某发动机仓边梁盖板成形工艺分析及回弹控制

文/吕琳，赵鹏，邓明·重庆理工大学材料科学与工程学院唐云峰·重庆市华青汽车配件有限公司

某发动机仓边梁盖板成形工艺分析及回弹控制

文/吕琳，赵鹏，邓明·重庆理工大学材料科学与工程学院唐云峰·重庆市华青汽车配件有限公司

发动机仓边梁盖板为典型浅拉深高强钢冲压件，在零件成形后存在回弹量大的缺陷。本文针对发动机仓边梁盖板进行了零件特征和冲压工艺分析，并且用DYNAFORM软件模拟了制件拉延成形过程，对模拟后所出现的缺陷进行了工艺改进。找出了两个重要工艺参数—压边力和拉深槛对制件回弹的影响，通过对典型截面回弹量大小的研究，总结了制件回弹的规律并对回弹进行了有效控制，根据模拟结果选取了最优参数，设计了冲压方案，冲压出了合格的产品。

发动机仓边梁盖板结构较复杂，零件的孔位、凸缘、圆角等较多，并且拉深深度浅，冲压回弹量较大，在高强钢浅拉深汽车零部件冲压加工中具有代表性，这些特征使其零件成形质量严重下降。为了提高零件质量，本文以发动机仓边梁盖板为研究对象，利用DYNAFORM软件模拟了单动拉延冲压成形过程，并且对其成形工艺参数的影响进行分析，找出了压边力变化和拉深槛对其成形质量的影响，从而得到最优的成形工艺方案，本研究为实际冲压成形生产过程提供了一定的理论依据。

发动机仓边梁盖板零件特征和成形分析

发动机仓边梁盖板零件特征

发动机仓边梁盖板用于汽车发动机罩上方，保护汽车在发生碰撞时不损坏发动机，对发动机起到增加刚度和支撑的作用，其材质为高强钢B280VK，厚度为1.6mm，长为821.3cm,宽为239.2cm,发动机仓边梁盖板左右件（图1）为浅拉深零件，拉延时深度不超过50mm，表面面积大形状复杂但起伏很小，图1零件中A部位为半球形状浅拉深,B部位为翻边。

图1 发动机仓边梁盖板零件图

发动机仓边梁盖板零件成形工艺分析

发动机仓边梁盖板减薄率不得超过12%～16%，回弹量不得大于3.5%。考虑到零件为左右对称件，拟采用一模两件的冲压方式，即发动机仓边梁盖板左件和右件用一套复合模具冲压成形，其制件布置方式如图2所示。这样左右件对称布置，在拉延时坯料受力均匀，减少摩擦阻力，避免零件在圆角部分被拉破。

图2为添加合理工艺补充面和压料面后的零件模型。其中A部分和C部分分别为发动机仓边梁盖板左右件，由于拉深很浅，材料变形很不充分，为了使中间部分变形充分和抑制回弹，在工艺补充面中的B处三角部分添加了一个深度为30cm盒形三角形，图2中B所示，这样会增大材料的流动阻力，使零件中间部分变形充分回弹减少。D部分拉延深度最深且与凹模圆角接近，为了减少材料边缘部分流动阻力，加大了D部分圆角半径，E部分为零件压料面。其冲压工序为：拉延→修边冲孔→剖切冲孔修边→翻边整形。

图2 补充工艺面后的发动机仓边梁盖板几何模型

发动机仓边梁盖板冲压成形模拟

零件模型及其参数的选择

图3为基于DYNAFORM软件平台建立的汽车发动机仓边梁盖板FEM模型，该零件所需坯料尺寸及相关工艺参数均来源于相关生产企业的实际数据，成形模拟时选择自动设置，拉延类型为单动拉延，无拉深槛，压边力初选为200t。

