利用Autoform 軟件分析后車門外板的應用舉例

戰淑紅 潘遠安 張瑜

（1.長春汽車工業高等專科學校機械工程學院；2.一汽轎車股份有限公司）

汽車典型的外觀件為側圍、翼子板、前后車門、前蓋和后蓋[1-2]，外觀件具有造型復雜、表面質量要求高等特點，因此對表面坑、包、波浪、褶皺和滑移線等表面缺陷要求較高。為了解決這些缺陷，很多學者利用Autoform 軟件成功地排除了上述缺陷，文獻[3]利用Autoform 軟件排除了起皺和拉裂等缺陷；文獻 [4-6]利用Autoform 軟件消除了發動機罩外板、行李箱外板和后門外板的滑移線問題；文獻[7]利用Autoform 軟件成功解決了后門外板回彈問題。以上研究均側重問題的解決，對于軟件參數的設定和分析過程并未詳細說明。文章詳細介紹了使用Autoform（R7）軟件進行后門外板制件（以下簡稱“制件”）沖壓工藝分析過程的參數設定及分析結果的判定，為CAE 分析師的分析過程提供參考。

1 制件工藝簡介

文章以一模雙件的生產方式為例，工序排布如圖1所示，為OP10 拉延→OP20 修邊→OP30 修邊沖孔整形→OP40 翻邊，共4 道工序。需要注意的是，OP20 中紅框標出的位置存在斜楔沖孔，需要在OP20 工序時將這幾處廢料先行切掉，為后工序的斜楔沖孔留出位置。另外，OP30 中紅框部分是修邊帶整形，OP40 中紅框部分是斜楔翻邊。它們都有一個共同優勢，即縮短一個工序，從而達到節約成本的目的。

圖1 制件的工序排布

2 門外板Autoform 分析過程

2.1 拉延工序分析及判定

將CAITA 造型軟件中繪制制件拉延工序的造型導入Autoform，完成拉延工具體的模面設定。在拉延工序的分析中，壓邊圈的參數設定非常重要，直接影響分析結果。壓邊圈設置的重要參數有2 點，如圖2 所示。第1 點是壓邊圈行程。壓邊圈行程會影響到板材放到壓邊圈上的形態（表現為是否“塌腰”），同時會影響到板材接觸模具凸模的狀態。一般壓邊圈行程的選取原則為：在壓邊圈抬起時剛好與模具凸模的最高點平齊。文章中制件壓邊圈行程一般在50～80 mm。第2 點是壓邊力。在初始模擬時，壓邊力可以設置成壓強（3 MPa），調整優化完成后根據計算的壓邊力設置成噸位，并盡量使壓邊力小于實際壓機最大的下氣墊力的80%。一般后車門外板成型的壓邊力為1 600～2 000 kN/雙件。

圖2 壓邊圈參數設置

使用Autoform 分析制件成型性時，拉延工序的分析結果判斷比較復雜，維度也比較全面。以下分別從成型過程、成型性、減薄率、主次應變和滑移線等6 個方面進行詳細介紹：

1）成型過程判斷：針對外板制件來說，在拉延成型的過程中，外表面區域板材不允許出現明顯的褶皺現象，否則會導致制件成型后表面存在缺陷。圖3 示出拉延成型過程圖。a 為水平重力下的板料狀態，b 和c 為板料拉延過程，d 為拉延完成的最終狀態。該制件未出現明顯褶皺現象。

圖3 外板制件拉延成型過程

2）成型性判斷：成型性判斷是基于板材的FLD 曲線（成型極限曲線圖）的綜合判斷，其判別結果直觀且較為全面，如圖4 所示。FLD 曲線直觀地顯示制件是否成型充分（綠色表示）、是否存在破裂風險（黃色及橙色表示）、是否存在板材增厚（藍色及紫色表示）。同樣，也可以通過對制件的不同位置進行分析計算，從結果中直觀地顯示出來，如圖5 所示。成型性判定顯示的結果會根據參數的改變而改變，若僅僅依據參數設定來判斷結果的成型性，容易受到誤導。

