汽車后圍板的CAE 工藝優(yōu)化研究

熊保玉，劉 穎

（1.成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 裝備制造學(xué)院，四川 成都 610213；2.中國民用航空華東空管局山東分局，山東 濟(jì)南 250107）

在對汽車覆蓋件零件進(jìn)行成形工藝分析和模具設(shè)計時，傳統(tǒng)汽車覆蓋件模具設(shè)計與制造周期長、成本高，并且容易出現(xiàn)斷裂和回彈等缺陷。隨著彈塑性有限元模擬技術(shù)條件的不斷發(fā)展，基于數(shù)值模擬技術(shù)的計算機(jī)輔助工程技術(shù)（CAE）在模具工業(yè)中的應(yīng)用不斷深入。與傳統(tǒng)的模具設(shè)計制造方法相比，模具CAE 技術(shù)具有明顯優(yōu)勢：預(yù)先發(fā)現(xiàn)成形中可能出現(xiàn)的缺陷；減少模具調(diào)試次數(shù)，縮短模具開發(fā)時間；提高模具的可靠性，降低模具制造成本[1]。

如圖1 所示，本文以汽車后圍板為例，首先對其成形過程進(jìn)行工藝分析和計算，之后利用Dynaform 軟件對其拉深成形過程進(jìn)行模擬分析，最后利用計算和分析的結(jié)果指導(dǎo)完成后圍板模具的設(shè)計與制造。

圖1 后圍板零件圖

1 汽車后圍板工藝分析和計算

1.1 工藝分析

汽車覆蓋件多為空間型面，結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，材料較薄，沖壓成形過程中牽扯到幾何非線性、材料非線性和復(fù)雜的接觸摩擦等問題，成形件表面質(zhì)量要求高、配合協(xié)調(diào)性高[2]。

汽車后圍板屬于淺拉深件，內(nèi)部有孔洞，因此將其成形過程分為兩個工序：一是對坯料進(jìn)行拉深成形，二是將拉深成形后的工件進(jìn)行落料和沖孔。首先對坯料進(jìn)行拉伸成形有利于后續(xù)工序的定位，同時也避免了先沖孔后拉深對工件成形質(zhì)量帶來的影響。拉深成形的質(zhì)量在很大程度上決定了成形件的質(zhì)量，因此僅對拉伸工藝進(jìn)行詳細(xì)工藝分析和模具設(shè)計。

汽車后圍板所選取的材料為低碳鋼Q235，其參數(shù)如表1 所示，厚度為1.0mm。根據(jù)汽車后圍板零件外形進(jìn)行分析，通過選擇合理的沖壓方向，使零件沖壓負(fù)角為零[3]。但是隨著輕質(zhì)高強(qiáng)板材在汽車覆蓋件中的應(yīng)用，回彈成為沖壓成形過程中常見又難以解決的問題。尤其是在小曲率彎曲及淺拉深成形工藝中，回彈量的計算機(jī)CAE 預(yù)測是產(chǎn)品成形重要方法之一[4]。

表1 Q235 材料的性能參數(shù)

1.2 壓邊力和拉深力的計算

當(dāng)模具參數(shù)與材料確定后，根據(jù)式（1）來計算拉深成形過程中所需壓邊力[5]。

式中：Q 為壓邊力；F 為壓邊的面積；q 為單位壓邊力，對于低碳鋼，單位壓邊力為2.0MPa。利用Pro/E測量得F 為113652mm2，計算可得壓邊力約為200kN。

利用壓邊力來計算拉深成形所需拉深力[7]，如式（2）所示：

式中：Fb為壓邊力；dm為成形部分直徑；t 為板料厚度；σb為材料抗拉強(qiáng)度；m 為拉深因數(shù)；Ψb為函數(shù)方程；Q 為成形力；μ 為模具與坯料間摩擦系數(shù)；R0為工件圓角半徑；rd為成形部分半徑。

由于上述理論計算公式較復(fù)雜，所以生產(chǎn)中常用經(jīng)驗公式[5]

