汽车覆盖件冲压成形中CAE技术的应用

本文简述了CAE技术在汽车覆盖件冲压成形中的应用，通过对拉延工序进行冲压成形模拟分析，提前预知成形缺陷，并采取有效措施，进行工艺参数的调整与优化。实践证明，分析计算缩短了模具制造周期，减少了模具调试次数，节约了生产成本。

　　1 前言

　　汽车覆盖件具有外形尺寸较大，材料比较薄，型面起伏复杂，尺寸精度与表面质量要求较高，在拉伸成形过程中容易出现拉裂、起皱现象。模具调试过程中需要浪费大量的人力、物力和财力。近年来随着计算机技术的不断发展，CAE(计算机辅助工程)技术目前已经在各大汽车模具厂广泛用于产品模拟分析、冲压板材成形过程分析。通过提前对产品可能出现的成形缺陷进行研究，预示汽车覆盖件冲压成形的可行性。根据理论上的模拟分析结果，提高产品工艺补充设计的合理性，减少模具实际调试次数，近而达到缩短模具制造周期、降低生产调试成本，提高企业生产效能，保证新车型及时投放市场。本文利用Dynaform分析软件,以公司G项目中的顶盖产品分析为例，介绍CAE技术在汽车覆盖件冲压成形的应用。

　　2 产品介绍

　　图1所示为我公司最近开发G项目标准短轴距顶盖产品，其材料为SPCC,料厚t=0.9mm，整体来看，具有材料较薄，外形尺寸较大，端部型面极不规则，成形困难，冲压工艺补充以及后续模具设计比较复杂等特点。

图1 顶盖产品数学模型

　　3 CAE分析工作流程

　　CAE分析技术在汽车覆盖件冲压成形应用中的工作流程，见下图2所示。

图2 CAE分析工作流程图

　　4 汽车覆盖件工艺补充设计注意要点

　　(1)选定合适的冲压方向，保证凸模将工件一次拉伸到位，凸模两侧包容角尽可能保持一致，周边进料均匀，尽可能降低拉伸深度，并尽量深度均匀。

　　(2)选用合适板材，一般在满足产品强度要求的情况下，尽量选用屈服点σb和屈服强度σb /σs 较低，延伸率δ、厚向异性指数n较高的薄板材料。

　　(3)压料面应设计为平面、单曲面或曲率半径很小的双曲面，使材料各处变形均匀，在不产生褶皱的情况下，易于材料流入，同时，尽量减少工艺补充面，提高材料利用率。

　　(4)根据各个部位的成形特点有效设置拉延筋及参数，并考虑制件的定位以及取放件操作的方便性、安全性。

　　5 CAE模拟分析实例

　　5.1 三维数据的导入

　　利用UG等CAD设计软件中对数学模型进行整理，确定相关材料、料厚及其偏置方向等相关参数，避免存在重叠面、尖角、漏洞等现象，包括冲压方向、工艺补充面等，而后导入Dynaform分析软件中，为了得到均匀规则的分析网格，提高分析精度，要进一步检查片体是否存在负角，并对局部尖角部位进行型面光顺，然后设置当前层，并进行网格划分，分别建立有限元凹模、压料圈、和毛坯模型。下图3、图4为顶盖拉延模的有限元模型。

图4 等效筋设置

　　5.2 材料参数和边界条件

　　汽车顶盖材料采用日本标准SPCC，厚度0.9mm，杨氏模量E=202MPa，泊松比υ=0.32，密度ρ=7.6X106，硬化系数K=0.57MPa，硬化指数n=0.238，各向异性指数ro=1.67，r45=1.32 r90=2.32，硬化曲线σ=κ(ε0+εp )n。边界条件如下：确定摩擦系数μ=0.125，压边力为350KN。

　　5.3 模拟分析结果研究

　　(1)根据模拟结果，对FLD(成形极限图)进行研究，发现端部变形严重，有开裂趋势，而中心部位变形不够充分，容易导致制件弓性回弹，见下图5所示。

图5 FLD(成形极限图)

　　(2)通过厚度变化图分析，发现最薄处材料减薄量高达66%，已处于破裂范围。见下图6所示。

图6 模拟分析后板材厚度变化图

　　(3)通过对应力、应变以及载荷曲线图分析，可以了解板材在成形过程中的各时刻点受力参数。见下图7所示。

图7 模拟分析后应变分布图

　　5.4 修边回弹分析

　　由于顶盖产品本身具有制件形体宽度较大，在刚性不足时，很容易产生下榻或弓起回弹现象，为了更好的进行控制修边后的回弹，对制件进行了回弹分析，见下图8、图9、图10所示。

图8 回弹分析图

图9 A-A切面线图

图10 B-B切面线图

　　5.5 端部侧整形分析

　　顶盖端部在模具设计时采用非标斜楔进行侧向整形，加上凸包部位多料，很可能产生下起皱或变形不充分现象，为此要求对制件进行侧整形分析，工具定义见下图11所示。

1、压料板 2、凸模 3、毛坯 4、凹模
图11 侧整形分析工具图

　　6 实际模具调试结果

　　图12、图13是最终模具实际调试的冲压零件照片，通过实践证明，CAE技术模拟分析在冲压成形的过程中的准确性、直观性，从图中可以看出，角部开裂与模拟结果完全吻合。

图12 模具实际调试照片

图13 模具实际调试照片(角部)

　　7 模具和工艺参数的调整和优化

　　通过模拟分析可以看出，周边局部开裂以及变形不充分，表明在进行工艺补充设计时该部位不合理，经过多次模拟分析研究，最终将局部拉延筋变浅、圆角稍微放大，半径由R6、高度5mm改为R5，高度4mm，提高模具表面光洁度、减少摩擦阻力等措施，重而使问题得到解决，冲压出合格的拉延件，促进了后续模具的正常开发，保证了生产进度。见下图14所示。

图14 模具实际调试照片(角部)

　　8 结束语

　　通过近年来CAE分析技术的有效实施，提高了冲压工艺水平与模具设计质量，缩短了模具制造周期，降低了生产成本。同时也验证了Dynaform分析软件的可靠性，分析方法的正确性，为实际生产提供了有效依据。在今后的工作中，为了更有效的用于指导模具调试，还需要大家不断地探索与总结，使相关参数的设置与模具实际调试的影响因素紧密结合起来，建立核心数据库，最终才能达到一次试模成功的目的。