汽車燃油箱上箱模具設計及加工流程研究

瀘州職業技術學院 付波

隨著現代國內模具行業的發展，將先進模具與油箱的生產聯系成為一種必然，而現有中小型企業由于資金、時間、技術等各方面原因導致研制先進的模具進行油箱技術的改進存在一定的難度，為此，將有限元分析軟件Dynaform 運用到模具的設計與優化過程中，這樣做可以降低模具實際制造費用，單位時間內能夠生產更多的產品，增強模具生產廠在行業內的核心競爭力。

汽車油箱的形狀較大，有一個特殊的空間表面形狀，模具很重，使整個燃料箱模具制造過程復雜，制造成本高。因此，我們要著重討論和解決幾個問題：在保證油箱質量的前提下，怎樣設計生產出符合質量要求的模具，而且還要保證模具越輕越好。

1 油箱上箱的成型技術

汽車油箱按材料分為鐵油箱和鋁油箱。隨著各種新型材料的發展，鐵燃料箱的防銹問題成為最大的問題。尤其是在當今的環境意識日趨增強的情況下。在重型車輛方面：影響新車型推進的問題是我國的石油質量，這是油箱質量的關鍵。鋁合金油箱不僅能滿足強度和耐腐蝕性能，而且比鐵和其他材料有更大的應用前景。它也已成為高油耗的大型客車和重型卡車的首選。

汽車油箱由上箱、下箱、吸油槽、通風管、進油管、防浪板、加固板、電噴泵固定板、內部總成、固定件等組成。在本文中，主要研究汽車油箱上箱，使之可以擴展到整個油箱。

汽車油箱上箱外圍尺寸很大，本文研究的s201 油箱長和寬分別達到1.051 米和0.537 米。而且，油箱表面凹凸不平，立體感強，元件厚度僅有2mm。這與我們常用的鐵碗、文具盒、黑板擦等尺寸相對較小、形狀相對簡單的用具不同。汽車油箱沖壓模具具有形狀復雜、結構尺寸大的特點。

絕大部分油箱的生產都需要采用模具利用拉伸成型，由于零件的冷沖程序不簡單，我們經常需要用到CAE 成型軟件（例Dynaform、deform），對零件在拉伸變形過程中的形成裂紋等問題進行數值仿真。我們在對油箱上箱產品檢查時，還需要用到三坐標測試儀及特殊測量措施，在實際零件檢測過程中，評估其尺寸和形狀。

1.1 汽車油箱上箱的模具設計

油箱上箱的構造、表面及大小會影響產品的技術參數，沖孔、落料、拉伸等完成的難易性也會受技術參數的影響。大部分油箱是簡單、快速成型的，從而盡快生產合格的油箱上箱制件。

在拉伸時，我們需要明確拉伸的總次數和各個工序開展的先后問題，在接下來的處理過程里，非常核心的技術是定位基準的一致性或定位基準的轉換。必須根據原則為下一道工序提供必要條件，下一道工序必須與前一道工序相互銜接、互不影響。

由于汽車油箱箱體周圍的毛胚變型復雜，用精確的數值方法無法得到準確的計算結果。我們常常要用到3d 建模將沖孔、落料、切斷、切邊等工序進行補償，從而得到合格的拉伸沖壓制件并使拉筋以形成拉伸部件。

1.1.1 工藝補充設計

工藝補充部分是拉伸元件中不可或缺的組成部分。工藝補充是拉伸工序得以順利完成的先決條件，也是改善拉伸零件變型程度的先決條件。油箱上箱的形狀和大小決定了工藝補充的數量和上箱材料的金屬特性。工藝補充多余的材料能夠在后續工序中去除。

1.1.2 分型與坯料

工藝補充還有一個重要組成部分就是壓料面，它能夠很好地促進汽車油箱上箱的成型。壓料面是指在拉伸初始時壓邊圈與凹模之間的毛坯部分，它位于凹模圓角之外。壓料面是有些拉伸成型零件的補充部分，有的拉伸成型零件由工藝補充部分和法蘭部分一起構成壓料面[1]。

1.1.3 拉延檻

怎么分布和排列拉延筋對拉伸工序的作用非常大。這樣，能夠很好地避免油箱上箱零件出現褶皺或裂紋。上箱零件的形態及布置方式應結合上箱零件的形狀特征及相應的變形特征，以掌握上箱零件的形狀改變和材料的移動，達到拉伸成型的目的。

1.1.4 拉伸成型的加工方向

燃油箱上箱上各工藝的加工方向，必須與工藝的成型要求相適應。我們在加工的時候，每個工藝的加工方向允許有差別。然而，在可以達到拉伸成型指標的條件時，每個工藝的沖壓方向是一致的或不會發生盡可能多的改變，從而縮短加工和代加工的工時。

