汽車覆蓋件沖壓成形非線性有限元仿真分析及質量管理

鄧偉林

摘 要：隨著計算機技術及有限元技術的發展，應用數值仿真方法對板料成形過程進行計算機模擬，以替代實際試模，為覆蓋件工藝設計、模具設計提供可靠的判據和合理的工藝參數，已成為當前覆蓋件工藝設計、模具設計中一種重要手段。本課題在充分了解和分析了國內外汽車覆蓋件沖壓技術的研究的基礎上，通過理論分析和仿真論證，針對汽車典型覆蓋件的沖壓仿真問題進行了討論分析。并初步建立了CAE技術在覆蓋件工藝流程管理中的模塊，規范CAE技術在工業管理中的應用。本課題首先通過Auto-Form軟件對某汽車覆蓋件進行沖壓仿真，闡述了實現板料成形有限元仿真的基本步驟和仿真分析過程中的一些關鍵技術問題，為實際的汽車覆蓋件模具沖壓成形的優化提供了參考。

關鍵詞：覆蓋件;沖壓仿真;有限元分析;工業工程;工藝流程管理

1 緒論

1.1 引言

隨著計算機技術及有限元技術的發展，應用數值仿真方法對板料成形過程進行計算機模擬，以替代實際試模，為覆蓋件工藝設計、模具設計提供可靠的判據和合理的工藝參數， 已成為當前覆蓋件工藝設計、模具設計中一種重要手段。通過在Auto-Form軟件中對某汽車覆蓋件進行沖壓仿真， 闡述了實現板料成形有限元仿真的基本步驟和仿真分析過程中的一些關鍵技術問題， 為實際的汽車覆蓋件模具沖壓成形的優化提供了參考。

1.2 汽車覆蓋件沖壓技術及其進展

汽車覆蓋件主要是指覆蓋汽車發動機、底部、駕駛室和車身的用金屬薄板沖壓形成的表面零件和內部零件。與一般沖壓件相比，汽車覆蓋件具有材料薄、形狀復雜、自由曲面多、結構尺寸大以及表面質量要求高等特點。

1.3 覆蓋件制造工藝流程管理分析

拉延模具開發的關鍵是模具型面的設計，模具沖壓工藝的設計很大程度上依賴于經驗，為了避免修模時補焊，生產中一般都采取比較保守的設計原則，造成了后序較大的修模余量，這不僅增加了修模的難度和強度，而且每修模一次，卸、安裝模具也要耗費大量時間，使得模具的開發周期和成本難以降低。

1.4 課題的主要研究內容和目的

（1）利用工業工程的相關管理模塊對覆蓋件模具制造工藝流程進行了初步的設計管理，探討了在工藝設計流程中，有限元仿真技術在現代設計中的作用。（2）利用所建立的CAD模型，參照實際生產中的工藝參數，完成前壁板拉延成形過程中成形缺陷的重現，分析缺陷的形成原因和主要影響因素。（3）針對缺陷的形成原因，以消除破裂和起皺為主要優化目標。

