汽車覆蓋件沖壓工藝優化方案研究

武寧 劉志遠

摘要：汽車覆蓋件是車身的基本組成部分，如果覆蓋件的沖壓工藝性設計不合理，將直接影響模具結構的復雜程度和模具的加工工藝性，給沖壓模具的設計、制造、加工及覆蓋件的生產和裝配帶來困難。為了縮短覆蓋件沖壓模具設計制造周期及降低成本，必須進行覆蓋件沖壓工藝性的研究與分析。本文以某輕型載貨汽車車身側圍件為例，提出了覆蓋件設計與沖壓工藝設計協同設計方法，可以大量減少沖壓模具數量及降低模具加工成本，并可顯著提高材料利用率。

關鍵詞：汽車；覆蓋件；沖壓工藝

1.汽車覆蓋件模具概述

1.1汽車覆蓋件內容

汽車覆蓋件具體是指構成汽車車身或者駕駛室，并掩蓋汽車發動機和底盤的異形體表面以及內部零件，它為薄金屬板料材質，它不僅是汽車外觀的裝飾性零件，還是受力零件。汽車覆蓋件是制造汽車車身中的關鍵。汽車覆蓋件表面不允許出現波紋、褶皺、凹凸不平、劃痕、邊緣拉痕等影響表面美感的質量缺陷。確保覆蓋件的裝飾棱條清晰、平整、光滑、對稱且均勻過渡，另外，各個覆蓋件之間楞線連接應一致流暢。這要求汽車覆蓋件模具也應滿足相關要求，提高了對形位的精確度和表面質量的要求。汽車覆蓋件通常要通過拉延、調整邊緣、沖孔、調整外形、翻邊等一系列工序后才能成型，因此，針對各道工序又有不同的模具，且每一套模具都是由不同的部分構成。

1.2汽車覆蓋件模具制造現狀

汽車工業快速發展的今天，隨著汽車開發周期的日益縮短，人們更加注重汽車車身的整體質量。在具體的設計和制造過程中，總會遇到負效益的工作，這在某種程度上影響了工期。另外，市場占有率逐漸減小，導致企業產能和綜合效益下降。近年來，汽車覆蓋件模具的制造能力有所增強，具體體現在計算機輔助制造技術、數控機床技術等新型制造技術的大范圍應用中。汽車覆蓋件模具的開發研究仍處在不斷的發展階段，在未來的研制過程中，應有效掌握最新科技，充分利用新型技術，大幅提升汽車覆蓋件模具表面的精確度和質量。

2.汽車覆蓋件的沖壓工藝設計

汽車覆蓋件與一般沖壓件相比較，具有板料薄、尺寸大、形狀復雜、多為空間曲面、以及表面質量要求高等特點，因此，汽車覆蓋件的沖壓工藝設計是十分重要的工作。汽車覆蓋件的沖壓工藝設計一般要求由在行業內工作多年的資深工程師來完成。覆蓋件沖壓工藝設計的合理與否，不但影響覆蓋件成形質量，也對覆蓋件模具開發費用，開發周期等有較大影響，好的覆蓋件沖壓工藝設計，不僅能夠提高覆蓋件沖壓質量，避免破裂、起皺和回彈等嚴重質量問題，對外覆蓋件，在沖壓工藝設計中，還需考慮如何避免出現滑移線、沖擊線的外觀缺陷，而且好的沖壓工藝還需使得在沖壓中，板料的應變盡量充分均勻，以減少在行駛中的振動問題，提高駕駛舒適性和車身的疲勞耐久性能。另外，好的沖壓工藝還可以有效降低汽車車身的生產成本，有資料表明，覆蓋件的成本構成中，材料費用約占 60%-70%，因此在沖壓工藝中考慮減少工藝補充部分（外工藝補充面和壓料面）的材料消耗，可以有效地降低覆蓋件的生產成本。

