利用CAE技術對汽車覆蓋件沖壓生產的研究

劉中華，胡毅光，王英姿

（湘潭醫衛職業技術學院，湖南 湘潭 411104）

1 汽車覆蓋件及CAE和有限元設計理論

（1）汽車覆蓋件。汽車覆蓋件是指覆蓋汽車發動機、底盤、構成駕駛室、車身等金屬薄板制成的空間形狀的表面或內部零件。按功能和部位可分為外部覆蓋件、內部覆蓋件和骨架覆蓋件三類。汽車覆蓋件在工藝設計、模具加工、設備選擇及質量控制（尺寸公差、形狀精度、零件剛度、表面質量）等方面都具有與一般沖壓零件不同的特點。

（2）CAE和有限元。汽車覆蓋件的設計制造需應用此分析計算工具與方法。CAE（ComputerAidedEngineering）是用計算機輔助求解復雜工程和產品結構強度、剛度、屈曲穩定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結構性能的優化設計等問題的一種近似數值分析方法。有限元方法的基本思想是將結構離散化，用有限個容易分析的單元來表示復雜的對象，單元之間通過有限個節點相互連接，然后根據變形協調條件綜合求解。由于單元的數目是有限的，節點的數目也是有限的，所以稱為有限元法。

2 汽車覆蓋件沖壓成形工藝特點

汽車覆蓋件沖壓成形的基本工序有：落料、預彎、拉延、修邊、沖孔、翻邊、整形等。典型結構的汽車覆蓋件一般需要4~6道工序，并可根據需要將一些工序合并，如落料拉延、修邊沖孔、翻邊整形等。與一般沖壓件比較，覆蓋件具有材料薄、形狀復雜、多為空間曲面、結構尺寸大和表面質量高等特點，因此覆蓋件的沖壓工藝、模具設計和模具制造工藝也有其獨特的特點：①覆蓋件在拉延時毛坯的變形甚為復雜，各處的應力很不均勻，故不能按一般拉延件那樣用拉延系數來簡單判斷和計算它的拉延次數和拉延可能性。②覆蓋件在拉延時要求進料阻力均勻，因此拉延模應在材料容易流動的地方多加拉延筋，而在材料不易流動的地方不加或減少拉延筋甚至增加潤滑。③有些深度淺的覆蓋件拉延時材料得不到充分的變形，容易起皺，且剛性不夠。這時需采用拉延檻來加大壓邊圈下材料的流動阻力，使拉延時材料得到充分的塑性變形，保證覆蓋件修邊后彈性變形小，剛性也好，以消除“鼓膜狀”的缺陷。④大部分覆蓋件需要的拉延力和壓料力都較大，因此在大量生產中，這類覆蓋件的拉延工序都采用雙動壓力機。⑤覆蓋件的復雜空間曲面單靠覆蓋件圖是無法完全表示出來的，還必須依賴模型。主模型是制造覆蓋件模具的標準，同時又是覆蓋件檢驗的標準樣品。⑥大部分覆蓋件模具的工作部分是復雜的空間曲面，而且對尺寸精度和表面粗糙度的要求高，要用特制的工藝補充部分，主模型和樣架在仿形銑床上加工，然后修研，其制造工藝復雜且制造周期長，同時大部分覆蓋件的模具輪廓尺寸大，需要有大型的加工設備。⑦覆蓋件各工序的模具依賴性大，模具的調整工作量也大，特別是拉延模的調整，是最復雜，最困難的。只有通過拉延模的調整，拉延出合格的拉延件之后，才能投入其他工序的模具設計和制造。覆蓋件拉延毛坯的外形尺寸和拉延件的修邊尺寸都需要通過試驗確定。⑧為保證覆蓋件在拉延時能經受最大限度的變形而不至于產生破裂，對原材料的機械性能、金相組織、化學成分、表面質量和厚度精度都提出很高很嚴的要求。

3 汽車覆蓋件沖壓成形過程的模擬及分析

以DYNAFORM軟件為例，探討成形過程的模擬及分析。DYNAFORM是由美國工程技術聯合公司開發的一個的板料成形模擬軟件。它主要應用于板料成形工業中模具的設計和開發，可以幫助模具設計人員顯著減少模具開發設計時間和試模周期。DYNAFORM不但具有良好的易用性，而且包括了大量的智能化工具，可方便地求解各類板料成形問題。同時，DYNAFORM也最大限度地發揮了傳統CAE技術的作用，減少了產品開發的成本和周期。

（1）前處理。①覆蓋件數值模擬分析的幾何建模。分析模型的幾何建模需要完成沖壓件以及沖壓工藝補充（工藝補充面、拉延筋等）的幾何建模。通常數值模擬軟件不具備復雜建模的功能，也就很難得到其精確的有限元離散模型用于沖壓成形數值模擬分析。因此為了得到精確的沖壓件及其工藝補充的幾何模型，必須借助專業的CAD軟件對其進行幾何建模。②覆蓋件沖壓成形數值模擬分析的有限元建模。分析模型的有限元建模過程包括：完成對幾何模型的有限元離散化，生成對應的沖壓模具及板料有限元模型；定義沖壓模具的分析參數；定義板料的材料模型參數及分析單元的屬性參數，定義板料的邊界約束條件等。

（2）求解。前處理完成后，提交給求解器。不同類別的成形過程采用不同的求解算法。對于準靜態成形過程，應盡可能選用靜力算法求解，以避免采用動力算法時人為的引入慣性效應，同時靜力算法求得的應力場也更為準確，有利于回彈預測的準確性。對于高速成型過程，采用動力算法求解，以便考慮慣性效應的影響；另外，對于靜力算法不易收斂的準靜態問題（如復雜覆蓋件沖壓成形），也可利用動力算法對強非線性問題的強大處理能力進行求解，但要仔細考慮慣性效應帶來的誤差。

（3）后處理。后處理通常是通過讀入分析結果數據文件激活的。分析軟件的后處理模型能提供零件變形形狀、模型表面或任意剖面上的應力應變分布云圖、變形過程的動畫顯示、選定位置的物理量與時間的函數關系曲線、沿任意曲線路徑的物理量分布曲線等，使用戶能方便的理解模擬結果。除此以外，成型軟件的后處理模塊還提供了一些專門的手段用以測量成型質量和成型缺陷，如沖壓模擬中的成型極限圖顯示零件各部分的安全裕度，光照效果圖顯示零件的起皺等表面缺陷。

4 結語

汽車覆蓋件的形狀多樣性和成形復雜性，單純依靠傳統方式進行反復試模修模，會產生很大的浪費。采用先進的計算機仿真分析軟件（如DYNAFORM）和有限元理論，結合前人總結的經驗，在仿真中直觀地了解板料沖壓成形過程，通過后處理對存在的缺陷進行改正，減少了實際生產模具試模和修模的次數，在模具結構設計階段，指導設計修改方案，縮短了模具設計生產周期，降低設計生產成本，對汽車覆蓋件的模具生產制造意義重大。