沖壓成形CAE 技術的現狀與發展

文/蘇傳義，邰偉彬，任闖，代曉旭·中國第一汽車集團有限公司工程與生產物流部

近幾年，隨著計算機技術和模擬分析軟件的迅速發展，沖壓CAE 分析技術已經得到廣泛應用，從產品開發、產品沖壓工藝性分析、DL 圖設計、模具調試，一直到沖壓生產性問題的解決。通過模擬分析、虛擬制造，對整個過程進行分析，提前發現問題，分析原因，提出解決方案，進一步改善產品、優化工藝方案，創新工藝方案。因此避免了大量的設計、制造缺陷，提高了產品質量，節省了大量的時間，降低了開發成本。沖壓CAE 方面的軟件是比較多的，目前常用的專用軟件有Autoform、Dynaform、Pam stamp。通用性軟件有：MSC.MARC、ABAQUS、ANSYS-DYNA 系 列 等。本文通過一些具體的案例，運用Autoform 軟件，介紹CAE 分析技術的應用，存在的不足及未來發展方向。

同步工程

產品沖壓工藝性分析

通過CAE 分析判定零件的開裂、起皺、沖壓負角、滑移線等缺陷狀態，進一步優化產品。⑴零件不能有開裂、起皺現象(圖1)，否則需要更改產品。⑵產品不能存在沖壓負角，需要優化。確定沖壓方向后，軟件自動計算出哪些地方存在沖壓負角，并通過顏色顯示出來。圖2 所示的紅色區域存在沖壓負角。⑶某車型發罩外板拉延件的棱線在拉延過程中有5mm 的滑移線，但沒有滑出圓角，滿足工藝要求，如圖3所示。

沖壓工藝方案規劃

通過全流程的CAE 分析，確定工藝方案，包括拉延、翻邊、整形、修邊和沖孔方向、回彈等，通過優化產品，縮短工序，減少模具數量，降低模具投資。

材料成本控制

⑴確定材料牌號。選擇不同的材料，進行CAE 分析，對結果進行分析、判斷，確定產品合適的材料牌號，降低材料成本。

⑵優化板料排樣。通過CAE 分析，優化排樣，提升材料利用率，降低成本。某產品的拉延毛坯，料片是凹形形狀，采用矩形板料落料工藝，該產品材料利用率為40.4%；現采用無廢料排樣落料工藝，該產品材料利用率提升到53.7%。

⑶廢料利用。圖5(a)為某車型全景天窗頂蓋，圖5(b)為拉延件修邊后產生的天窗口廢料，圖5(c)為頂蓋后橫梁，圖5(d)為頂蓋后橫梁拉延件，用天窗口廢料作為板料。從模擬分析可以看出，此方案可行，頂蓋的材料利用率由43%提升到50%。

沖壓設備選擇

⑴確定板料尺寸。通過CAE 分析，確定板料形狀和尺寸，計算出模具大小，判斷壓機工作臺尺寸是否滿足要求。

⑵計算成形力。通過CAE 分析，計算成形力大小，從而確定沖壓設備的噸位。某車型側圍加強板拉延件，抗拉強度590MPa，成形力1800t，壓邊力300t。

⑶通過全流程的CAE 分析，確定工序數量，選擇合適的壓力機生產線。

CAE 分析技術在沖壓工藝設計中的應用

全流程的CAE 分析技術

圖6 為某車型背門內板CAE 分析過程，對成形過程進行詳細分析。分析拉延是否存在缺陷并進行優化，合理布置拉延筋，確定板料尺寸；判斷修邊沖孔方向是否合理；選擇合理的翻邊沖壓方向；分析回彈狀態等。

沖壓工藝方案的創新

同一個產品可以有不同的沖壓工藝方案，之間的差別十分顯著。如果采用常規工藝方案，沒有風險；如果采用創新的工藝方案，效益顯著，但可能帶來巨大的風險。此時非常需要進行CAE 模擬分析，對沖壓工藝方案進行判斷。

用成形工藝代替拉延工藝

⑴左/右連接板，形狀對稱，材料DC52D+Z-60 /60，料厚1.4mm， 常規沖壓工藝方案，左右件對接，一模雙件，拉延工藝。五道工序，分別為：拉延、修邊沖孔、修邊沖孔、翻邊、側翻切開。創新工藝方案，左右件對接，一模雙件，成形工藝，三道工序，分別為：落料沖孔、成形、修邊沖孔切開，如圖7 所示。

