利用CAE技術(shù)對(duì)汽車覆蓋件沖壓生產(chǎn)的研究

劉中華，胡毅光，王英姿

（湘潭醫(yī)衛(wèi)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411104）

1 汽車覆蓋件及CAE和有限元設(shè)計(jì)理論

（1）汽車覆蓋件。汽車覆蓋件是指覆蓋汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、構(gòu)成駕駛室、車身等金屬薄板制成的空間形狀的表面或內(nèi)部零件。按功能和部位可分為外部覆蓋件、內(nèi)部覆蓋件和骨架覆蓋件三類。汽車覆蓋件在工藝設(shè)計(jì)、模具加工、設(shè)備選擇及質(zhì)量控制（尺寸公差、形狀精度、零件剛度、表面質(zhì)量）等方面都具有與一般沖壓零件不同的特點(diǎn)。

（2）CAE和有限元。汽車覆蓋件的設(shè)計(jì)制造需應(yīng)用此分析計(jì)算工具與方法。CAE（ComputerAidedEngineering）是用計(jì)算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計(jì)算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題的一種近似數(shù)值分析方法。有限元方法的基本思想是將結(jié)構(gòu)離散化，用有限個(gè)容易分析的單元來表示復(fù)雜的對(duì)象，單元之間通過有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合求解。由于單元的數(shù)目是有限的，節(jié)點(diǎn)的數(shù)目也是有限的，所以稱為有限元法。

2 汽車覆蓋件沖壓成形工藝特點(diǎn)

汽車覆蓋件沖壓成形的基本工序有：落料、預(yù)彎、拉延、修邊、沖孔、翻邊、整形等。典型結(jié)構(gòu)的汽車覆蓋件一般需要4~6道工序，并可根據(jù)需要將一些工序合并，如落料拉延、修邊沖孔、翻邊整形等。與一般沖壓件比較，覆蓋件具有材料薄、形狀復(fù)雜、多為空間曲面、結(jié)構(gòu)尺寸大和表面質(zhì)量高等特點(diǎn)，因此覆蓋件的沖壓工藝、模具設(shè)計(jì)和模具制造工藝也有其獨(dú)特的特點(diǎn)：①覆蓋件在拉延時(shí)毛坯的變形甚為復(fù)雜，各處的應(yīng)力很不均勻，故不能按一般拉延件那樣用拉延系數(shù)來簡單判斷和計(jì)算它的拉延次數(shù)和拉延可能性。②覆蓋件在拉延時(shí)要求進(jìn)料阻力均勻，因此拉延模應(yīng)在材料容易流動(dòng)的地方多加拉延筋，而在材料不易流動(dòng)的地方不加或減少拉延筋甚至增加潤滑。③有些深度淺的覆蓋件拉延時(shí)材料得不到充分的變形，容易起皺，且剛性不夠。這時(shí)需采用拉延檻來加大壓邊圈下材料的流動(dòng)阻力，使拉延時(shí)材料得到充分的塑性變形，保證覆蓋件修邊后彈性變形小，剛性也好，以消除“鼓膜狀”的缺陷。④大部分覆蓋件需要的拉延力和壓料力都較大，因此在大量生產(chǎn)中，這類覆蓋件的拉延工序都采用雙動(dòng)壓力機(jī)。⑤覆蓋件的復(fù)雜空間曲面單靠覆蓋件圖是無法完全表示出來的，還必須依賴模型。主模型是制造覆蓋件模具的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)又是覆蓋件檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)樣品。⑥大部分覆蓋件模具的工作部分是復(fù)雜的空間曲面，而且對(duì)尺寸精度和表面粗糙度的要求高，要用特制的工藝補(bǔ)充部分，主模型和樣架在仿形銑床上加工，然后修研，其制造工藝復(fù)雜且制造周期長，同時(shí)大部分覆蓋件的模具輪廓尺寸大，需要有大型的加工設(shè)備。⑦覆蓋件各工序的模具依賴性大，模具的調(diào)整工作量也大，特別是拉延模的調(diào)整，是最復(fù)雜，最困難的。只有通過拉延模的調(diào)整，拉延出合格的拉延件之后，才能投入其他工序的模具設(shè)計(jì)和制造。覆蓋件拉延毛坯的外形尺寸和拉延件的修邊尺寸都需要通過試驗(yàn)確定。⑧為保證覆蓋件在拉延時(shí)能經(jīng)受最大限度的變形而不至于產(chǎn)生破裂，對(duì)原材料的機(jī)械性能、金相組織、化學(xué)成分、表面質(zhì)量和厚度精度都提出很高很嚴(yán)的要求。

