淺析汽車覆蓋件沖壓模具的結構優化

趙乃豐

【摘 要】隨著國家經濟的發展，汽車行業在近些年也取得了長足的發展。上汽通用五菱汽車股份有限公司是一家中外合資的股份制整車企業，主要從事汽車設計、制造、零部件研發等相關業務。隨著汽車行業的整體發展，上汽通用五菱汽車股份有限公司也取得了一定的發展成果，并且在面對新時期、新目標時，對自身又做出新的技術要求，在汽車覆蓋件模具開發方面對沖壓模具結構進行了優化，從而提升了汽車覆蓋件面對新材料、新工藝的應對能力。

【關鍵詞】汽車覆蓋件；沖壓模具；結構優化

【中圖分類號】U468.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）05-0082-03

汽車覆蓋件是汽車白車身的重要組成部分，是汽車的主要結構部件，所以在工藝上承載了汽車的設計工藝和汽車制造工藝，是綜合體現汽車設計的重要部件。新時期，鋼鐵價格逐漸上漲，眾多材料供應商為了降低成本，對新材料、新工藝進行研發，這對汽車覆蓋件沖壓技術提出了新的要求。為了應對材料與技術上的變革，需要對汽車覆蓋件模具結構進行優化。目前，最有效的優化方式是通過現代技術對模具進行模擬建造，從而對汽車覆蓋件沖壓模具進行數據分析，以達到對沖壓模具結構的優化和降低成本的目的。

1 公司介紹

上汽通用五菱汽車股份有限公司于2002年11月18日正式掛牌成立，是由上海汽車集團股份有限公司、通用汽車（中國）投資有限公司、柳州五菱汽車有限公司共同組建的中外合資的汽車公司。隨著公司規模不斷擴大，產量不斷增長，為了完善產業布局，在柳州以外也成立了分公司。上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司于2005年5月16日在山東省青島市黃島區工商行政管理局登記成立，公司主要從事汽車整車生產制造等相關業務。青島分公司秉承了總公司的企業文化，致力于成為微小型汽車領域國內領先、國際上有競爭力的汽車公司，堅持企業核心價值觀，不斷開發技術，完善生產條件，為客戶提供高質量的服務。

2 汽車覆蓋件沖壓模具

上汽通用五菱汽車股份有限公司作為一家致力于提升汽車品質，擁有完善的汽車零部件生產、加工、組裝的汽車公司，在汽車覆蓋件沖壓模具開發方面也進行了深入研究。汽車覆蓋件是指構成汽車車身或駕駛室、覆蓋發動機和底盤的薄金屬料制成的異型體表面和內部零件。它既是外觀裝飾性零件，同時也是受力剝離狀的受力零件。汽車覆蓋件沖壓模具是將覆蓋件原材料進行批量加工的專用模具，沖壓模具的質量直接影響汽車覆蓋件的質量，沒有先進的沖壓技術，先進的設計理念就無法實現，因此在生產汽車覆蓋件時，沖壓模具開發技術是整個覆蓋件的關鍵技術[1]。

3 汽車覆蓋件沖壓模具結構優化

3.1 板料成型模擬研究現狀

汽車覆蓋件沖壓過程其實就是一個將板料制作成型的過程，從力學角度而言，是將板料進行幾何非線性、材料非線性、邊界條件非線性變化的復雜力學過程。板料成型的數值模擬涉及力學、材料、數值方法、計算機科學、制造技術等學科，影響數值仿真技術的參數極其復雜，目前主要的研究方向是摩擦與接觸、回彈分析和控制、材料屈服模型、坯料形狀設計優化這四個方面[2]。摩擦與接觸通常使用庫侖摩擦定律確定沖壓成型中的摩擦力，沖壓成型過程中的摩擦力，受板材與模型表面相對運動、相對速度方向的影響。根據這一特點，林忠欽提出了修正的庫侖摩擦定律，以潤滑油黏度和表面粗糙度為參數，建立了一個新的摩擦模型。接觸算法包括接觸力算法和接觸搜索方法。接觸力算法包括罰函數法、拉格朗日乘子法和防御節點法，接觸搜索方法主要包括主從面法、分級分域法和一體化算法[3]。回彈分析和控制影響覆蓋件最終的成品形狀，回彈量超過容差值就會造成造型缺陷，進而影響汽車組裝和影響產品的質量。回彈預測方法主要有解析法、實驗法和有限元數值模擬法。利用有限元模擬回彈具有速度快、成本低、不受試驗條件限制的優點。回彈預測后，還需要根據回彈量對模具進行重新設計，完成回彈補償工作，通常使用改變模具的幾何形狀進行補償。材料屈服模型是對材料進行材料屈服準則分析，不同的材料屈服指數會在一定程度上影響分析精度。近年來，汽車工業中不斷應用新金屬材料，高強度鋼、鋁合金板、鎂合金板已經應用到汽車鈑金制造中，對新的汽車制造材料進行合理的材料屈服模型建立是目前新時期材料屈服模型的研究方向。坯料形狀設計優化是工藝設計的重要環節，通過對坯料進行合理形狀規劃能夠節省原材料、降低制造成本，還可以防止拉深件的破裂和起皺，能夠有效地提高成型性能。但是，對坯料進行形狀計算是非常困難的，通常使用的算法有滑移線法、幾何映射法、勢場方針法、比擬法等[4]。