對成形工藝進行CAE 分析，主要針對成形工序進行分析，如圖8 所示，沒有起皺開裂的現象發生，圖8 右圖所示為實際生產的成形件，成形工藝方案取得了成功。采用新工藝，節省兩套模具，模具結構也很簡單，產品質量好，而且材料利用率提升6%。提高了產品質量，降低了模具投資，減少了材料成本、生產成本，效果十分顯著。

⑵轎車背門外板上部、下部對接拉延工藝。背門外板上部、下部常規工藝方案，不在同一套模具加工，每個產品一般為4 道工序。為了降低投資，提高效率，創造性的提出轎車背門外板上部、下部對接拉延工藝，采用一張板料，4 道工序。圖9(a)為背門外板上部、下部產品形狀，圖9(b)為背門外板上部、下部對接拉延件造型。通過CAE 分析，可以看到，沒有產生起皺開裂的缺陷，滑移線在合理的范圍內，沒有產生沖擊線，因此方案可行，已經批量生產。

⑶汽車外表面件型面補償技術。板材在成形后，一般都要發生回彈，特別是外表面件，由于形狀平緩，結構強度弱，變形不充分，發生回彈。高強度板零件、鋁合金板材成形后，回彈也比較大，尺寸超差嚴重，造成模具多次整改，成本很高。現在模具廠家試圖通過CAE 分析進行回彈預測，通過回彈補償技術解決這一難題，也有不少成功的案例。某轎車頂蓋回彈補償值和CAE分析結果，實際結果與分析結果比較接近，試模一次成功。

影響回彈的因素很多，有工藝、材料、凸凹模間隙、設備噸位、產品形狀、模具制造精度等，型面補償技術，目前多數模具廠家采用CAE 模擬分析和經驗相結合的方式進行，還不夠成熟，還沒有完全改變多次試模的狀態。

CAE 技術在模具調試中的應用

前門內板角部起皺問題的解決

圖10(a)為前門內板起皺區域，(b)為產品加筋位置形狀。角部拉延起皺，增大進料阻力，則開裂。最后確定更改產品，加筋吃皺、形狀尺寸位置，既要考慮將皺吃掉，又要滿足造型美觀的要求。經過詳細的CAE 分析，確定了產品加筋的形狀位置，并且一次更改成功。

某車型左右地板連接板成形起皺問題

該產品左右件不完全對稱，左右件對接拉延成形后，在中間切開，圖11 所示區域起皺明顯。在中間工藝補充部分增加一條筋，經過CAE 分析，起皺消除。采用該方案，模具更改一次成功。

CAE 分析技術在內高壓成形工藝中的應用

圖12(a)為某轎車前副車架主管的產品形狀，(b)為工藝流程圖，(c)為CAE 分析的成形性，(d)為CAE 分析的管的壁厚分布。調試過程中出現的問題，與分析過程很接近，通過調整工藝參數，得到合格的產品零件，模具調試比較順利，已經批量生產。

CAE 分析技術在熱沖壓成形中的應用

圖13(a)為某車型前底板中通道，鋼板厚度為0.9mm，材料為USIBOR1500P，(b)為CAE 分析模型，其中包括上模、下模和板料。(c)為CAE 分析的壁厚分布，(d)為熱成形零件(激光切割前)。該零件在調試期間并沒有出現開裂和起皺缺陷，調試過程比較順利，已經批量生產。

結束語

以上通過一些實際的案例，介紹了CAE 分析技術在模具制造中的應用，我們可以看到，應用范圍已經十分廣泛，為模具行業的快速發展，起到了關鍵的作用。國內大型汽車覆蓋件模具設計已經100%進行CAE 分析，優化工藝設計，提前規避風險，使調試問題越來越少，縮短了模具制造周期，提高了模具質量。隨著汽車輕量化的要求，高強板、鋁合金板的應用越來越多，如何解決回彈問題，已經是制約模具制造的瓶頸，如何克服這一難關，已經是擺在我們技術人員面前的一道難關。CAE 分析技術向著精確計算的方向發展，結合現場的成功經驗，指導模具設計加工制造，仍是未來幾年的發展方向。