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差厚拼焊板冲压仿真模型的构建研究

2020-02-21 16:44:30 来源: 热加工工艺
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导读: 差厚拼焊板的模面及坯料与等厚拼焊板及普通钢板的成形有明显的差异。本文依据差厚拼焊板实际成形过程,提出了通过拼焊材料的厚度对比,对坯料网格进行了相应的偏置以适应差厚拼焊板单面平齐的特点。同时提出对模具阶梯型面进行精确计算,获取型面阶梯曲线后在相应的仿真模型中构建精确的模具网格型面。焊缝偏移与回弹的试验结果表明,提出的建模方法能有效地提高仿真精度。
         在汽车车身制造工艺中,拼焊板冲压技术因其降低车身质量、提高车身装配精度、增加车身刚度、降低车身冲压和装配成本等诸多优点得到广泛的应用。目前,由拼焊板生产的零件主要有A、B、C柱、车门内板、纵梁、地板等[1]。由于厚度与材料性能的差异,拼焊板的成形性能与传统单一材质板材有着明显的差异,表现在材料性能、变形特点等方面。仿真是研究差厚拼焊板成形的重要手段,国内外学者对此进行了大量的研究。安志国等人采用渐进成形的方法仿真差厚拼焊板的成形过程,研究工艺参数对成形性的影响。B d℃nse尹为改善拼焊板成形性能,在冲压仿真过程中采用夹持工具控制焊缝的移动。郑光文等人圄用四种焊缝模型模拟拼焊板成形过程,验证焊缝模型的实用性。周杰等人和SHChang[6]等人分析了不同板厚比和焊缝位置对回弹预测的影响。

上述研究中均未考虑到差厚板实际成形时模具型面存在差厚阶梯这个特点,因此本文通过构建与实际成形模具一致的仿真模型以提高仿真计算的精度,并与试验结果进行对比验证。


1差厚拼焊板成形特点 

1.1坯料及模具特点

差厚拼焊板是指两块或两块以上厚度不同的平面板料焊接在一起。由于厚度不同,在焊接过程中薄板与厚板均有一平面在一个共同平面,从而便于焊接。由于薄板与厚板的厚度差,在厚板与薄板的另一面会产生高低差,这种高低差对于不做调整的模具在冲压成形过程会产生薄侧坯料无法贴合模具型面的问题,因此对于差厚板模具其型面也需要加工出差厚的型面,在型面上形成一个阶梯,从而实现模具与板料的完全贴合

1·2焊缝线形成的特点

冲压过程中,坯料由于塑性变形使得坯料上的焊缝线产生变形及偏移。一方面要求成形后零件的焊缝线与产品设计的焊缝线偏差控制在一个较小的范围内;另一方面由在模具合模时所形成的凸凹模间隙不等,厚侧材料不可进人小间隙区域。因此,要求模具型面上的阶梯位置与实际成形后焊缝线的位置要匹配。与此同时,需要注意:当模具阶梯位置发生变化时会影响坯料的塑性变形,从而影响实际焊缝线形成的位置与形状,二者相互影响。因此在仿真建模时需要确定坯料焊缝线的位置及模具的阶梯位置。


2仿真模型的构建

2· 1坯料及模具阶梯的构建

常见的冲压仿真建模方法中,板料使用中性层来替代中间层位置。对于差厚拼焊板,实际上两块厚度不同的板料的中间层并不在一个平面上。因此在板料模型的构建过程中要对其中一块平板偏置一定距离t,如式(1)所示。

1)经过偏移后的拼焊模型如图1所示,该模型与实际的拼焊板是相符的。在对拼焊板板料精确建模后,模具也需要做相应的调整。由于大部分冲压件需要光滑的外形,目前在差厚拼焊板实际冲压成形过程中,为保证外表面光滑,有阶梯的一面所对应的是压边圈和凸模,因此,压边圈和凸模的型面需要部分偏置,实现板料与模具的贴合。压边圈和凸模的薄侧或厚侧的型面偏置的距离为D-d。