圖4 FLD 曲線示意圖

圖5 制件成型性結果

3）減薄率判斷：對于外板制件來說，減薄率非常重要。因為減薄率會對制件的回彈、剛性以及表面缺陷造成影響。如果制件的減薄率不足，回彈會變大，剛性會變弱，也會產生表面缺陷。通常要求外板制件外表面區域的減薄率必須達到3%以上，優選達到4%以上。這一點是判斷制件拉延工序是否合格的一個重要條件。對于門外板這種使用軟鋼板材的制件，要求減薄率低于25%，如果減薄率高于該值，則開裂風險大。如圖6 所示，制件的減薄率達到了優選值，符合要求。

圖6 板制件減薄率檢測數值

4）主應變判斷：外板制件的主應變要求達到2%以上，優選達到3%以上。該參數主要是為了保證板材在成型過程中拉延充分。此參數不是所有外板制件都可以達成，所以不是對所有外板制件都有此要求。對本制件來說，該參數是需要保證的。如圖7 所示，制件的主應變值達到了優選值，符合要求。

圖7 板制件主應變測量數值

5）次應變判斷：由于外板制件有面品質量的要求，應盡量避免單向拉伸的情況出現，即避免出現此應變低于0 的區域。對車門外板來說，一般要求外表面區域不允許出現此應變低于0 的區域，如果受到造型的影響無法達成時，也需要盡量減小此區域的范圍。如圖8所示，制件的次應變達到了優選值，符合要求。

圖8 板制件次應變測量數值

6）滑移線判斷：現在的外板制件棱線圓角越來越小，出現滑移線的風險越來越高，所以對外板制件的滑移線檢查也成為外板制件拉延工序判斷的一個重要過程。而且是否存在滑移線也是拉延工序是否合格的一個重要判斷指標。如圖9 所示，本次模擬的制件腰線處均出現滑移線問題，后側的滑移線問題更為嚴重，初步測量滑移距離至少在4.55 mm 以上，必須對該制件的拉延工藝進行調整，否則將對制件外觀質量產生影響，甚至會因質量評審不通過而停產。

圖9 制件滑移線判斷

2.2 修邊工序分析及判定

修邊工序的分析比較簡單，只需設置修邊線即可。在設置修邊工序時，有2 點需要考慮：一是修邊角度，可以在Autoform 中進行檢查，并對修邊角度超出的區域采用斜楔修邊的方式解決；二是分步修邊，為了更加貼近實際模具的生產狀態，在設置修邊線時，應采用與模具相同的步驟修邊，而不是一次性將所有廢料都切掉。

對于修邊工序的結果判定，主要是修邊角度的判定。一般修邊角度的判定分為2 種方式，如果是通過Autoform 軟件建模，那么可以直接在Autoform 軟件中進行；如果是使用CATIA 等繪圖軟件建模，則需要在PD（Autoform-ProcessDesigner）軟件中判斷，該軟件是Autoform 公司開發，基于CATIA/UG 軟件的DL（沖壓工法圖）專用繪制軟件。本案例使用CATIA 軟件建模，所以使用PD 來判斷修邊角度。圖10 示出后門外板右上角的修邊，通過修邊檢查發現正修時最大修邊角度為50.2°，而沖壓工藝要求的最大修邊角度不得超過25°，優選20°，所以此處修邊角度不合格，需要采用斜楔修邊。圖11 示出同樣位置采用斜楔修邊后的結果，最大修邊角度為24.4°，滿足修邊要求。

圖10 制件正修邊修邊角度檢查結果

圖11 制件斜楔修邊修邊角度檢查結果

2.3 修邊整形工序分析及判定

整形工序的凸模及壓料板采用周圈付型的形式，這也是為了更加貼近實際的生產條件。整形工序及翻邊工序的付型區域一般選取整形/翻邊線內80 mm 的區域，如圖12 所示。