2 車身覆蓋件沖壓成形非線性有限元仿真理論

2.1 概述

沖壓成形是一個多重非線性問題，不僅是幾何非線性，而且是材料（物理）非線性，需要同時對幾何非線性，材料非線性和接觸非線性進行分析。

2.2 覆蓋件沖壓成形理論

2.2.1 拉伸失穩理論

拉裂是薄板沖壓成形工藝過程中常見的失效形式，從宏觀上來說，它是材料拉伸失穩的表現。

2.2.2 壓縮失穩理論

薄板在沖壓成形時，為了使金屬產生塑性變形，模具對板料施加外力，在板內產生復雜的應力狀態。

2.3 板料拉延成形理論

2.3.1 壓邊力

壓邊力是薄板零件拉延成形過程中一個重要的工藝參數。

2.3.2 應力應變分布的理論計算

沖壓的拉延過程是不斷對板料施加壓力使其成為所需形狀的過程。

2.3.3 成形極限及回彈理論

板料成形極限曲線對于分析板料失穩和評價板料拉延成形性能非常有用。

2.4 沖壓成形與材料性能的關系

在沖壓成形過程中，沖壓件能否順利成形，滿足質量要求，受到沖壓設備、模具、工藝、潤滑、板材性能等許多因素的影響。其中，板材的沖壓成形性能是最重要的因素。

板材的沖壓成形性能應該從抗破裂性能，抗起皺性能和抗彈復性能三大方面來衡量沖壓板材的成形是比較科學的，又分別稱之為成形性能、貼模性能、凍結性能。

2.5 沖壓成形過程計算機仿真作用及步驟

2.5.1 計算機仿真作用

在汽車覆蓋件沖壓成形中，模具設計制造和工藝設計一直是關鍵。

2.5.2 計算機仿真步驟

計算機仿真過程大致可分為三個階段：①前處理;②沖壓過程的有限元計算;③后處理。

3 覆蓋件制造工藝流程分析及質量管理

3.1 引言

工藝設計過程包括數值計算、數據檢索、圖形處理、符號處理、優化設計等。

3.2 覆蓋件沖壓工藝

汽車覆蓋件沖壓工藝設計主要包括沖壓件的工藝分析和工藝方案制定兩個方面內容。

沖壓工藝設計是針對給定的產品圖樣或數學模型或零件模型，根據其生產批量的大小、沖壓設備的類型規格、模具制造能力及工人技術水平等具體生產條件，從對產品零件圖的沖壓工藝性分析入手，經過必要的工藝計算，制定出合理的工藝方案。

3.2.1 拉延件設計

在進行沖壓工藝設計時，首先要進行拉延件的設計。拉延件工藝的制定是否合理，直接決定能否成形;拉延前是否需要設置毛坯形狀的修邊和預先折彎的工序。

（1）拉延方向的合理選擇。選擇拉延方向是拉延件設計首先要解決的問題：1） 保證凸模能完全進入凹模，即保證凸模能將控件的全部空間形狀一次拉延出來，不應有凸模接觸不到的死區;2）保證凸模兩側的包容角盡可能一致;3）保證凸模表面同時接觸毛坯的點要多而分散。（2）工藝補充部分的形式。工藝補充有兩大類：內工藝補充和外工藝補充。（3）壓料面形狀的確定。壓料面有兩種類型，一種在工藝補充部分上;另一種在零件的法蘭面上。（4）拉延筋設置在壓料面上，設置拉延筋是調節和控制拉延阻力比較實用和有效的方法。

3.2.2 拉延件修邊

覆蓋件上的很多部位要進行修邊，不同的位置會有不同的修邊方向，因此可以根據各個位置的具體形狀，考慮進行修邊組合或確定其先后順序，安排不同的工序。

3.2.3 拉延件翻邊

翻邊是在成形毛坯的平面部分或曲面部分上使板料沿一定的曲線（翻邊線）翻成豎立邊緣的沖壓方法。按照變形性質分為伸長類平面翻邊、伸長類曲面翻邊、壓縮類平面翻邊、壓縮類曲面翻邊等。按翻邊方式可以分為垂直翻邊、水平翻邊、傾斜翻邊等。

3.2.4 局部形狀成形

覆蓋件外輪廓的內部都有一些局部形狀，有的是為了滿足使用上的功能要求，有的是為了滿足成形工藝的需要。一般實際生產中，把向覆蓋件的外部凸起或內部凹進形狀都歸為局部形狀，用得最多的是長條形、圓形、方形及其組合形狀。如汽車內板和門外板的把手部位等。