式中：L 為橫截面周邊長度，L＝4756.1mm；K 為修正因數(shù)，可取0.5～0.8。計算得拉深力約為1331.7kN。拉深力的計算結(jié)果可以為后續(xù)的壓力機(jī)選擇提供依據(jù)。

2 拉深成形有限元分析及工藝優(yōu)化

2.1 有限元模型的建立

利用UG 對圖1 汽車后圍板進(jìn)行建模，通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換接口將UG 做好的IGS 模型文件導(dǎo)入到Dynaform 軟件中，得有限元分析模型如圖2 所示。

圖2 汽車后圍板有限元模型

2.2 網(wǎng)格劃分

合理的網(wǎng)格劃分將使模擬結(jié)果更接近于真實(shí)變形狀態(tài)。所以在Dynaform 軟件中網(wǎng)格劃分大小要合適，通常毛坯網(wǎng)格劃分尺寸越小，模擬的時間也就越長；網(wǎng)格尺寸越大，模擬結(jié)果準(zhǔn)確性越差。單元尺寸不能超過模具與板料成形接觸處半徑的二分之一[6]，即：

經(jīng)過多次模擬分析，將網(wǎng)格單元尺寸定為20，可在獲得較好的模擬結(jié)果的前提下節(jié)省模擬時間。

2.3 毛坯尺寸估計

在Dynaform 軟件中，利用坯料工程中的毛坯尺寸估算功能，方便快捷地得到毛坯尺寸大小，然后檢查、修補(bǔ)該零件層中的網(wǎng)格。網(wǎng)格檢查要非常嚴(yán)格，必須讓單元重疊、法向、單元尺寸和內(nèi)角檢查都通過，并且內(nèi)部沒有孔洞，否則難以算出毛坯輪廓[2]。坯料反求后得到不規(guī)則的板料外形如圖3a 所示，得出的外形不利于板料的裁剪，因此對反求結(jié)果進(jìn)行矩形包絡(luò)，得到結(jié)果如圖3b 所示。網(wǎng)格劃分后測量出坯料尺寸如圖3c 所示，將坯料尺寸圓整為1780mm×1780mm。

圖3 坯料反求結(jié)果及其包絡(luò)

2.4 確定拉深方向

模具設(shè)計中，產(chǎn)品沖壓方向選擇如圖4 所示，減少了毛坯與凸模的相對滑動，有利于毛坯變形，并提高沖壓件的表面質(zhì)量[7]。

圖4 沖壓方向

2.5 工藝補(bǔ)充部分設(shè)計

沖壓方向確定后，對汽車后圍板的形狀、輪廓和深度進(jìn)行工藝補(bǔ)充。首先要將孔洞部分進(jìn)行封閉補(bǔ)充，使零件成為無內(nèi)孔制件。由于汽車后圍板成形工序是先拉延成形然后進(jìn)行沖孔等工序，因此零件在拉延前對產(chǎn)品外部進(jìn)行工藝補(bǔ)充，設(shè)置工藝補(bǔ)充面時在節(jié)省材料前提下使其面積盡量小。綜合各方因素，為保證汽車后圍板沖壓成形質(zhì)量，所創(chuàng)建的工藝補(bǔ)充面如圖5 所示。

圖5 工藝補(bǔ)充后

2.6 CAE 模擬結(jié)果分析

將運(yùn)動形式定義為Single action (inverted draw)與Lower Tool Available，坯料材料參數(shù)按照Q235 設(shè)置，料厚為1.0mm。現(xiàn)工件與材料已定，因此主要探討壓邊力對板料成形的影響。

當(dāng)壓邊力大小恒定為160kN 時結(jié)果如圖6a 所示，可明顯看出板料成形不充分，但邊緣深色表示起皺較為嚴(yán)重，變形后板料最薄處為0.916mm，減薄率為8.4%，最厚處為1.09mm，增厚率為9%。在平面應(yīng)力作用下，材料的板厚方向由于外力壓縮因素（σ、τ中的負(fù)應(yīng)力）的存在而可能引起不穩(wěn)定[8]。這是因為在拉深過程中壓邊力過小而無法阻止金屬流動引起的邊緣起皺。因此，要適當(dāng)加大壓邊力。

