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液压成形分析及结果评判
2020.01.07
液压成形过程复杂且影响液压成形性的因素较多,国内众多专家在液压成形CAE及缺陷预测方面进行了深入的研究。韩聪、张伟玮、谢文才等通过施加不同的轴向压力及补料量,研究了液压成形扭力梁的起皱行为。郎利辉、田鹏、程鹏志等分析了预成形模具形状和充液成形时加载路径对扭力梁充液成形质量的影响,结果表明:当预成形模具导向角度过小时,管坯被挤压内凹变形时,圆角部位容易起皱;导向角度过大时,管坯材料流向凹模困难,减薄严重;充液成形时补料初始液室压力过大,材料堆积在零件端部起皱严重。

液压成形件常见缺陷

液压成形件大都形状复杂,材料强度高,在液压成形过程中变形复杂,其最常见的成形缺陷有以下5类:⑴开裂。金属材料局部减薄超过其本身的延伸极限时,制件出现裂缝或暗裂。⑵起皱。液压成形后制件仍存在无法解决的皱纹,起皱产生的主要原因是管材周长大于产品截面周长,但预成形截面形状或内高压成形模具分模设计不合理也会导致起皱的产生。⑶回弹。液压成形件形状复杂,成形后各个位置的残留应力不均,应力释放后造成零件变形,影响零件的尺寸精度。⑷飞边。预成形或液压成形时,由于分模不合理,造成模具闭合前材料被挤入分模面而形成飞边,飞边不仅会使零件成为废品,而且会造成模具损伤,是一种非常严重的缺陷。⑸不贴模。液压成形后零件表面与模具内腔不贴合,这是由于液压成形时压力不足导致的,主要发生在产品的小圆角区域。

液压成形CAE分析设置

一般零件液压成形工艺规划为:制管→弯曲成形→预成形→液压成形+液压打孔→激光切割端头+割孔→扩口等工艺,Autoform可以完成从弯管至扩口等所有工序的分析。

管材设置

液压成形一般采用焊管,管材是由平板通过辊压成形,在接头部位采用高频焊接方式,由于焊接部位性能与其他区域不同,实际操作时应将焊缝部位分布在零件变形较小区域,焊管的厚度一般为1.5~4.0mm。Autoform提供了丰富的初始管材选择方法,可以选择初始为不带应力的直管,或者具备初始应力的弯管,在此过程中需要注意的是Autoform分析的是管件中性层直径。此外,Autoform还提供了圆管、方管及变径管等不同管材类型,用户可以根据自身需要进行选择。

工具体设置

在定义工具体时需要确定工具体的类型,不同工具需对应不同的工具体类型,图1、图2、图3所示分别为弯管、预成形及液压成形工具体的设置,其中弯管成形工具由Autoform软件根据弯曲中心线自动生成,预成形及液压成形工具体可以由软件生成或者从外部导入。

工艺参数设置

弯管成形工艺参数主要是弯曲角速度、芯棒及芯球数量、摩擦系数、工具体间隙等,这些参数需要与现场设计值保持一致,才能得到匹配的分析结果。预成形分析与冲压分析方法一致,需要注意的是在做扭力梁预成形分析时,在V形部位存在上下两层板料接触的问题,此时需要设置好板料接触的参数。液压成形主要是内压力、合模力、水平缸运动参数,在实际液压成形过程中,液体压力以及水平缸运动随时间而变化,而非恒定值。

CAE分析结果及评判

本文只说明Autoform软件做液压成形分析时使用的评判方法,具体评判准则基本与冲压分析评判方法一致,因此本文只针对与冲压不一致的结果进行说明,主要是贴模性、弯管过程及预成形过程缺陷的评价。

贴模性评判

对于贴模性的评判,首先用到的是接触距离评判标准(Contact Distance Above),这是一个最直观的模拟结果评判方法,根据产品公差要求可以知道液压成形后零件与上下模之间的距离,如图4所示,扭力梁在过渡区域存在的最大距离为2mm,这主要是由于产品局部圆角过小,在内压力只有200MPa时无法完全胀形到位,需要更大的内压力才能胀形到位。

弯管分析结果评判

对于底盘零部件来说,很多都采用冲弯的方式,这种方式在弯曲过程中会出现管材压瘪,如图5所示,从图6中可以看出,这是由于管材在冲弯时只是中间部位产生了变形,而两头弯曲部位并未产生变形,因此需要通过优化工艺方案,解决压弯过程中出现的压瘪情况。

截面畸变分析

在弯管分析时,除了常见的由于圆角半径过小导致的产品内侧起皱及外侧开裂之外,还存在管材的截面变形,特别是在方管弯曲时更容易出现此类问题,如图7所示,该弯管的弯曲半径为120mm,顶面凹陷严重,通过调整模具间隙等措施可以解决此问题。

咬边缺陷分析

预成形时容易出现咬边的情况,Autoform分析咬边可以采用最大接触应力(Max Contact Pressure)来判断,最大接触应力值较周边区域明显偏大,则存在发生咬边的风险,某扭力梁CAE结果与实际情况的比较,如图8、图9所示。

进料状态分析

对于预成形来说,最重要的是预成形后零件能否达到预定的形状,以便液压成形能够顺利完成,最终生产出合格的零部件,如图10所示。在扭力梁的预成形过程中,导向角的角度会导致预成形的效果出现偏差,因此需要合适的导向角以满足扭力梁的进料状态,如图11所示。
在预成形过程中可能存在起皱或者波纹的状态,有时这种起皱或者波纹是有益的,可以延缓液压成形零件的开裂,因此在预成形过程中出现的一些问题,需要通过最终的液压成形结果来判断是否需要消除。

回弹结果评价

预成形及液压成形后的回弹结果需要重点考虑,特别是高强钢零件预成形后的回弹可能会导致液压成形合模时出现咬边等现象,因此在弯管及预成形后必须增加回弹分析,判断零件是否存在问题。弯管后及液压成形后的零件回弹状况如图12、图13所示。
对于液压成形管材来说,大部分都是采用高频焊管或者激光焊管,由于拼焊线位置的材料性能与零件本体不一致,因此需要对拼焊线的位置进行分析,以避免拼焊线布置在冲孔或者小圆角等变形区域,如图14所示。同时,如果有拼焊线位置材料参数,也可以输入软件进行详细分析,判断管件是否存在开裂等情况。

Autoform软件液压成形分析的局限性

随着电动车轻量化的需求,在全铝车身上使用液压成形技术可以提高车身的抗碰撞等性能,奥迪A8前壁板横梁采用的就是液压成形,如图15所示。由于Autoform的功能主要集中在冲压方面,而非专门的液压成形分析软件,因此其无法完成“日”字形等型材液压成形分析。同时针对铝型材的不等壁厚,Autoform软件也无法进行有效分析,需要等效成相同壁厚才行,因此对分析结果具有一定损失。

结论

⑴利用Autoform软件的速度及操作便利性,可以快速的完成从弯管、预成形、液压成形、激光切割等各种分析工作。
⑵通过Autoform分析结果,除了可以进行开裂、起皱、回弹等结果评判之外,还可以进行管材折弯、截面畸变、咬边缺陷、进料状态评估及拼焊线位置评估。
⑶对于“日”字铝型材及不等壁厚铝型材,由于软件的局限性,Autoform无法完成相应的分析工作,需要采用其他软件开展此类零件的分析工作。

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