汽車后側門覆蓋件的CAE分析和模具設計

向浩

摘 要：采用CAE軟件對汽車后側門覆蓋件的工藝進行了分析，詳細闡述了汽車后側門覆蓋件的CAE模具設計流程，以及在設計中應注意到的影響因素。在汽車覆蓋件沖壓模具設計中采用CAE軟件技術，能得到較為準確的設計結果，從而提高汽車覆蓋件模具的設計質量和設計效率。

關鍵詞：汽車覆蓋件；CAE；模具設計；載荷

中圖分類號：TG385 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.24.065

對于汽車覆蓋件而言，可采用更薄的材料和更多的樣式，甚至可設計出具有空間曲面的外形，它比以往的上沖壓件具有更優質的特性，且內部結構設計更加復雜，工藝零件質量要求更高。傳統的上循環設計工藝對設計人員有較高的要求，設計效率較低，且傳統的計算方法很難滿足現有模具設計的要求。覆蓋件成形是復雜的力學過程，涵蓋了線性和非線性過程。在理論和實際設計中，覆蓋件成形過程一直是設計難點之一。在覆蓋件成形仿真過程中，可提前模擬各種參數數據對成形過程的影響作用，且在覆蓋件板材成形的過程中可得到所需要的載荷，效果比較直觀。因此，CAE技術非常適合用于汽車覆蓋件設計。一方面，采用該技術可檢測并修正模具設計中的錯誤，從而提高模具設計階段的準確性；另一方面，采用該技術有利于縮短設計周期，從而提高加工企業的市場競爭力。

1 汽車后側門的拉延成形

汽車側門板屬于淺拉伸件的一種，汽車覆蓋件的質量會決定其品質。覆蓋件的生產標準為光滑、平順、形狀明確、整體剛度較高，覆蓋件上沒有褶皺、凹凸和拉痕等問題。汽車側門覆蓋件成形是通過拉延成形的，即用模具將板料拉延成形，拉延是非常重要的沖壓工藝之一。在產品結構比較復雜時，可采用拉延成形技術。其他沖壓工藝不能替代拉延工藝的原因是拉延工藝能大大提高生產效率，且生產的零件強度、剛度、精度高。本文采用拉延方法制造汽車后側門覆蓋件。

考慮到汽車后側門覆蓋件成形時，凸模表面與毛坯大面積接觸會形成較淺的拉深深度，在一定平面上的拉應力較小，工藝零件材料變形不足，進而導致材料應有的剛度不足，本設計采用脹形變形的方式，并考慮到了門窗處材料正常拉延成形的效果。

2 汽車后側門模具分析

在具體應用拉延模具設計時，應保證有適當的拉深間隙，凸模和凹模的直徑應根據具體參數設置，并在合適的位置使用合適的壓邊力，脹形的增加可逐步提高拉延筋的個數。汽車覆蓋件后側門的拉延深度不足時，可使用拉延力度較大的方法促進成形。一方面，應保證覆蓋件沒有磨痕；另一方面，應提高成形質量。一定要注意工藝件的拉延方向，從而實現較好的拉延效果。在處理后側門拉延深度時，應合理設計工藝補充面的深度，且保證模具中的材料能正常流動。在材料完全進入模具后，要確保材料的無縫對接。

車門外板在拉延成形時會遇到許多問題，且這些問題會直接對拉延效果造成不利影響。在具體的拉延成形仿真中，可通過模擬該過程發現其中的問題，并找到解決辦法，從而不斷改進設計思路，減少設計中的失誤，避免因設計問題而導致的沖壓變形。此外，材料質量、成形數據的計算結果等會影響模具的質量。