將壓邊力增大到600kN時，可以從模擬結(jié)果的成形極限圖6b 中看到紅色部分，表示出現(xiàn)了拉裂現(xiàn)象，拉裂現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于壓邊力過大而阻礙了材料在成形過程中的流動，但是依然存在成形不充分和起皺的地方。從分析結(jié)果可得出板料的最薄處為0.689mm，減薄率為31.1%，最厚處為1.034mm，增厚率為3.4%。

圖6 成形極限圖

從模擬結(jié)果動畫中可以觀察到拉裂現(xiàn)象出現(xiàn)在后面的成形過程中，因此要嘗試在成形過程中采用變壓邊力[9]。時間—壓邊力曲線如圖7 所示，其中曲線1 為壓邊力隨時間呈線性增加；曲線2 為線性增加到600kN，保持0.6s 之后再線性減小到0；曲線3為按正弦曲線變化；曲線4 為按指數(shù)函數(shù)趨勢增大；曲線5 為階梯性變化的曲線。

圖7 時間—壓邊力曲線

將編輯好的時間—壓邊力曲線導(dǎo)入Dynaform中，得到與圖6 相似的成形極限圖，依舊有起皺和拉裂現(xiàn)象出現(xiàn)，各壓邊力條件下的減薄率與增厚率如表2 所示。從分析結(jié)果可以看出，拉深結(jié)束時壓邊力較大時，材料的減薄率就大，則拉深件出現(xiàn)拉裂的趨勢越明顯；當(dāng)拉深開始階段壓邊力較小時，拉深件起皺現(xiàn)象越明顯，這是由于前期壓邊力過小，無法抑制材料的流動，從而引起材料的堆積而起皺。因此，僅靠調(diào)節(jié)壓邊力來改善零件質(zhì)量是不容易實(shí)現(xiàn)的，并且壓邊力變化越復(fù)雜對壓力機(jī)的要求就越高。

表2 不同壓邊力條件下板厚變化情況

為此，需要尋求另一種途徑來改善成形結(jié)果。現(xiàn)采取加局部拉延筋的措施。拉深筋可以在起皺處起到限流（阻止金屬流動）的作用，從而實(shí)現(xiàn)在壓邊力較小的情況下避免起皺現(xiàn)象的發(fā)生，同時也減小了出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象的可能。

由于外壓料面是不規(guī)則的曲面，在Dynaform 軟件中通過偏置生成拉延筋曲線的操作步驟非常繁瑣，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在CAD 軟件Pro/E 中生成拉延筋曲線，如圖8 所示。并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Dynaform 軟件，與上述五種不同形式的變壓邊力協(xié)同作用，成形質(zhì)量得到一定提高。成形極限圖9 顯示了拉深筋協(xié)同曲線2 變化形式的壓邊力的分析結(jié)果，從中可以看出成形結(jié)果得到了很大改善，沒有拉裂現(xiàn)象出現(xiàn)，主成形部分也沒有起皺情況發(fā)生。雖然法蘭部分有些許起皺，但這些不影響零件的性能，法蘭部分要在后續(xù)的工序中切除。

圖8 導(dǎo)入的拉延筋曲線

圖9 加拉延筋的成形極限圖

如圖10 所示厚度變化圖，從中可以直觀地看出板料各個部位的厚度變化。在后圍板中部出現(xiàn)了少許黃色區(qū)域，這里是變薄最為嚴(yán)重的區(qū)域。變薄之后板料厚度為0.837mm，變薄率為15.3%，減薄量在30%以內(nèi)，不會發(fā)生破裂，關(guān)鍵部分屬于安全成形區(qū)域[10]。最厚區(qū)為1.06mm，起皺不嚴(yán)重。最終的變形是可以接受的。由成形極限圖和厚度變化圖可知，經(jīng)過適當(dāng)調(diào)節(jié)壓邊力大小和設(shè)置拉延筋參數(shù)，可以獲得良好的成形結(jié)果。

