包边区域的精度控制。在进行车门外板工艺设计之前需要设计人员充分结合汽车轻量化生产需求对零件外形进行设计,以此来有效提高车门板件的美观性。同时,设计人员还需要结合过往经验来对车门板料片的成形和变化进行预测,并给予相应的调整和优化,在实现汽车轻量化设计的同时,还可以有效提高车门外板冲压工艺性。
3 基于数值模拟的车门外板拉延工艺设计
车门外板的拉延工艺对于汽车整体工艺设计而言有着非常重要的影响,可以说是后续工艺设计的基础。对车门外板覆盖件最终成形质量造成影响的主要因素就是拉延工艺的工序问题,成品冲压件的产品缺陷和隐患也大多来自于拉延工序。比如车门外板起皱就是由于拉延环节设置的参数过小,板料流入速度过快从而导致的冲压件表面有褶皱。这就要求相关设计人员不断加强对拉延工序的工艺设计的研究并在实践中不断优化工艺参数,为后续外覆盖件的生产工序打好基础。由于汽车外观件大部分以曲面的形式进行设计,因此形状存在一定的复杂性,再加上结构尺寸大相对厚度小,因此在拉延生产过程中存在很大的困难。在进行车门外板拉延工艺时,往往会出现局部成型区域,但在拉延成形环节板料只能与模具的局部进行接触一直到成形结束,这个过程存在着复杂的力学变化,因此板料的各处变形也存在一定的复杂性,如果不能对应力进行科学控制很容易使车门板件出现起皱开裂等问题。现代化的汽车外覆盖件生产过程中逐渐将数值模拟应用于车门外板件拉延工艺设计中,设计人员在制定冲压工艺之前会事先利用有限元软件对板件的拉延成形和冲压过程进行模拟,从而对零件在塑性成形过程中可能存在的缺陷和问题进行预测,根据模拟的最终结果对工艺工序不断进行优化设计。将数值模拟应用于车门外观件工艺设计生产中能够有效减少后续的修模工作,提升模具的开发效率,有效缩短汽车外覆盖件的开发周期,提升汽车制造企业的经济效益和社会效益。当前国内汽车生产企业在进行板料拉延成形生产分析的过程中使用率最高的分析软件是AutoForm,该软件能够科学有效地提升工艺补充面的自动设计效率,并且具有精准成型模拟的运行功能,能够对冲压方向,工艺补充和拉延筋等关键设计要素进行有效的数值模拟,因此在计算速率和算法上具有很强的应用性。
4 结束语
随着国内汽车工业的飞速发展,节能减排目标对汽车制造业的影响也逐渐提升,通过汽车轻量化设计能够有效降低车辆整体能耗。铝合金等轻质材料的应用是当前汽车制造行业实现轻量化的主要途径,这就对现有的覆盖件冲压成型工艺提出了更高的要求。由于汽车铝合金覆盖件的生产工艺较为复杂,因此需要技术人员加强车身结构轻量化研究,尽可能提升铝合金的使用效率。
参考文献
[1]常熟市强盛冲压件有限公司.一种汽车覆盖件冲压成型工艺[P].中国:CN201510928513,2016.
[2]东北大学.一种汽车车身用铝合金及其板材制造方法[P].中国:CN201010199924,2010.


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