3.2.5 沖孔與沖裁

沖孔或沖裁時重點考慮如：沖孔直徑、角度、間距、沖裁間隙等因素是否滿足沖壓工藝要求，是否滿足模具的強度要求與模具結構是否合理。

3.3 覆蓋件沖壓工序

對汽車覆蓋件進行沖壓工序安排是工藝設計中最為復雜、經驗性最強的決策過程，經驗表明，對一個具體的企業，有許多類似的零件，其工藝基本上相同或相似。因此，可以通過對不同覆蓋件加工工序進行匯總，建立工序組合與排序的一般規則，從而使各類零件的加工工藝標準化，為計算機輔助工藝設計提供依據。

3.3.1 沖壓工序安排

覆蓋件的沖壓工序包括拉延、修邊、翻邊、沖孔、整形、折邊、切斷、成形等工序。而覆蓋件主型面主要是由拉延、成形（包括彎曲）工序構成，然后在其基礎上針對不同成形需要進行修邊、翻邊、局部成形、沖孔、整形、翻孔等工序。

3.3.2 工序組合

也就是將覆蓋件成形的三個基本工序：拉延、修邊、翻邊，與其他輔助工序如：沖孔、翻孔、整形、切斷、切口、切邊等組合在一起，以提高生產效率。

工序組合的兩條基本原則是：（1）盡量將工序合并，但要滿足工藝要求、零件結構與質量要求。 （2）在保持工序數不變的情況下，調整工序，盡量使模具復雜程度一致。

3.3.3 工序排序

沖壓工序順序的安排，既要考慮沖壓件質量的穩定性，又要保證經濟上的合理性，它主要取決于各工序的變形特點和尺寸要求，同時要兼顧各工序之間的干涉性。

3.4 雙動拉延模的結構與設計

對于比較復雜的汽車覆蓋件，特別是對成形質量要求較高的轎車外覆蓋件，根據前人總結的經驗公式很難滿足這些成形零件的工藝要求。因此，對制造出來的模具往往需要進行反復的試模和修模，這樣無形中大大增加了產品的生產成本，增加了產品的研制開發周期，進而造成大量人力、財力和物力的浪費。

3.5 覆蓋件模具制造管理系統的設計

覆蓋件模具進口量大，主要是因為我國模具生產企業信息管理技術缺乏集成性（即未能充分利用信息技術對企業的物流、資金流和信息流進行集成化的管理），面對各種復雜情況的應變性和生產的高效性等。

3.5.1 覆蓋件模具制造項目范圍

模具制造項目涉及模具項目確定到交付過程中的信息流、物流、資金流、業務流等方面的管理控制。

（1） 涉及的工作任務模具項目相關信息輸入與共享。（2）涉及的工作崗位與模具相關的業務人員。

3.5.2 覆蓋件模具制造系統管理功能

本制造執行管理系統由基本模塊、應用模塊、特定模塊三大體系組成。基本模塊是設置企業的組織結構、人員及崗位權限、帳號密碼、業務流程等;應用模塊是企業銷售人員、生產人員、設計工藝人員等所要應用的模塊;特定模塊是企業的一些特殊要求。

4 覆蓋件沖壓成形仿真的關鍵問題分析

4.1 Auto-Form仿真軟件介紹

本文設計是應用沖壓成形仿真軟件Auto-Form對覆蓋件前壁板來做的成形模擬。Auto-Form軟件它有以下特點：

（1）它提供從產品的概念設計直至最后的模具設計的一個完整的解決方案。（2）特別適合于復雜的深拉延和拉伸成形模的設計，沖壓工藝和模面設計的驗證，成形參數的優化，材料與潤滑劑消耗的最小化，新板料（如拼焊板、復合板）的評估和優化。（3）Auto-Form帶來的競爭優勢：因能更快完成求解、友好的用戶界面和易于上手、對復雜的工程應用也有可靠的結果等。

4.2 仿真分析中的幾何模型的建立

汽車覆蓋件模具具有形狀復雜，外形尺寸大，剛度要求高，表面質量要求高等特點。一個汽車覆蓋件的成形，往往需要經過拉延、修邊、沖孔、翻邊、整形等多道工序才能完成，其中拉延成形是制造覆蓋件的關鍵變形方式，工藝制定的合理與否，直接決定材料消耗的多少。