圖10 最終厚度變化圖

汽車后圍板屬于小曲率淺拉深件，卸載后必定會產(chǎn)生回彈，如圖11 所示，材料性能、變形過程中的力學(xué)特性和模具結(jié)構(gòu)直接影響零件的回彈量大小。回彈研究中截面法是最常用的一種方法，在零件重要部位截取剖面，然后沿用2D 沖壓件回彈的評價方法衡量其回彈量大小[11]。汽車后圍板采用材料已定，要控制回彈大小只能改變其所受力學(xué)特性。力的加載路徑不同，沖壓完成后零件的回彈值也就不同。

圖11 回彈的產(chǎn)生

在上述1、3、5 變壓邊力以及600kN 恒定壓邊力四種條件下進(jìn)行有限元分析，取后圍板一橫截面得工件回彈如圖12 所示。現(xiàn)取回彈前后夾角以及端點(diǎn)位移差來表示回彈量的大小，圖13 顯示了不同條件下的回彈角和端點(diǎn)位移值。

圖12 不同壓邊力條件下的回彈

圖13 不同壓邊力條件下回彈量

壓邊力為恒定600kN 時回彈角最小，但工件出現(xiàn)了拉裂，其端點(diǎn)位移產(chǎn)生了很大變化；當(dāng)壓邊力按曲線5 變化時回彈現(xiàn)象最明顯；當(dāng)壓邊力按曲線3變化時回彈值較小，且成形質(zhì)量也較高，此種變化的壓邊力有利于提高工件成形質(zhì)量。但是，僅靠單純的調(diào)節(jié)壓邊力來控制零件整體的回彈不可行。

此外，拉深筋作為控制材料流動的一種重要方式，為了有利于變形區(qū)板料的順利成形，可以利用拉深筋來控制回彈量的大小。板料設(shè)置半圓形拉深筋，如圖14 所示，經(jīng)過3 次彎曲和反彎曲，以及與拉深筋圓角處的摩擦。板料在1、3、5 點(diǎn)發(fā)生了彎曲而產(chǎn)生彎曲力，在2、4、6 點(diǎn)發(fā)生了反彎曲而產(chǎn)生反彎曲力，a1、6b 段材料在流動過程中與壓邊圈發(fā)生摩擦而產(chǎn)生摩擦力，12、56 段與拉深筋槽圓角發(fā)生摩擦而產(chǎn)生摩擦力，34 段與拉深筋之間發(fā)生摩擦而產(chǎn)生摩擦力[10]。因此可以利用拉深筋和變壓邊力共同作用來控制回彈量的大小。

圖14 半圓形拉深筋圖

首先通過實(shí)驗對不同的拉深筋高度對回彈的大小情況進(jìn)行研究，實(shí)驗表明拉深筋越高，回彈量越小。零件成形過程中，應(yīng)力最大的位置在凹模圓角處；不同拉深筋的高度，會引起不同的應(yīng)力值[12]。但是拉深筋高度過大時，則會過度阻礙材料的流動而引起成形件的拉裂。

選取合適的拉深筋高度，拉深筋模型如圖14 所示，將恒定壓邊力及按曲線1、3、5 變化的壓邊力協(xié)同拉深筋來控制回彈，經(jīng)模擬分析得拉深件回彈如圖15 所示，圖16 顯示了不同條件下的回彈角和端點(diǎn)位移值。

圖15 變壓邊力協(xié)同拉深筋控制回彈

圖16 拉深筋協(xié)同不同壓邊力條件下回彈量

從圖中可明顯看出，在拉深成形中增加拉深筋后，恒定壓邊力和按曲線1、3、5 變化的四種壓邊力條件下回彈角度分別減小了0.59°、1.22°、0.65°、2.16°，拉深件的回彈明顯減小，成形質(zhì)量大大提高。但是，恒定壓邊力協(xié)同拉深筋控制回彈時，拉深件拉裂現(xiàn)象更加明顯，因此在按曲線3 變化的變壓邊力協(xié)同拉深筋作用時，既可得到較高的成形質(zhì)量，還可以有效控制回彈。

