宋林森，段傳棟，杜紫微，張德華

（長(zhǎng)春理工大學(xué)，長(zhǎng)春 130022）

0 引言

轎車車門玻璃導(dǎo)軌屬于薄板沖壓件，是車窗升降系統(tǒng)的重要組成部分，用焊接或螺栓固定于車門上，與窗框共同組成玻璃導(dǎo)向與保護(hù)機(jī)構(gòu)，對(duì)車門玻璃的平穩(wěn)升降起到導(dǎo)向和限位重要作用[1]。但由于其形狀比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸變化大，表面質(zhì)量要求較高等原因，給實(shí)際加工帶來很多困難。

目前，隨著有限元和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是AutoForm等沖壓模擬軟件的開發(fā)與應(yīng)用，沖壓成形過程的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于大型汽車企業(yè)及其供應(yīng)商的產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期中，用以加速和改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，分析給定模具與工藝條件的板料沖壓變形過程，從而判斷模具和工藝方案的合理性[2,3]。由于每一次的仿真分析相當(dāng)于一次試模過程，因此成熟的仿真技術(shù)不僅可以減少試模次數(shù)， 還可以在一定條件下使模具和工藝設(shè)計(jì)一次合格，避免修模，從而大大縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[4]。

1 制件型面的特點(diǎn)分析

車門導(dǎo)軌的三維CAD模型圖如圖1所示。

從圖中可能看出，制件具有以下三個(gè)特點(diǎn)：

1）整體型面具有一定的弧度，長(zhǎng)度約有330mm左右，而截面最窄處只有13.6mm；

圖1 車門玻璃導(dǎo)軌CAD圖

2）截面為“U”型槽，兩側(cè)設(shè)計(jì)為折彎結(jié)構(gòu)，目的是卡住玻璃導(dǎo)槽，防止其脫落[1]；

3）制件兩側(cè)各有一條向內(nèi)凹的筋，用以提高制件的強(qiáng)度，防止由于導(dǎo)軌強(qiáng)度不足引起變形，從而導(dǎo)致車門玻璃脫落[1]。

因此轎車車門玻璃導(dǎo)軌的沖壓難度主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1）由于制件截面太窄，使得凸模的強(qiáng)度差；

2）由于制件整體型面是一個(gè)弧形，并且截面的寬度為13.6mm，所以凸模強(qiáng)度較差；

3）由于制件結(jié)構(gòu)存在內(nèi)凹筋，沖壓過程中會(huì)使制件包裹在凸模上，因此向下退料會(huì)被內(nèi)凹筋卡住，如果抽料會(huì)被制件凸起擋住，因此不能直接采用斜楔的方式進(jìn)行沖壓。

2 工藝方案確定與沖壓工藝分析

2.1 沖壓工藝方案

根據(jù)使用條件，制件的型面的輪廓度要求比較高，壓彎的回彈角度控在±0.5°的范圍內(nèi)，底平面的平面度要求是±0.5，同時(shí)制件的表面要求無起皺和拉裂等缺陷，不能看到壓痕。經(jīng)過分析，對(duì)制件成型工藝采取工藝方案如下：

1）OP10成形。由于制件兩側(cè)凹筋高度僅為1mm，為保證兩側(cè)凹筋的穩(wěn)定成形，方案中首先將兩側(cè)凹筋壓出，同時(shí)將中間一側(cè)向上凸起的圓弧一起壓出。這樣就可保證在后續(xù)OP30中圓弧壓平時(shí)兩側(cè)邊能自然翻起；

2）OP20修邊沖孔。通過試驗(yàn)試出修邊線，同時(shí)在長(zhǎng)方形孔和長(zhǎng)圓形孔內(nèi)分別沖直徑為5mm的工藝孔，用作后序的定位孔；

3）OP30 壓平。將中間的圓弧壓平，兩側(cè)邊自然翻起；

4）OP40 整形。由于上序兩側(cè)邊翻起沒有到位，因此重新整形，保證所有的形狀到位；

5）OP50沖孔。用外形定位，將方孔和長(zhǎng)圓孔沖到位。

工序DL圖如圖2所示。

圖2 工序DL圖

2.2 沖壓工藝分析

AutoForm 軟件是由 AutoForm 工程股份有限公司專門針對(duì)汽車工業(yè)和金屬成形工業(yè)中的板料成形而開發(fā)的，用于優(yōu)化工藝方案和進(jìn)行復(fù)雜型面的模具設(shè)計(jì)[5]。本文針對(duì)轎車車門玻璃導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用AutoForm軟件對(duì)轎車車門玻璃導(dǎo)軌的沖壓工藝分析。

