大型汽車前圍板拉深工藝有限元模擬及模具設計

李 兵，王 敏，張 春，肖海峰

（湖北汽車工業(yè)學院 材料科學與工程學院，湖北 十堰 442002）

大型汽車前圍板拉深工藝有限元模擬及模具設計

李 兵，王 敏，張 春，肖海峰

（湖北汽車工業(yè)學院 材料科學與工程學院，湖北 十堰 442002）

針對大型汽車覆蓋件形狀復雜、成形過程變形復雜的特點，通過有限元分析和理論分析對某大型汽車前圍板拉深工藝進行研究，提出通過優(yōu)化工藝參數(shù)和修改模型型面，最終得到合理的工藝參數(shù)和模型型面，指導并完成模具設計。

拉深成形；前圍板；有限元分析；模型型面；模具設計；汽車

汽車覆蓋件大部分為復雜三維空間型面，沖壓質量要求高，沖壓過程變形復雜，影響成形質量的工藝因素眾多，這就決定了汽車覆蓋件沖壓工藝和模具設計的復雜性[1-3]。本文以某大型汽車前圍板拉深工藝為研究對象，通過對其拉深成形工藝的有限元分析和理論分析、計算，優(yōu)化工藝參數(shù)、修改模型型面，避免缺陷的產生，得到合理的工藝參數(shù)和模型型面，指導并完成模具設計[3-5]。

1 零件工藝分析

汽車前圍板材料為DC06，材料沖壓性能較好，屬超低碳超深拉深級材料。零件的長、寬、高尺寸為1440mm×490mm×150mm，材料厚度1mm，如圖1所示。該零件尺寸較大，形狀較為復雜，基本上左右對稱，型面過渡不平緩，較激烈，必須用拉深工序才能得到該零件形狀。

圖1 零件圖

如圖2所示拉深件設計，設計了模面、工藝補充面、拉深筋、壓料面等。

圖2 拉深件

2 有限元模擬

2.1 有限元分析

利用CAE分析軟件對零件成形工藝進行分析，首先建立有限元模型，即生成凸模、凹模、壓邊圈、毛坯，設置相關工藝參數(shù)，實現(xiàn)有限元模擬[3-5]。著重研究壓邊力、摩擦系數(shù)對零件成形的影響。通過工藝計算設置工藝參數(shù)，設置摩擦系數(shù)為0.1，凹模圓角半徑為10mm。如圖3所示為壓邊力500kN、800kN、1000kN的成形極限圖。如圖 4所示為壓邊力800kN、凹模圓角10mm、摩擦系數(shù)分別為0、0.2的成形極限圖。

從圖中看出，在其他參數(shù)不變的情況下，壓邊力為1000kN成形效果較好，但均存在模型型面突變過大處，出現(xiàn)開裂、起皺缺陷；隨著摩擦力的增大開裂情況越嚴重，存在工件開裂現(xiàn)象；在繼續(xù)加大凹模圓角的情況下，成形結果還是開裂。通過對工藝數(shù)模的分析，開裂處最小圓角半徑為2.4mm，，并且型面過渡不平緩，一次拉深成形容易產生破裂缺陷，需要修改模型型面，在后續(xù)工序經(jīng)過整形進一步達到尺寸和結構要求。

2.2 優(yōu)化工藝參數(shù)和型面

使用CAD軟件對開裂處型面進行修改，如圖5所示，主要是增大開裂處的圓角半徑，降低型面高度。修改之后的型面如圖6所示。

圖3 不同壓邊力下成形極限圖

圖4 不同摩擦系數(shù)下成形極限圖

圖5 型面修改處

圖6 修改后的型面

對修改型面后的模型進行CAE分析，發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象明顯改善，達到成形要求，如圖7所示。并經(jīng)過多參數(shù)組合模擬分析，在優(yōu)化工藝參數(shù)后得到合理的工藝參數(shù)：摩擦系數(shù)0.1，凹模圓角半徑10mm，壓邊力100kN。本研究結果可有效指導模具設計。