1.1.5 送件方法拉

伸成型模具中，材料的送料方式一般有三種：一是加工部分一側彎曲一側扁平的，一般是沿著扁平的面往前送料；二是加工部分是一面淺一面深的，一般是拿住深的面往前送料；三是加工零件一頭大一頭小的，一般是拿住大頭一側往前送料。

1.2 汽車燃油箱上箱的拉伸模具加工

在確定沖壓方案后，通過對模具結構合理部位的分析和選擇，可設計拉伸模具和修復模具。要明確沖壓模具的制造形式和途徑，可以利用CNC 采取程序編制，結合沖壓成型過程中模具表面、指標及形狀的要求。生產的燃油箱質量的好壞要由沖壓拉伸模具決定。位于凸模底部及壓邊圈上部的材料延伸將形成拉伸模具中的曲面。拉伸是沖壓過程中最重要的工序之一，板型毛坯制件和零件可以利用拉伸模具加工成為各式各樣的開口空心的制件。拉伸模具還可以將已經開口空心的零件加工成其他形狀的開口空心的制件，它的主要原理是將凸模之外的材料拉入凹模中[1]。

2 油箱上箱仿真

隨著計算機技術和有限元模擬技術的發展，利用數值模擬技術可以獲得變型狀態、應力和應變分布等參數信息。隨著汽車車身的發展，板料成型和模具設計的相關數值分析軟件的成熟，傳統的模具設計過程已逐步向“同步工程”方向轉變。在產品設計階段，可以同時進行工藝布局、模具設計、工藝驗證、結構優化等工作。過去，制造和生產模式長期都是以鉗工為基礎的，現在正在被一種基于技術和設計的現代制造和生產模式取代[2-3]。許多模具制造商采用數值模擬技術對有缺陷的設計和成型工藝參數進行了修改和調整，在成型設計的可塑性分析方面取得了進展。將模具制造和調試中的問題轉移到設計階段進行預測和解決，并提出數字模具設計階段或沖壓工藝分析和設計階段存在的問題，已成為一種廣泛應用的模型[4-5]。

另外，隨著電腦產業與材料成型產業的壯大，迅猛發展的數值仿真模擬軟件為五金模具的發展開辟了一條便捷之路。很多發達國家，CAD/CAE 技術都是從汽車上運用開始的，CAD/CAE軟件也應用于油箱模具的設計過程。利用CAD 軟件進行五金模具的二維圖繪制與設計，并將繪制好的五金模具傳入數值模擬軟件中模擬。通過仿真，如果發現仿真設計存在不足，我們就可以參照仿真結果，對原設計利用CAD 成型軟件進行修正，修正后的沖壓模具導入CAE 軟件仿真。常用的模擬數值軟件包含：DYNAFORM、AUTOFORM、ANSYS 等。

目前，數值模擬技術已能夠很好地預測汽車油箱上箱的成型。新的模具制造技術必須引進汽車工業的加工制造，新的模具制造技術的引進可以改變模具的制造工藝和設計效果，從而降低模具的生產成本并縮短模具的制造周期[6]。目前，很多數值模擬測試系統的運用，能夠很好地解決冷沖壓模具手工設計滿意度不高的問題，也可以改善沖壓模具的工藝制造問題，從而縮短生產模具的時間，提高生產模具的經濟性，在達到以上目的的同時，還可以避免以上問題。

2.1 油箱上箱模具型面選取

建立油箱上箱沖壓成型有限元分析模型已經成為成型面（模具成型模面）提取的重點。變形坯料成了成型面的接觸邊界，坯料的塑性流動被成型面在成型過程中限制。在油箱上創建沖壓模具，并提取成型模具面，然后將其導入有限元分析軟件，完成所需的幾何清洗和拉伸成型面的合理簡化，以提高網格質量和仿真分析效率。

2.1.1 板料和模具網格劃分

對金屬板材沖壓成型過程分析來說，在沖壓過程中，坯料是典型的大變形構件，因此，坯料必須采用精細的網格模型，而且單元形狀必須盡量采用“真正的矩形”形狀，至少要盡量采用四邊形單元。相反，模具的變形要小得多，但模具的形狀卻是非常復雜的。為了簡化計算，模具通常作為剛體處理（即采用剛體材料模型）。

2.1.2 網格密度

單元和單元之間的應力分布是不連貫的，對于型面復雜的零件或零件中型面復雜的區域來講，這個應力不連續的幅值就是衡量網格劃分是否合理的一個標準。因此，在型面復雜的區域，也就是需要有高精度要求的區域內，網格的密度可以相對大一些，而在型面不復雜的區域，網格的密度可以相對小一些。

2.1.3 單元網格大小

在有限元方法中，單元網格形狀最好是規則單元。單元網格發生扭曲，會降低有限元模擬的精度。即使初始的單元網格都是規則的，但是在沖壓變形的過程中隨著變形程度的增加，單元網格勢必發生扭曲，造成精度下降，如果精度下降的幅度不符合設計要求，則需要增加網格密度。