3.2 沖壓模具結構分析及優化研究現狀

傳統的沖壓模具結構設計要根據各企業的沖壓設備、設計規范和準則，結合模具設計的經驗，并沒有特別關注模具的受力和變形情況。目前，國內的低碳鋼沖壓模具受力情況惡劣，模具設計比較保守，設計方向過于注重安全系數，而沒有對模具結構進行研究，對模具本身進行結構優化設計[5]。在實際沖壓工作中，模具的使用情況比較惡劣，在使用過程中非常容易導致模具產生微小的變形，模具磨損等情況，從而影響沖壓效果，進而影響整體車輛組裝效果。汽車沖壓模具組件尤其是汽車覆蓋件沖壓模具通常體積較大且結構復雜，目前針對模具的結構分析還存在一定的難度，主要有以下幾個關鍵問題：{1}在建模方面，沖壓模具尺寸大、結構復雜，在進行有限元模型的精度和求解規模的平衡上存在一定的困難；{2}在沖壓成型過程中，變形板料和模具的接觸情況比較復雜，沖壓模具實際受的負載信息難以獲得；{3}在模具型面確認方面，由于沖壓模具造價較高，實驗耗時長、耗資巨大，目前為止沒有可行的測量方法；{4}在實際生產過程中，模具的使用情況和受力情況較復雜，會對生產造成影響。因此，在進行覆蓋件沖壓模具結構分析時，需要對模具的受力情況、變形情況和新材料、新技術重點關注。在實際研究過程中，需要將沖頭速度保持在沖壓機床的額定速度上，這樣可通過對每一步的沖壓過程進行分步計數，從而能夠對每一步的沖壓負載進行計算，以了解整個沖壓機床工作時的模具受力情況和變形情況。在這個過程中，需要對沖壓原件進行幾個形狀的提取，形成數據。通過三維技術進行模擬，對沖壓模擬的有限元分析進行預處理，主要是劃分網格，利用常用的前處理軟件hyper mesh進行處理，再通過沖壓模擬程序PAM STAMP進行沖壓模擬，并且通過模擬沖壓過程，對節點進行負荷施壓，對有限元的求解進行分析，對沒有沖壓過程中的施壓做出解決預案。通過對覆蓋件進行模具沖壓過程模擬，能夠對沖壓過程中模具的變形特點、受力特點做出模擬，從而對模具變形做出應對，根據實驗結果可以對模具結構進行優化，完善覆蓋件結構優化設計[6]。

3.3 沖壓模具結構優化

目前，國內進行汽車覆蓋件生產的拉延模具，承載結構是柵格式結構。在傳統的模具結構設計過程中，普遍都遵循現有規則、準則和經驗，缺少對模具受力和變形的關注，而且對新材料、新技術并不了解。為了增強汽車覆蓋件沖壓模具面對新材料、新技術的應對能力，需要對汽車覆蓋件沖壓模具進行結構優化，從而讓覆蓋件沖壓模具能夠滿足新材料的沖壓需求，滿足新技術的設計需要。汽車覆蓋件模具結構優化技術是基于CAE技術，目前德國“大眾”“奔馳”，日系“三菱”“豐田”，美國“通用”“福特”等國際知名汽車制造公司都應用了CAE技術對汽車覆蓋件沖壓模具進行模擬實驗，從而獲得了良好的效果，減少了試模次數，縮短了模具制造周期，降低了模具制造成本，加快了新車型的開發進度[7]。并且，通過大量結合計算機應用技術、CAD建模技術、數值計算、CG技術、CAM技術，能夠對汽車覆蓋件沖壓模具結構優化提供計算機數據支持，從而對沖壓模具結構優化提供技術支持。通過CAD建模技術對沖壓模具進行計算機建模模擬，從而可以根據CAD建模對沖壓模具結構進行模擬，對沖壓模具各種形狀信息進行建模，再通過計算機對各項研究數據進行計算，應用CG技術對沖壓過程進行模擬，通過CAM進行模具輔助制造，從而對沖壓模具實現計算機模擬，為沖壓模具結構優化提供數據支持，并且可以根據模型模擬效果，對模具結構提供切實可行的優化方案，能夠在一定程度上減少試模次數，并且由于能夠通過計算機獲得準確的模具運作數據，能夠加速模具生產，減少生產誤差，并且能夠對模具使用情況進行模擬，從而調整模具優化方向[8]。在進行模擬實驗時，可以通過對沖壓過程進行節點式過程模擬，對模具每一步的負荷做出計算，從而預估出實際模具的磨損情況，對模具進行優化。通過對模具進行運作函數統計，綜合模具的結構、質量、體積、慣性矩、質量分數、體積分數、結構柔度、Von Mises應力、頻率、位移、頻率響應速度、屈曲因子等，并且通過這些函數對模具進行函數約束，可以根據約束函數制定沖壓模具標準函數[9]。

4 結語

上汽通用五菱汽車股份有限公司通過對汽車覆蓋件模具進行計算機模型模擬，加以科學地計算，對汽車覆蓋件沖壓模具進行結構優化，提升了汽車覆蓋件制造水平，提升了公司的生產水平。

參 考 文 獻

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[責任編輯：鐘聲賢]