圖12 周圈付型的凸模及壓料板

整形分析的結果判定主要有2 點：一是開裂，在拉延中已經介紹；二是褶皺。褶皺的判斷有3 種方式：1）成型性判斷中的增厚區（藍、紫），這種方式判斷的是板料增厚趨勢。在制件的外表面區域絕對不允許出現增厚現象，而在非外表面區域，板料增厚只是多料的表現，不能作為褶皺判斷的絕對依據。2）褶皺風險判斷（wrinkles），該判斷方式更傾向于對痕跡的判斷。該值超過限制，則所在區域成型后會留下痕跡，但不一定會有明顯的起伏現象。對于該值一般認為內表面需要低于0.03，如圖13 所示，此區域測量數值為0.156，表明存在起皺的風險。3）成型過程判斷，在Autoform 模擬中，更多地是依靠成型過程中板料的形態來判斷褶皺情況，如圖14 所示，該區域在整形過程中有明顯的褶皺趨勢，那么就可以判斷該區域整形會形成褶皺。

圖13 制件褶皺風險判斷結果

圖14 制件整形成型過程判斷結果

此處形成的褶皺問題并不嚴重。其一，此處并不是A 面，對外觀影響較小；其二，在后期調試過程中，模具間隙調整可以減小甚至是消除一定褶皺；其三，在后續包邊壓合工序中也可以減輕褶皺對整個制件的影響；其四，此處有前門對其“臺階”結構的遮擋，依然可以降低褶皺的影響，故此處褶皺問題不作為重點來關注。

2.4 翻邊工序分析

翻邊工序的分析基本與整形一致，需要注意的一點是，翻邊工序的接刀位置需要在CATIA/UG 等繪圖軟件中制作，在Autoform 軟件中繪制的翻邊接刀，無法滿足分析模擬的需要。翻邊的結果判定是對翻邊起皺和開裂的判斷，在前文中都已介紹，不再詳述。

2.5 回彈分析

制件的回彈分析常用的有3 種，分別是自由回彈、支撐回彈、夾緊回彈。其中自由回彈只作為初步判斷，支撐回彈是回彈的3 種方式中最接近于制件真實回彈的計算方式。在評定制件回彈值、尺寸整改以及做回彈補償時，都是參考支撐回彈的結果。在計算支撐回彈時需要注意2 點：一是制件的放置方式要選取制件在檢具上的放置方式，這樣計算的支撐才會與實際制件的回彈接近；二是制件支撐點的選取一定要與檢具上的支撐點一致，同樣是為了使回彈計算與實際接近。夾緊回彈的結果更接近于制件的尺寸檢測結果。實際上，只有當制件的支撐回彈達到要求后所計算的夾緊回彈結果才是有效的。

對于支撐回彈來說，分析結果的判定直接體現在回彈值上，根據以往經驗，建議外板制件回彈值低于3 mm，嚴格一些的則要求低于2 mm，如圖15 所示。夾緊回彈結果的判斷則需要特別注意，在判斷回彈值前，需要首先確認夾緊點的受力情況，如圖16 所示，要求所有的夾緊點受力不得超過30 N，否則夾緊回彈結果無效。對于夾緊回彈的回彈值的判斷，則需要根據許用的公差要求來進行。

圖15 制件支撐回彈結果

圖16 制件夾緊點受力情況

3 實際生產中的問題

在車型實際生產過程中，制件出現了滑移線問題，如圖17 所示，紅框內的缺陷即為滑移線。這與模擬分析的結果是一致的，需要利用Autoform 軟件進一步進行輔助分析，以解決該滑移線問題。

圖17 制件生產中的滑移線問題

4 結論

通過對該后門外板制件全序的Autoform 分析及結果判斷，對所有外表面制件的Autoform 判斷標準有了一定的了解，并且也對該制件存在的問題有了判斷。目前該制件存在的最嚴重問題就是主棱線存在滑移線風險。需要對制件滑移線進行分析及調整，才能最終解決其滑移線的問題。具體分析建議如下：1）調整沖壓方向，可降低滑移線風險，預計對工藝布置將會產生一定影響；2）調整拉延筋，可以再次降低滑移線風險，預計對制件的減薄率會產生一定影響；3）修正板料布置及工藝補充，可進一步降低滑移線問題，預計依然會影響制件的減薄率。