2.1.4 板料網格劃分要求

在有限元模擬的金屬板材的沖壓變形過程中，坯料處于塑性變形狀態，且由于零件形狀各異，需要按照工藝要求合理設置坯料單元網格的數量、密度、大小和形狀。按照一般原則：單元網格大小要依據變形區域情況確定，變形量大，形狀復雜的區域，單元網格要小，反之亦然；單元網格形狀應盡量采用四邊形單元。

2.2 有限元算法及求解

選取金屬材料作為五金模具成型的材料時，將是非線性的，包括狀態、幾何和材料。通常，采用混合、增量和迭代的方法描述和計算加工材料的非線性現象。

我們常常采用基于薄膜理論的薄膜單元、基于板殼理論的殼體單元和基于連續介質的實體單元，在有限元模擬中進行計算。薄膜元理論的基本研究沒有考慮表面的彎曲變形，難以研究和分析坯料的起皺、鼓包、回彈等缺陷。但該方法具有簡單、快速、低要求等優點。

一般情況下，常用經過改進的拉格朗日法與全拉格朗日法兩種。所以，不管運用什么方式，都可以建立如下公式：

還可以得到以下公式：

以上方程式相減，可得增量方程式如下：

將ft+Δti表示為ut附近僅保留其線性項的Taylor 展開式，可得：

計算得方程式如下：

若Δfe很小，上式可表達為：

此公式表示的是靜力顯式算法（Static Explicit Algorithm）。

因為步長Δfe很大，且選擇了式（1-5）的表達式，這將導致u1通過式（1-7）確定（1-4）平衡方程式，不平衡力為ΔR1，則：將fi（ut+Δt）表示為u1附近的僅保留Taylor 線性項的展開式，得出：

可以得到全新的近似解：

重復計算以上步驟使得ΔR 很小甚至可以忽略，可以得到t+Δt 點時的ut+Δt表達式。需要在迭代前判斷好接觸條件，靜力隱式算法需要構造和求解大型稀疏剛度矩陣，每一步迭代都需要進行接觸判斷，占用存儲空間多，計算量大，計算速度慢，并且往往會出現迭代不收斂的情況，但計算精度高。

在式（1-2）中，受到動態載荷作用的力學響應過程被描述為坯料在沖壓成型過程中的速度與加速度。通過恰當的方法，把C和M 分解成對角陣，通過中心差分法，坯料節點位移量可在t+Δt時獲得，如下所示：

動力顯式算法（Dynamic explicit algorithm，DE）就是用（1-13）來表示的，由（1-13）式可單獨計算各個自由度的位移量。為了式（1-13）的計算有穩定性，可以采用穩定的中心差分法，這時，應滿足：

在國內外板料沖壓加工領域常采用的專業CAE 分析軟件有：DYNAFORM、LS-DYNA3D、PAM-STAMP 等,這些都是使用動力顯式算法的，所以，這些常常作為描述貼合狀態和力量狀況。采用靜態隱式算法的有限元仿真分析軟件，主要包括：Auto-Form、Indeed、LS-NIKE3D 等。以上算法是快速和穩定的。然而，在計算和分析鑄坯成型時，由于準靜態過程，動態顯示算法在計算中存在一些誤差。

3 結論

3.1 首先將分析某油箱廠所產的汽車燃油箱，對其上箱結構進行研究

在CAD 軟件中設計好產品或模具模型，存為IGES、STL 或DXF 文件格式，或直接在DYNAFORM的前置處理器中建立模型并保存為上述文件格式，然后將上述模型數據導入DYNAFORM系統中。

3.2 然后分析某油箱廠所產的汽車油箱上箱結構及工藝

利用DYNAFORM軟件提供的網格劃分工具對模型進行網格劃分，檢查并修正網格缺陷（包括單元法矢量、網格邊界、負角、重疊結點和單元等）。

3.3 利用塑性有限元分析軟件DYNAFORM 軟件中的坯料工程模塊

對模型進行壓料面以及工藝補充面的設計，對汽車燃油箱上箱拉伸過程進行模擬研究，并對其合理工藝參數進行探討，建立板料、凸模、凹模和壓邊圈等工具并定義它們的屬性，以及設定相應的工藝參數（接觸類型、摩擦系數、運動速度和壓邊力曲線等）。在Dynaform 軟件下對汽車油箱上箱應力應變、工件厚度變化、成型過程、起皺、拉裂、壓力機噸位、材料等參數進行仿真和優化。

3.4 分析模擬結果，通過反映的變化規律找到問題所在

與現有拉伸工藝進行對比分析，調整相應參數，重新運算直到得到滿意的結果，形成油箱上箱拉伸件模具設計優化方案，為現有其他各種型號油箱模具的設計與優化提供技術參考與依據。