3 大型汽車前圍板模具設計

根據(jù)修改后的型面和優(yōu)化的工藝參數(shù)指導模具設計，通過工藝計算以及對前圍板結構特點的分析，設計出汽車前圍板拉深模結構。依據(jù)修改后的型面進行分模，分別設計出拉深凸模、拉深凹模、壓邊圈三大模具工作部件。

前圍板拉深板屬于單動拉深模結構，上模座和凹模為一個整體，并布置在上模，凹模整體尺寸參考壓邊圈的尺寸，長、寬方向和下模一致。高度要滿足整個模具閉合高度的要求。設置合理的壓板槽位置。在上模設計排氣裝置，上模座設計減重孔，端頭部分設計導向裝置導板，并在相應部位設計調整塊、加強筋、壓板槽、起吊結構等，如圖8所示為凹模整體結構。

下模座和凸模在下，分別制造、裝配在一起，下模部分設計減重孔，端頭部分設計導向裝置導板，凸模上設計有導板，并在相應部位設計限位螺栓、鐓實塊、快速定位、加強筋、壓板槽、起吊結構等，如圖9所示。

圖7 優(yōu)化參數(shù)后的成形極限圖

圖8 拉深模上模裝配圖

圖9 拉深模上模裝配圖

壓邊圈在下模座之上，在整個模具中部，設計有導向裝置導板，設計有定位板、調整塊、鐓實塊、頂桿接桿等。壓邊圈的壓料力由機床提供，機床通過頂桿施加于壓邊圈。壓邊圈運動時通過導板導向，導板一般裝在凸模上，在壓邊圈的有關部位設計導滑面。壓邊圈向上運動時必須有行程限制，一般設計為等高套和限位螺釘。壓邊圈上還設置了給坯料定位的定位器以及調整墊塊和鐓實墊塊，如圖10所示。將單動拉深模的三大部分裝配在一起，加上其他輔助裝置，形成模具的整體結構，如圖11所示。

圖10 拉深模壓邊圈

圖11 總裝配圖

4 結論

（1）利用有限元分析和理論分析方法對某大型汽車前圍板成形工藝進行研究，預測產生的開裂、起皺等缺陷，分析產生缺陷的原因，優(yōu)化了工藝參數(shù)和模型型面。此方法有利于提高工藝設計效率和設計準確性。

（2）利用優(yōu)化的工藝參數(shù)和模具型面，并根據(jù)設計規(guī)范，有效指導了模具設計，使模具設計準確性得到提高。本研究應用于模具設計，實踐證明模具設計效率高、準確性高、實用有效。

[1]胡 平.汽車覆蓋件模具設計 [M]． 北京：機械工業(yè)出版社，2011．

[2]林忠欽．車身覆蓋件沖壓成形仿真[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[3]劉細芬，胡義華，黃華艷.數(shù)值模擬技術在汽車覆蓋件拉延模具設計中的應用[J].熱加工工藝，2011，40（13）：178-184.

[4]馬國英，黃彬兵，蘇春建，等.汽車翼子板拉深成形模擬及工藝參數(shù)優(yōu)化[J].鍛壓技術，2015，40（3）：21-24.

[5]陳文琳，李志杰，王少陽.汽車前圍板沖壓數(shù)值模擬及工藝參數(shù)優(yōu)化[J].精密成形工程，2011，3（3）：15-19.

FEM simulationand die design of drawing technology for large automobile front panel

LI Bing,WANG Min,ZHANG Chun,XIAO Haifeng
（School of Materials Science and Engineering,Hubei University of Automotive Industry,Shiyan 442002,Hubei China）

Aiming at the complex shape and deformation of large automobile panel during drawing process, the finite element analysis and theoretical analysis have been adopted to study the drawing process of some large automobile front panel.The reasonable process parameters and model surface have been obtained by optimizing the process and modifying the model surface.The die design has been guided and completed.

Front panel;Drawing forming;Finite element analysis;Model surface;Die design

TG386

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.06.022

1672-0121（2016）06-0087-03

2016-09-12；

2016-10-29

國家自然科學基金資助項目（51205116）；湖北省教育廳科學計劃項目（Q2015183）；湖北省高等學校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團隊計劃項目（T201518）

李 兵（1981-），男，碩士，講師，從事先進塑性成形工藝、計算機數(shù)值仿真研究。E-mail：libing42158823@163.com