4.3 CAD模型的建立

模具CAD模型的建立，應該根據用戶提供的數學模型進行分析，選擇重要的加工型面，以確定拉延方向、送料方向和加工工序。零件各工序的沖壓方向應該要滿足該加工工序的成形需要。必要時，各工序的沖壓方向可以不一樣。

4.4 壓料面的設計

壓料面有兩種情況，一種是壓料面的一部分就是拉延件的法蘭面，這種拉延件的壓料面形狀是已定的，一般不改變其形狀，即使是為了改善拉延成形條件而作局部修改，也要在后工序中進行整形校正。另一種情況是壓料面的設計是工藝補充的一部分，這種情況下，主要以保證良好的拉延成形條件為主要目的進行壓料面的設計。

4.5 拉延筋和拉延檻的設計

在汽車覆蓋件拉延模中，廣泛采用拉延筋和拉延檻。

主要目的是：一方面增加進料阻力，使拉延件在拉延時能承受足夠的拉應力，提高拉延件的剛度和減少由于回彈而產生的凹陷、扭曲、松弛及波紋等缺陷，使材料達到合理的塑性變形;另一方面，通過拉延筋可以調節各部位的進料阻力，使材料流入型腔的量適合工件各處的需要，防止“過多則皺過少則裂”。

5 覆蓋件成形過程仿真及缺陷影響因素分析

5.1 單元類型的選取

一般來講四邊形單元比三角形單元計算精度高，而三角形單元的計算效率比四邊形單元高。即可以很方便的把任意復雜的空間曲面離散化為節點相連的三角形單元網格模型，因而采用三角形單元進行空間曲面離散化，比用四邊形單元方便、準確，尤其易于逼近復雜的過渡面。

5.2 板料網格劃分的基本原則

為了提高計算效率，應盡可能的減少網格及節點數量，即增大網格的幾何尺寸。為了能夠準確的描述模具的幾何形狀，可以在模具表面形狀變化劇烈處劃分較細密的網格。

5.3 沖壓力的設定與壓機的選擇

由于汽車覆蓋件的外形比較復雜，沖壓成形時工件的材料流動規律不容易掌握，所以沖壓件所用的壓力一般是根據查閱相關的類似零件的成形力以便引用和在軟件上做幾次試探來確定的。

5.4 產生拉裂的機理及消除措施

5.4.1 拉裂變形的分析

拉裂是沖壓成形中常見的材料失效形式，從宏觀上來說，它是材料拉伸失穩的表現。在以拉伸為主的成形過程中，板料的變形往往要受到集中性失穩的制約，即板料存在極限應變。生集中性失穩。

5.4.2 減少拉裂的措施

針對拉延過程中容易產生拉裂的部位，在生產中主要采取以下措施：（1）由于汽車覆蓋件形狀復雜，汽車覆蓋件能否順利地成形，很大程度上取決于坯料、壓邊力、潤滑狀況、拉延筋及拉延檻等各種因素的合理調整。（2）在覆蓋件的棱線、下陷、窗框的直邊處容易發生剪切破裂。

5.5 成形極限圖

成形極限圖（FLD）是60年代中期由Keeler和Goodwin等人提出的。FLD是板料在不同應變路徑下的局部失穩極限應變e1和e2（工程應變和真實應變）構成的條帶形區域或曲線，它反映了板料在單向或雙向拉應力作用下的局部成形極限。

5.6 成形質量分析

本次沖壓仿真模擬了很多種不同參數設置進行的，由上面的應力云圖可以對比出，在沖壓拉延筋布置不合理和沖壓力過大的情況下會出現零件的拉裂情況;而一旦沖壓壓力不足，又容易出現零件的起皺情況。