3 汽車覆蓋件模具制作CAE分析流程

目前，各行業都已運用了計算機輔助技術。機械設計流程的核心是CAE技術。該技術具有很多特點，比較典型的包括：側重于計算能力的提升，采用專業的數學結構，可確保工藝零件產品設計的可操作性；在設置參數時，可不斷調整設計結構，快速找到工藝件的最佳配置方案；采用虛擬流程，仿真實現不同的結果，從而發現成形流程中的不足。本設計采用計算機軟件仿真，能直觀地分析覆蓋件沖壓成形過程，分析過程包括確定沖壓方向、設計壓料面和設置延筋等。具體分析過程分為以下4步：①在PRE三維建模軟件中建立成形前的曲面模型，然后將零件模型傳到仿真軟件中，并重新設定零件的連接方式和連接間隙，設定依據來源于沖壓設備的拉延類型。②根據設計結構具體分格，形成有效的網格模型。如果未設計完全補充面，則可采用軟件補充漏掉的部分。部分計算機仿真軟件的網格化功能無法滿足求解器的要求，因此，在網格劃分完畢后，首先應檢查網格的質量。③定義成形工具，設計參考模型，選擇恰當的模型和設計流程，并計算相應數據；利用計算機軟件仿真成形過程，提前估計模具的外形，逐步形成外部尺寸，并得到網格單元模型，從而為下一步分析做好準備。④如果存在金屬流動不暢、金屬壁面褶皺等情況，則可設置拉延筋提高零件的沖壓質量，即確定精度較高的數學模型，并根據具體的參數設定拉延過程，但采用該做法比較費時、費力。為了提高拉延效率，可建立計算效率較高的數學模型，采用相同的約束因素來延緩拉延過程，目前，這種做法是比較實用的，應用非常廣泛。本設計中，采用了同比同效拉延筋的方法，并根據得到的參數調整設計，包括如何在拉延過程中減少誤差、確定時間步長等。

4 模具CAE仿真過程

為了提高模具拉延成形的效率，對模具的重點區域進行了重點設計和重點分析。對模具外表面的要求為：不能出現褶皺、視覺效果流暢，壓料面平順、光滑和盡量簡單化。要想保證壓料面各部分進料阻力均衡、穩定，就要合理地設計工藝懸著壓料面和拉伸方向。根據上述分析和設計原則，本次設計中的模具表面為曲面，模具的曲率和零件的曲面率一致。實際應用的材料為36號材料，編號為A009。A009材料強度較高，能滿足各種厚度板料的加工需求。仿真結果分析：在設計初期確定了拉延筋結構，并用仿真軟件對仿真過程進行了初步分析，得到仿真結果后進行了仿真結果分析，得到了拉延筋的形象圖，可明顯地看到在零件邊緣有破裂。在本次設計中發現，減弱壓邊力后，零件的破裂程度降低，但會導致零件邊緣表面出現褶皺。因此，要想同時保證產品邊緣沒有明顯的破裂和褶皺，就需要不斷修改壓邊力的數值。在不斷修改的過程中發現，問題主要發生在產品邊緣地帶。雖然破裂和褶皺是因壓邊力不一致而產生的，但在調整壓邊力時候不能單純地只調整這一個因素，還需要考慮到模具內、外結構，沖壓方向等因素。因此，如果要想解決上述問題，就要修正拉延筋，將圓弧處改為二級拉延結構，并在直邊處只設置一級拉延，從而解決產品邊緣破損的問題。本次設計主要以脹形為主，因此，在具體設計過程中可創造比較流暢的成形條件。重新仿真后發現，采用上述解決辦法在材料成形后，基本上沒有出現破裂和褶皺現象，產品具有良好的外形，在產品的重點區域不存在較大的問題。

5 汽車模具的設計過程

設計完成后要進行仿真實驗；實驗結束后，會開展具體的模具設計流程，并在后續的成形過程中逐漸修改相關數據。汽車側門的模具分為3種，即凸模具、凹模具和壓邊模具。凸模具的外側形狀決定了汽車側門板的外部尺寸，進而決定了模具的成形質量；凹模具是通過凹模圓角拉延成形的；壓邊圈的作用是將物質壓入模具中，其運動方式為自上而下，在下降至最底端后始終保持最下端的狀態，凸模具隨之向下運動，下降至底端后，拉延毛坯順著凹模的一角進入模具中，然后快速拉延成需要的外形。在上述流程結束后，凸模具、壓邊圈不斷向上回動，最終順利彈出。

6 結束語

綜上所述，汽車覆蓋件拉延成形是一個復雜的過程。本文以CAE技術為主導，仿真了覆蓋件拉延成形的全部過程。汽車覆蓋件模具CAE分析改變了傳統工藝，使模具設計不斷改進，沖壓工藝逐漸被定量。從沖壓工藝上講，可經過眾多試驗得到重要的沖壓參數，進而實現了模具的自動設計，從而降低了各種資源的消耗。實踐證明，汽車覆蓋件設計中使用CAE技術，可以有效提高設計效率和質量。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