CAE技術在后縱梁延伸板模具開發中的應用

文/張學文，王沖·北京汽車研究總院有限公司

本文介紹了CAE技術在汽車沖壓件開發中的目標和作用，對比了汽車沖壓件兩種成形工藝的特點及應用條件，介紹了零件沖壓工藝及模具的設計原則。通過某車型后縱梁延伸板的模具開發案例，詳細闡述了CAE技術在模具設計制造中的實際應用。

汽車沖壓件模具在整車的制造環節中占有重要地位，直接影響到新車上市時間和價格，而模具的設計制造離不開有效的板料成形模擬技術。CAE技術是利用計算機有限元模擬對板料沖壓成形過程進行仿真分析，通過提高成形裕度，優化零件設計，改善工藝方案，最終實現縮短模具制造周期，提高零件質量的目的。在模具設計階段，優化沖壓工藝方案，消除潛在質量風險；同時判定零件成形的難點和關鍵區域，制定解決方案，指導現場模具調試。國外大型汽車集團，其模具開發一般都要借助于一種或幾種CAE軟件，以提高其成功率，確保其制造周期的可控。

汽車沖壓件的成形工藝一般分為拉延和壓形兩種，通過CAE分析可以選擇最優的工藝方案。本文以某車型后縱梁延伸板為例，重點講述了CAE技術在壓形模具開發中的實際應用，包括工藝方案確定、成形模擬分析、調試問題解決等，其成功經驗對于類似零件的開發具有借鑒和指導意義。

CAE技術的目標和作用

汽車覆蓋件模具制造的最大風險來自于沖壓工藝的變更和失效，導致模具大量修改，增加模具的調試工作量。板料成形CAE技術是解決此類問題的最佳技術手段，它在縮短模具開發周期、降低模具制造成本、提升零件質量等方面發揮著重要作用。其目的就是在可控的成本范圍內，高質量、按時間節點完成模具開發。CAE技術的主要目標和作用如圖1所示。

沖壓件成形工藝的分類和特點

汽車沖壓件成形工藝一般分為拉延和壓形兩種，在實際生產中，二者的區別主要有以下兩點。

⑴拉延工藝特點及適用條件。

拉延是指將板料先成形后切邊，拉延成形時有壓邊圈，板料四周壓緊，金屬充分流動，不易產生皺褶。拉延后序需要修邊沖孔等工序，一般用于中大型覆蓋件，零件形狀變化劇烈或側壁強度不均勻。此工藝相對浪費板料，需要更大的成形力，且側壁回彈和卷曲問題更嚴重。

圖1 CAE技術的目標和作用

⑵壓形工藝特點及適用條件。

壓形是指將板料先切邊后成形，首先根據零件形狀計算出坯料尺寸，然后落料再壓形，一般不需要壓邊圈。其優點在于材料利用率高，但易出現皺褶。一般用于料厚較大的支架、加強板等表面要求不高的沖壓件。產品俯視或者正視方向有形狀變化導致成形過程中板料有被壓縮的趨勢，但并不嚴重時，推薦采用這種工藝。

壓形工藝及模具的設計原則

由于壓形工藝具有材料利用率高、模具結構簡單、側壁回彈小、機床噸位要求低等優點，一些形狀相對簡單、表面質量要求不高的內板件，特別是高強鋼零件由于延伸率較低，推薦采用此種工藝。在壓形工藝制定和模具設計時，必須遵循一定的原則。

壓形翻邊模的工藝設計準則

⑴考慮翻邊或者法蘭回彈角度的處理，零件設計應有3°～6°的回彈補償角。

⑵產品凸模圓角應該盡量小，針對不同的材料強度，R角一般為料厚的1～2倍。

⑶制件形狀不均勻時壓形會由于殘余應力導致回彈或者扭曲，工藝應考慮型面補償。

⑷坯料線需要零件展開返算得出，一般需經過幾輪試模后測量，修改數模重新加工調試。

壓形翻邊模的模具設計準則

⑴考慮翻邊成形的側向力，鑲塊應被置于鑄件本體內或者設計足夠的擋墻。如圖2所示。

圖2 翻邊鑲塊示意圖

⑵凸凹模翻邊間隙不應超過一個料厚。

⑶可考慮包角翻邊以處理回彈，參考圖3翻邊的回彈處理方法。

圖3 翻邊回彈處理示意圖

后縱梁延伸板案例分析

以某車型的后縱梁延伸板為例，為滿足客戶要求，保證零件質量，利用板料成形CAE技術對零件進行了成形模擬分析，并指導模具調試過程，取得了良好的效果。

零件信息

圖4為后縱梁延伸板示意圖。零件材料：SHP440熱軋鋼，料厚：1.8mm，尺寸：298mm×137mm×150mm。抗拉強度≥440MPa，屈服強度≥305MPa。零件厚度大、材料強度高、成形困難。

工藝方案確定

圖4 后縱梁延伸板示意圖

在沖壓工藝方案制定過程中，為降低零件調試風險，首選采用拉延成形、修邊、整形、修邊沖孔、斜楔沖孔等工序。但是客戶要求該零件的材料利用率必須達到60%以上，若按上述工藝生產，利用CAE軟件計算出材料利用率還不到40%，這樣既不滿足客戶要求，同時又造成極大的成本浪費。經過反復討論，最后決定，利用有限元逆算法模擬零件采用壓形工藝的可行性。圖5采用AUTOFORM軟件模擬零件直接成形的結果。

圖5 零件直接成形模擬結果示意圖

我們從模擬結果可以看出，零件直接成形還存在較嚴重的起皺缺陷，因此嘗試增加整形工序。采用落料、壓形、整形、精修邊沖孔、斜楔沖孔等工序，相對于拉延成形工藝，模具工序并未增加。零件成形、整形模擬結果如圖6、7所示。零件起皺缺陷得到了很大程度的緩解，結果可以接受，確定采用上述工藝方案。結合壓形工藝及模具的設計原則進行模具設計制造。

圖6 零件成形結果示意圖

圖7 零件整形結果示意圖

指導現場模具調試

采用落料工序的主要風險在于板料展開不準確，可能需要多輪試驗以獲得坯料邊界線，增加模具調試難度。利用FASTAMP有限元逆算法對零件進行展開，有效減少了試模次數。模擬展開結果與實際調試結果比對，坯料線相差不大，圖8為零件模擬展開與實際調試坯料線對比情況。

圖8 零件模擬展開與實際調試坯料線對比情況

根據所確定的工藝方案，采用模擬展開的坯料線，進行模具調試，其結果如圖9、10所示。可以看到，制件沒有明顯的起皺、開裂或疊料缺陷，焊接面平整，滿足零件質量要求。

結束語

圖9 成形后制件

圖10 整形后制件

沖壓成形CAE分析技術的應用為我國汽車和模具行業的發展起到了積極的推動作用。本文通過某車型后縱梁延伸板的模具開發案例，闡述了CAE技術在工程上的成功應用。工藝設計階段，利用板料成形模擬技術有效解決了零件的工藝問題，同時將材料利用率提高至70%以上，并且簡化了模具結構，降低了制造和生產成本。模具調試階段，利用有限元逆算法準確獲取了坯料邊界線，降低了車間工人的調整難度，大大減少了現場模具調試工作量，并最終獲得了良好的零件狀態。掌握沖壓CAE技術需要在具體工作中努力思考和探索，不斷積累現場模具調試的經驗，推動沖壓技術水平繼續向前發展。