3 模具工藝優(yōu)化及設(shè)計

在整個產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，拉深成形是關(guān)鍵工序，并且拉深成形面積大，成形質(zhì)量要求高。汽車后圍板成形時容易出現(xiàn)回彈和扭曲，因此產(chǎn)品拉深模具的穩(wěn)定性和可靠性是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。

3.1 材料選擇

由于汽車后圍板拉深模的尺寸大，形狀復(fù)雜，凸模、凹模和壓料圈通常都采用鑄件，最終模具材料選用球墨鑄鐵QT500-7，該材料能夠滿足產(chǎn)品使用性能要求。

3.2 拉深筋設(shè)計

因在壓力機(jī)上調(diào)整沖模時，一般是不打磨拉深筋的，所以拉深筋一般裝在壓邊圈的壓料面上，而拉深筋槽設(shè)置在凹模壓料面上，以便于研配和打磨。當(dāng)壓料面就是覆蓋件本身的凸緣時，若設(shè)置有凹槽的壓料面維修容易，則拉深筋可設(shè)置在壓邊圈壓料面上，否則拉深筋應(yīng)設(shè)置在凹模壓料面上以減少凹模壓料面的損耗。

經(jīng)綜合考量，拉延筋設(shè)置如圖17 所示。

圖17 拉延筋設(shè)置

4 工藝試驗

根據(jù)汽車后圍板沖壓工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)，并對該零件進(jìn)行CAE 模擬成形分析，選擇最優(yōu)組合參數(shù)即：厚1.0mm,尺寸為1780mm×1780mm 的Q235 鋼板，設(shè)置合理的工藝補(bǔ)充面，在壓邊圈上設(shè)置如圖14 所示的半圓形拉深筋，選擇圖7 中變壓力曲線3，在10000kN 雙動壓力機(jī)上進(jìn)行沖壓實(shí)驗，通過優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，實(shí)際生產(chǎn)后的汽車后圍板外板產(chǎn)品如圖18 所示，并對沖壓產(chǎn)品進(jìn)行檢測,結(jié)果顯示產(chǎn)品區(qū)域無起皺、拉裂和成形不足，回彈值最小，變薄率和增厚率都在允許范圍。說明產(chǎn)品設(shè)置的模擬參數(shù)、產(chǎn)品模具的設(shè)計和毛坯的選取是合理的，因此實(shí)際中產(chǎn)品可以安全沖出。

圖18 實(shí)際沖壓產(chǎn)品圖

5 結(jié)論

拉深成形過程中，壓邊力加載形式不同，成形結(jié)果就不同。在壓邊力分別為恒定值及按階梯形變化、曲線形變化等不同情況下，利用CAE 軟件對某汽車后圍板的沖壓成形進(jìn)行多次有限元數(shù)值模擬分析，得到不同加載形式下的成形結(jié)果圖。經(jīng)過對成形結(jié)果圖進(jìn)行分析，拋物線形式變化的壓邊力成形質(zhì)量最好，成形結(jié)束時壓邊力越大越不利于成形。

此外，回彈對拉深件的成形質(zhì)量有重要影響，通過變壓邊力與拉深筋共同組合來控制回彈，并得出變壓邊力和拉深筋對產(chǎn)品成形的最優(yōu)組合參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對板材成形過程回彈的精確控制。最后，在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上完成了汽車后圍板拉深模的設(shè)計，為實(shí)際工件的拉深確定了合適的壓邊力和拉深筋加載方式，為拉深工藝的規(guī)劃和模具設(shè)計提供了指導(dǎo)，極大降低了產(chǎn)品開發(fā)成本，提高了模具設(shè)計效率和整體車身質(zhì)量。