3 汽車覆蓋件沖壓成形過程的模擬及分析

以DYNAFORM軟件為例，探討成形過程的模擬及分析。DYNAFORM是由美國工程技術(shù)聯(lián)合公司開發(fā)的一個(gè)的板料成形模擬軟件。它主要應(yīng)用于板料成形工業(yè)中模具的設(shè)計(jì)和開發(fā)，可以幫助模具設(shè)計(jì)人員顯著減少模具開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)間和試模周期。DYNAFORM不但具有良好的易用性，而且包括了大量的智能化工具，可方便地求解各類板料成形問題。同時(shí)，DYNAFORM也最大限度地發(fā)揮了傳統(tǒng)CAE技術(shù)的作用，減少了產(chǎn)品開發(fā)的成本和周期。

（1）前處理。①覆蓋件數(shù)值模擬分析的幾何建模。分析模型的幾何建模需要完成沖壓件以及沖壓工藝補(bǔ)充（工藝補(bǔ)充面、拉延筋等）的幾何建模。通常數(shù)值模擬軟件不具備復(fù)雜建模的功能，也就很難得到其精確的有限元離散模型用于沖壓成形數(shù)值模擬分析。因此為了得到精確的沖壓件及其工藝補(bǔ)充的幾何模型，必須借助專業(yè)的CAD軟件對(duì)其進(jìn)行幾何建模。②覆蓋件沖壓成形數(shù)值模擬分析的有限元建模。分析模型的有限元建模過程包括：完成對(duì)幾何模型的有限元離散化，生成對(duì)應(yīng)的沖壓模具及板料有限元模型；定義沖壓模具的分析參數(shù)；定義板料的材料模型參數(shù)及分析單元的屬性參數(shù)，定義板料的邊界約束條件等。

（2）求解。前處理完成后，提交給求解器。不同類別的成形過程采用不同的求解算法。對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)成形過程，應(yīng)盡可能選用靜力算法求解，以避免采用動(dòng)力算法時(shí)人為的引入慣性效應(yīng)，同時(shí)靜力算法求得的應(yīng)力場(chǎng)也更為準(zhǔn)確，有利于回彈預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。對(duì)于高速成型過程，采用動(dòng)力算法求解，以便考慮慣性效應(yīng)的影響；另外，對(duì)于靜力算法不易收斂的準(zhǔn)靜態(tài)問題（如復(fù)雜覆蓋件沖壓成形），也可利用動(dòng)力算法對(duì)強(qiáng)非線性問題的強(qiáng)大處理能力進(jìn)行求解，但要仔細(xì)考慮慣性效應(yīng)帶來的誤差。

（3）后處理。后處理通常是通過讀入分析結(jié)果數(shù)據(jù)文件激活的。分析軟件的后處理模型能提供零件變形形狀、模型表面或任意剖面上的應(yīng)力應(yīng)變分布云圖、變形過程的動(dòng)畫顯示、選定位置的物理量與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系曲線、沿任意曲線路徑的物理量分布曲線等，使用戶能方便的理解模擬結(jié)果。除此以外，成型軟件的后處理模塊還提供了一些專門的手段用以測(cè)量成型質(zhì)量和成型缺陷，如沖壓模擬中的成型極限圖顯示零件各部分的安全裕度，光照效果圖顯示零件的起皺等表面缺陷。

4 結(jié)語

汽車覆蓋件的形狀多樣性和成形復(fù)雜性，單純依靠傳統(tǒng)方式進(jìn)行反復(fù)試模修模，會(huì)產(chǎn)生很大的浪費(fèi)。采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真分析軟件（如DYNAFORM）和有限元理論，結(jié)合前人總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，在仿真中直觀地了解板料沖壓成形過程，通過后處理對(duì)存在的缺陷進(jìn)行改正，減少了實(shí)際生產(chǎn)模具試模和修模的次數(shù)，在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，指導(dǎo)設(shè)計(jì)修改方案，縮短了模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期，降低設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本，對(duì)汽車覆蓋件的模具生產(chǎn)制造意義重大。