根據(jù)產(chǎn)品要求、沖壓理論和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，分析參數(shù)設(shè)置為：材料：H220YD+Z50/50，厚度：1.0mm，坯料尺寸為340mm×65mm；成形類型：沖壓成形，成形力250t，摩擦因數(shù)f設(shè)置為0.15。如圖3所示為分析結(jié)果的成形極限圖( FLD)。FLD 可以綜合反映板料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)生的塑性失穩(wěn)斷裂破壞情況，根據(jù)仿真結(jié)果顯示的FLD圖，可以迅速找出破壞的區(qū)域，采取相應(yīng)措施改變局部受力狀態(tài)，提高成形性能[6]。

圖3 成型極限圖

從圖3可以看出絕大部分的點(diǎn)都集中在曲線的下方，說明了制件整體在沖壓過程中處于安全變形區(qū)，沒有破裂發(fā)生。而少量點(diǎn)位于曲線上方說明模具某處存在破裂可能，分析后確定為凸緣凸角處，原因是圓角半徑不合理導(dǎo)致應(yīng)變較大。通過修改模具結(jié)構(gòu)，此問題得到解決。

圖4、圖5是板料薄厚變化顯示云圖和板料變薄率顯示云圖。從圖中可以看出，制件表面的大部分地方分布很均勻，只是在局部的地方料厚和減薄率不均勻，最薄處為0.912 mm，屬合理范圍。由此可以說明制件工藝方案可行，在此條件下可以進(jìn)行模具設(shè)計(jì)和模具制造。

圖4 板料薄厚變化顯示云圖

圖5 板料變薄率顯示變化云圖

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)沖壓工藝仿真分析結(jié)果，，利用CATIA軟件完成了模具的三維設(shè)計(jì)，模具結(jié)構(gòu)如圖6所示?？紤]到模具的總體尺寸，在保證了模具的使用性能前提下，為節(jié)約材料，降低成本，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了鋼板模具結(jié)構(gòu)，即上下底板采用45號(hào)鋼，凸凹模采用耐摩性、強(qiáng)度、韌性都較好的Cr12M o V。由于機(jī)床的氣墊的動(dòng)力受外界影響很大，為了保證整形模的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)中頂出器采用了壓力非常穩(wěn)定的氮?dú)鈴椈?，采用托桿作為頂出器的動(dòng)力。該模具生產(chǎn)得到的產(chǎn)品樣件如圖7所示。經(jīng)檢測(cè)，該樣件與模擬結(jié)果比較吻合度達(dá)到94%。

圖6 模具結(jié)構(gòu)圖

圖7 產(chǎn)品樣件圖

4 結(jié)論

1）詳細(xì)分析轎車車門玻璃導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能要求，制定了成型工藝方案，利用Au to fo rm軟件對(duì)制件的成型質(zhì)量進(jìn)行了仿真分析，為制件沖壓工藝方案設(shè)計(jì)的可行性與合理性提供了理論依據(jù)；

2）利用CATIA軟件完成了模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了樣件生產(chǎn)。檢測(cè)結(jié)果表明：實(shí)際生產(chǎn)情況與模擬結(jié)果與吻合得很好。說明使用Auto form軟件對(duì)制件沖壓參數(shù)和制件的質(zhì)量進(jìn)行分析可為模具設(shè)計(jì)、制造提供可靠的數(shù)據(jù)和判斷依據(jù)，可有效的指導(dǎo)模具調(diào)試，減少實(shí)際試模次數(shù)，對(duì)于縮短制模周期，提高沖壓件成形質(zhì)量具有重要的意義。

[1] 陳泉,鄭華春,張建森.汽車玻璃導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)對(duì)車窗升降的影響分析[J].上海:汽車與配件2001.10:36-37.

[2] 夏巨諶.中國模具設(shè)計(jì)大典 [M].南昌:江西科學(xué)技術(shù)出版社,2003.

[3] 陳文亮.板料成形CAE分析教程 [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[4] 林忠欽.車身覆蓋件沖壓成形仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[5] 趙迎祥,李飛舟.基于Autoform 的轎車引擎蓋板沖壓成形仿真的研究[J].沈陽:機(jī)械設(shè)計(jì)與制造2010.11:94-95.

[6] 張永波,王秀鳳,王積元.板料成形CAE設(shè)計(jì)及應(yīng)用:基于AUTOFORM[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,2010.