2.基于響應面近似模型的拉延筋優化

2.1 單元技術及網格劃分

板料成形有限元技術中主要采用三種單元形式：膜單元、殼單元和實體單元。這三種單元中，膜單元計算效率較快，但是由于在厚度方向上只有一個積分點，因此不能計算板料成形中的起皺和回彈；而實體單元雖然具有計算精度最高的特點，能夠準確地計算出板料的起皺和回彈，但是因為計算速度慢，且目前還沒有較好的實體單元裁剪技術，不能模擬板料成形中的修邊及后續的工序，因此應用范圍有局限；殼單元分為 Kirchhoff 殼單元、Mindlin殼單元、退化殼單元、相對自由度殼單元，殼單元由于具備了計算速度快、結果精度高的特點，因此是目前在板料成形有限元軟件中應用最為廣泛。網格劃分是將覆蓋件拉延數模離散為有限元網格，當前主流板料成形有限元軟件都采用殼單元劃分。一般而言，在板料成形仿真中，模具作為剛體，只用于接觸判斷，模具網格不發生變形，因此，模具網格采用三角形和四邊形兩種形式，三角形網格計算精度低，但是具有適應性好，能夠準確描述模具型面；而板料的單元劃分必須側重于計算精度，因此，坯料單元一般采用四邊形單元的形式，只在坯料邊界才能使用一些少量的三角形單元。

2.2 接觸問題的處理

在汽車覆蓋件沖壓仿真中，由于模具幾何型面的復雜性，使得坯料和模具型面之間的接觸問題變的異常復雜，接觸邊界條件不斷變化，由此產生的接觸面之間的相互作用也是非常復雜并處于動態變化中。接觸問題包含兩個相互關聯的兩個方面：接觸搜索以及接觸的處理。目前，在顯式有限元算法中，接觸搜索一般是基于段的接觸搜索算法，而在沖壓上接觸面上接觸力的處理一般通過是罰函數法。

3 覆蓋件拉延模工藝補充面優化設計

3.1 工藝補充面的參數化設計

參數化設計在系列化產品設計、相似設計以及CAD系統開發中具有重大應用價值。將參數化設計方法引入工藝補充面幾何模型的設計，目的是為了提高覆蓋件工藝補充面的設計及修改效率，提高技術人員的設計效率。目前二維參數化建模方法主要有以下幾種：1）幾何變量法。幾何變量法是一種通過分析圖形幾何模型的特點，建立主要設計參數及各設計參數之間的代數關系，當設計參數發生變化時，使用迭代方法，通過求解各尺寸之間的代數關系式，確定其他相關尺寸的參數值，進而更新獲得新的幾何模型。2）人工智能法。人工智能法將手工繪圖的過程分解為一系列最基本的的作圖規則，采用人工智能的符號處理、知識表示、幾何推理等手段將當前的作圖步驟與基本規則想匹配，從中求解出未知參數，與已知參數一起引導繪圖。為了實現對工藝補充面的優化，必須首先提高工藝補充面的設計效率，必須實現對工藝補充面的參數化設計。實現工藝補充面的參數化，必須先研究工藝補充面的特點。由于常見的工藝補充面的截面線可以由基本曲線段（直線、圓弧）組合而成，因此，使用編程法，可以對工藝補充面的截面線進行參數化，而后通過對參數化的界面線進行掃掠等處理方式，生成工藝補充面，以后對工藝補充面的修改，都通過修改控制界面線的方式進行。

3.2 工藝補充面優化算例

通過某車型整體側圍外板的CAE模擬分析，對分析過程發現的問題進行深度挖掘，尋求優化措施，優化工藝模面，調整工藝內容與相關工藝參數。現已根據優化后的工藝完成的模具設計、加工、調試工作，得到客戶單位的認可及實現量產，最終通過生產驗證，量產件如圖11所示，表明了CAE成形分析的必要性與優化設計的準確性，同時也為幾種沖壓件的典型缺陷問題的優化途徑進行了驗證。沖壓件內部交角處問題，可通過放大R角進行解決，若沖壓件造型約束，可在拉深工序進行過拉深處理，在后工序進行局部整形至沖壓件要求形狀。外覆蓋件的沖擊線問題，可通過分模線的外移及光順進行優化。沖壓件局部拉深不充分、多料問題，可通過增加余肉的方案進行解決。拉深過程中存在輕微的起皺問題，通過壓料面形狀優化，縮短線長進行優化。通過CAE成形模擬仿真，能夠在設計階段盡早識別成形存在的缺陷，尋求優化措施，優化工藝模面、調整工藝內容與相關工藝參數，指導模具結構設計及調試工作，有效控制模具開發周期，同時保證沖壓件質量。

參考文獻：

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[2]姜彥翠，劉獻禮，丁云鵬，陳濤，岳彩旭.汽車大型覆蓋件淬硬鋼模具切削加工技術[J].哈爾濱理工大學學報，2013（01）.