图3 基于DYNAFORM建立的FEM成形模拟模型

成形缺陷分析和改善措施

经过计算机的数值模拟，其成形模拟结果如图4，红色代表拉破区域，绿色代表正常，紫色为起皱。从中可以明显的看出有破裂情况发生。导致板料拉破的因素主要有两个：一是模具间隙过小材料流动阻力大；二是压边力过大，在拉延时拉延力超过材料抗拉强度导致材料破裂，外边缘起皱主要原因是未添加拉深槛，材料变形不均匀。

对以上参数模拟所出现的缺陷，进行合理分析后通过调整压边力及其他参数，把压边力调至为250t，模具间隙增大到1.76mm，坯料尺寸进一步缩小为850×750（mm×mm），其他参数不变，再进行一次模拟。

图5为改善后的成形极限图，在进行汽车发动机仓边梁盖板拉深成形中，整个拉深变形较为均匀，没有出现破裂现象。在零件中间部位由于压边力过小出现了成形不充分现象，有些部位在此零件拉延成形后还将进行切边工序，因此对整个成形质量而言不存在较大影响。

图4 模拟结果图

图5 修改后的模拟结果图

发动机仓边梁盖板冲压回弹模拟

在DYNAFORM中导入前步骤成形模型Dynain文件，选择设置类型为Springback，采用单步隐式算法。在对零件进行回弹量大小分析时，根据该零件成形的特点，截取了可能产生明显回弹的部位EF截面（图6），主要分析产生回弹前后零件两侧的距离变化和截面两个角度的变化，选取截面上A、B回弹角和两侧距离(图7)。

图6 选取回弹截面

图7 回弹截面线

对于高强钢浅拉深成形零件，塑性变形不充分，回弹无法避免。压边力和拉深槛的大小对零件冲压成形后的回弹有较大影响。因此，本实验首先在无拉深槛的情况下，采用了五种不同压边力工艺方案，然后在有拉深槛的情况下，采用五种不同压边力工艺方案，压边力最小2.0×106kN，最大为2.8×106kN。在DYNAFORM中选择虚拟拉深槛设置，这样模拟结果误差较小，其设置拉深槛部位均为起皱严重和应力集中区域，其他部位成形较好。在实验中其他工艺参数不变，分别测出各方案回弹前后差值，即为A、B角度和距离回弹量值，结果如图8、9所示。

根据图8可知，没有布置拉深槛时，随着压边力的增大，回弹前后差值越来越小，其截面回弹前后角度和位移越来越小，差值为正，则侧壁基本是以向外侧回弹为主，在没有拉深槛的情况下2.8×106kN最为合理。设置相同拉深槛后，随着压边力的增大其回弹前后差值越来越小，但压边力为2.8×106kN，材料达到抗拉极限，零件底部有大面积破裂，其回弹值不具有参考性，在设置合理拉深槛的情况下，压边力为2.6×106kN时回弹值最小，零件质量最优。

图8 回弹角随压边力变化图

图9 回弹距离随压边力变化图

工艺试验

采用模拟优化后的工艺方案，压力机压边力设置为2.6×106kN，分布合理拉深槛，经过第一道拉延工序后的零件实物如图10所示，采用超声测厚仪测量整个零件厚度，最小厚度为1.434mm，成形充分且不存在拉破的现象，回弹也较小，制件边缘有稍微的起皱但不影响零件，起皱区域为非零件区，切边工序时要去除。经过切边、剖切、整形、翻边后的零件实物如图11所示，拉深深度较浅，变形充分，厚度和回弹控制在合理范围内，产品合格。

图10 拉延成形后的制件

图11 切边后的零件

结论

⑴采用DYNAFORM软件对高强钢浅拉深零件进行冲压工艺研究，可减少修模次数，缩短生产周期，节约生产成本，提高零件精度。

⑵零件在不同工艺条件下进行冲压时，不同部位产生的回弹大小和回弹趋势不同，拉深深度较深，变形较剧烈的部位，在冲压后发生回弹变形较小；拉深深度较浅，变形平缓的部位，发生的回弹变形较大。

⑶对于发动机仓边梁盖板，设置合理拉深槛和较大压边力可以增大材料流动阻力，使其材料变形充分，能有效控制拉延后的回弹，提高零件成形质量。