2·2模具阶梯曲线的确定

模具阶梯曲线的确定实质上是坯料焊缝线的确定。经过冲压仿真之后获得变形后焊缝线,再依此构建模具阶梯曲线。由于成形之后的焊缝线要尽可能和产品设计的焊缝线接近,因此需要对坯料焊缝线进行优化迭代计算,同时应该注意到目前拼焊板坯料上的焊缝线均为直线或分段直线,因此成形之后的焊缝线与设计焊缝线总是存在一定的偏差。

坯料焊缝线的流程获取如图3所示。首先构建完整的冲压工艺模型,并将设计焊缝线延伸至压料面上。然后进行冲压仿真计算,并将延伸的设计焊缝线离散成点,通过网格映射法获取其在坯料上的相应位置并拟合成曲线,比较成形后焊缝线的相对偏差,并对坯料上的焊缝线进行相应的调整,反复此过程到成形后焊缝线与设计焊缝线基本吻合。此时优化获得的坯料焊缝线是曲线焊缝,还、需要应用最小二乘法转化为直线焊缝。再根据直线焊缝成形后与设计焊缝线的整体偏差及端部偏差进行相应的整体偏移及旋转调整,使得最终成形后设计焊缝线基本贯穿于仿真成形获得的焊缝线之间。将最终成形获得的焊缝线往厚侧偏移大约10mm的安全距离即可获得模具的阶梯曲线。




3计算实例

本文采用一类车门内板的拼焊板模型作为试验对象,通过比较焊缝线的移动及回弹量两个直观的数据来对本文的方法进行验证,材料厚度分别为1.4、0.7mm,设计模型和工艺模型如图4所示。

根据设计焊缝线优化获得坯料焊缝线后以传统方式及本文提出的精确建模方式构建仿真模型进行计算,并进行实际冲压,获得的零件如图5所示。

两种不同方式仿真计算后的焊缝线及实际获得的焊缝线相对产品设计焊缝线的偏差如图6所示。可以看出,精确建模的仿真结果焊缝线与真实焊缝线更贴合。

在分析回弹预测的准确性时,本文采用典型的 U型件,在车门内板模型上设计一条修边线(图7),修边线宽度为60mm,左右对称。

采用相同的回弹仿真方法后,得到如图8所示结果。经过分析,采用精确模型的建模方法,U型件厚侧的最大回弹量为0.35mm,薄侧的最大回弹量为1.077mm采用传统模型的建模方法,U型件厚侧的最大回弹量为0.285mm,薄侧的最大回弹量为0.251mm.

实际冲压件经过激光切割处理,得到如图9(a)所示U型件,对其进行逆向扫描,如图9(b)所示。

10为传统的建模仿真方法获得的回弹数据与实际冲压件比较结果。可以看出厚侧大部分偏差在-0.151~0.652mm,薄侧大部分偏差在0.151~1.154mm.

1 1为精确的建模仿真方法获得的回弹数据与实际冲压件比较结果。在中间特征对齐后,厚侧偏差在 -0.158~0.158mm,薄侧区域偏差较大,在-0.158~-0.658 mm对比两个结果可以明显看出,精确冲压工艺模型的回弹预测数据更为接近实际零件形状.

同时测量U型件两端间距来对比回弹变形的大小,如图12所示。

分别测量传统建模回弹仿真结果、精确建模回弹仿真结果以及实际零件的两端距离d,从一侧向另一侧等距离取占得到如图13曲线。可以看出精确建模仿真方法与实际测量值更加接近,说明精确建模仿真方法在回弹的预测中比传统建模仿真方法更准确.


4结论

差厚拼焊板的成形与普通钢板的成形有着明显的差异,在仿真模型构建时需要注意坯料拼焊时采取的是单面平齐的方式,对坯料进行网格划分时进行相应的偏置。同时,需考虑到差厚板成形的模具的特点,在构建仿真模型时一方面要建立带有阶梯型面的模具进行网格划分,另一方面应对模具型面的阶梯曲线进行精确的计算,以确保模具型面的阶梯曲线可以适应最终形成的零件焊缝线。试验及相关的数据分析表明,精确建模仿真计算的精度更高。


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