基于CAE的側圍內板中段成形工藝分析及模具設計

崔禮春，徐迎強

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 工藝分析

側圍內板中段零件如圖1所示，材質DC04，料厚1.0mm，不僅在高度方向上呈“臺階”形式，在水平方向也有彎曲，且左側端頭位置存在型面落差，不利于成形走料。該零件成形關鍵在于工藝方案的選擇、工藝補充面的生成及工藝參數設置，而目前CAE仿真可有效使沖壓成形由“經驗”走向“科學”，由“定性”分析走向“定量”計算，從而優化工藝參數，縮短模具試模周期[1-4]。本文基于CAE平臺技術，研究側圍內板中段成形工藝，完成拉深模的結構設計。

圖1 側圍內板中段

2 工藝方案

該零件傳統成形工藝方案，采用了左右合件的封閉拉延工藝，如圖2所示，包括拉延型面1，坯料線2，分模線3，拉延筋4及拉延后零件邊界線5。其工藝缺點如下：

圖2 傳統拉延工藝模面

（1）拉延型面的工藝補充面較多，其材料利用率僅為30%；

（2）兩零件相連部分長度大，需多序分切，且拉延型面為封閉形式，后續修邊后存在較大應力釋放，回彈較大，必須增加整形工序，因此工序內容多，包括 OP10拉延，OP20修邊沖孔，OP30修邊分切，OP40修邊翻邊整形，OP50沖孔側修邊，降低生產效率，增加模具工裝成本；

（3）圖1左側端頭位置存在型面落差，不利于成形走料，起皺開裂風險較大，工藝適用性差。

圖3 基于單邊壓料的敞開拉深工藝模面

工藝補充后型面如圖3所示，為提高材料利用率及減少工序數，優化零件品質，結合零件造型特點，采用了基于兩側壓料的左右合件的敞開拉深工藝，包括成形型面1，坯料線2，分模線3，拉延后零件邊界線4、送料方向5、檻結構壓料面6、驅動壓料面7、預先壓料面8。其工藝優缺點如下：

（1）基于拉深成形后修邊工藝，來保證零件料邊準確性，其工藝補充面較少，其工藝材料利用率達57%；

（2）兩零件相連部分長度段，設置一序分切，且敞開拉深后進行修邊，板料存在較小的應力釋放情況，同時CAE仿真可優化型面回彈量，無整形工序，因此工序內容少，提高生產效率，降低模具工裝成本；

（3）由于壓料不構成封閉輪廓，有利于圖1中左側端頭位置處落差型面成形，規避零件起皺開裂風險，工藝適用性強，因此合理分布托料點及平衡托料力就成為模具結構設計的一大要點；

（4）考慮成形充分，檻結構壓料面6采用檻結構對坯料進行約束，考慮兩側壓料不同步，保證板料定位穩定，采用預先壓料面8預先壓料工藝，因此最終拉深過程：預先壓料面8下行預先壓料→檻結構壓料面6下行檻結構約束→驅動壓料面7下行成形零件；

（5）本成形工藝受力不平衡，其側向力較大，為保證模具導向精度及模具強度，上模座及下模座設置側導向機構，保證壓料塊工作穩定性；

（6）這種拉深方式采用兩側壓料方式，模具結構相對復雜。

3 CAE仿真

一般傳統評估拉深工藝的好壞，是采用經驗和類比設計方法，待模具設計完成后，用規定的板料在模具中沖壓零件，再按照零件出現的各種質量問題如破裂、起皺、剛性不足、回彈過大等，對模具和沖壓工藝參數進行反復修正，直到沖出合格零件為止。而基于CAE仿真平臺技術，可解決此問題[5-9]。

3.1 有限元建模與參數設置

在UG軟件中對原有產品數模進行工藝面補充，建立滿足仿真要求的零件三維模型，再導入Dynaform軟件中進行沖壓仿真。材質為DC04，料厚1.0mm，板料為落料后的料邊輪廓，預先壓料面8和檻結構壓料面6壓邊力4.0x105N，驅動壓料面7壓邊力2.0x105N，摩擦系數為0.15，零件剛性為50，利用Dynaform建立有限元模型，如圖4所示，包括驅動壓料面7、檻結構壓料面6、預先壓料面8、坯料2、成形凹模面1、托料模塊3。

圖4 有限元模型

3.2 成形過程及結果分析

從圖5成形效果圖可以看出，零件成形充分，回彈量小，且無開裂風險，成形效果佳，滿足工藝需求。后續工作將以此模面進行模具設計工作，將設計風險降到最低，為制造出合格的沖壓件做準備。針對此方案進行后工序工藝設計，為保證產品后續工藝的可行性，模具強度及零件最終質量，確定最終工藝內容：OP10落料，OP20拉深成形，OP30修邊沖孔，OP40分切修邊沖孔，如圖6所示。

圖5 成形效果圖

圖 6 OP30、OP40工藝

4 模具結構設計

模具以零件下型面為基準（凹模基準），凸模按照單邊1.0mm配做，模具結構圖如圖7～9所示。上模增加排氣孔?6mm，便于零件脫離凸凹模型面；本工藝受力不平衡，其側向力較大，為保證模具導向精度及模具強度，上模座及下模座設置側導向機構；兩側壓料氮氣彈簧型號，因根據所需壓邊力來設計，以保證壓邊力均勻及大小合適，同時氮氣彈簧應串聯連接，若某氮氣彈簧損壞，充氣時可及時發現并更換[10-12]。

圖7 下模結構圖

圖8 上模結構圖

圖9 下模實物圖

5 實物驗證

現階段該產品已完成批量生產，產品驗證效果良好，無開裂暗傷，零件精度達標，實物圖見圖10。

圖10 零件實物圖

6 結論

針對側圍內板中段“彎曲臺階”類零件，基于CAE仿真平臺技術，分析了兩側壓料的敞開拉深工藝的成形過程，將材料利用率提高至57%，降低零件工序數，提高生產效率，降低模具工裝成本。并根據工藝優化結果，設計開發了該工藝的模具工裝，經批量產品驗證，效果良好。