汽車后側(cè)門覆蓋件的CAE分析和模具設(shè)計(jì)

向浩

摘 要：采用CAE軟件對汽車后側(cè)門覆蓋件的工藝進(jìn)行了分析，詳細(xì)闡述了汽車后側(cè)門覆蓋件的CAE模具設(shè)計(jì)流程，以及在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意到的影響因素。在汽車覆蓋件沖壓模具設(shè)計(jì)中采用CAE軟件技術(shù)，能得到較為準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)結(jié)果，從而提高汽車覆蓋件模具的設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。

關(guān)鍵詞：汽車覆蓋件；CAE；模具設(shè)計(jì)；載荷

中圖分類號：TG385 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.24.065

對于汽車覆蓋件而言，可采用更薄的材料和更多的樣式，甚至可設(shè)計(jì)出具有空間曲面的外形，它比以往的上沖壓件具有更優(yōu)質(zhì)的特性，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，工藝零件質(zhì)量要求更高。傳統(tǒng)的上循環(huán)設(shè)計(jì)工藝對設(shè)計(jì)人員有較高的要求，設(shè)計(jì)效率較低，且傳統(tǒng)的計(jì)算方法很難滿足現(xiàn)有模具設(shè)計(jì)的要求。覆蓋件成形是復(fù)雜的力學(xué)過程，涵蓋了線性和非線性過程。在理論和實(shí)際設(shè)計(jì)中，覆蓋件成形過程一直是設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。在覆蓋件成形仿真過程中，可提前模擬各種參數(shù)數(shù)據(jù)對成形過程的影響作用，且在覆蓋件板材成形的過程中可得到所需要的載荷，效果比較直觀。因此，CAE技術(shù)非常適合用于汽車覆蓋件設(shè)計(jì)。一方面，采用該技術(shù)可檢測并修正模具設(shè)計(jì)中的錯誤，從而提高模具設(shè)計(jì)階段的準(zhǔn)確性；另一方面，采用該技術(shù)有利于縮短設(shè)計(jì)周期，從而提高加工企業(yè)的市場競爭力。

1 汽車后側(cè)門的拉延成形

汽車側(cè)門板屬于淺拉伸件的一種，汽車覆蓋件的質(zhì)量會決定其品質(zhì)。覆蓋件的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)為光滑、平順、形狀明確、整體剛度較高，覆蓋件上沒有褶皺、凹凸和拉痕等問題。汽車側(cè)門覆蓋件成形是通過拉延成形的，即用模具將板料拉延成形，拉延是非常重要的沖壓工藝之一。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜時，可采用拉延成形技術(shù)。其他沖壓工藝不能替代拉延工藝的原因是拉延工藝能大大提高生產(chǎn)效率，且生產(chǎn)的零件強(qiáng)度、剛度、精度高。本文采用拉延方法制造汽車后側(cè)門覆蓋件。

考慮到汽車后側(cè)門覆蓋件成形時，凸模表面與毛坯大面積接觸會形成較淺的拉深深度，在一定平面上的拉應(yīng)力較小，工藝零件材料變形不足，進(jìn)而導(dǎo)致材料應(yīng)有的剛度不足，本設(shè)計(jì)采用脹形變形的方式，并考慮到了門窗處材料正常拉延成形的效果。

2 汽車后側(cè)門模具分析

在具體應(yīng)用拉延模具設(shè)計(jì)時，應(yīng)保證有適當(dāng)?shù)睦铋g隙，凸模和凹模的直徑應(yīng)根據(jù)具體參數(shù)設(shè)置，并在合適的位置使用合適的壓邊力，脹形的增加可逐步提高拉延筋的個數(shù)。汽車覆蓋件后側(cè)門的拉延深度不足時，可使用拉延力度較大的方法促進(jìn)成形。一方面，應(yīng)保證覆蓋件沒有磨痕；另一方面，應(yīng)提高成形質(zhì)量。一定要注意工藝件的拉延方向，從而實(shí)現(xiàn)較好的拉延效果。在處理后側(cè)門拉延深度時，應(yīng)合理設(shè)計(jì)工藝補(bǔ)充面的深度，且保證模具中的材料能正常流動。在材料完全進(jìn)入模具后，要確保材料的無縫對接。

車門外板在拉延成形時會遇到許多問題，且這些問題會直接對拉延效果造成不利影響。在具體的拉延成形仿真中，可通過模擬該過程發(fā)現(xiàn)其中的問題，并找到解決辦法，從而不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)思路，減少設(shè)計(jì)中的失誤，避免因設(shè)計(jì)問題而導(dǎo)致的沖壓變形。此外，材料質(zhì)量、成形數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果等會影響模具的質(zhì)量。

3 汽車覆蓋件模具制作CAE分析流程

目前，各行業(yè)都已運(yùn)用了計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)。機(jī)械設(shè)計(jì)流程的核心是CAE技術(shù)。該技術(shù)具有很多特點(diǎn)，比較典型的包括：側(cè)重于計(jì)算能力的提升，采用專業(yè)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，可確保工藝零件產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可操作性；在設(shè)置參數(shù)時，可不斷調(diào)整設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，快速找到工藝件的最佳配置方案；采用虛擬流程，仿真實(shí)現(xiàn)不同的結(jié)果，從而發(fā)現(xiàn)成形流程中的不足。本設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)軟件仿真，能直觀地分析覆蓋件沖壓成形過程，分析過程包括確定沖壓方向、設(shè)計(jì)壓料面和設(shè)置延筋等。具體分析過程分為以下4步：①在PRE三維建模軟件中建立成形前的曲面模型，然后將零件模型傳到仿真軟件中，并重新設(shè)定零件的連接方式和連接間隙，設(shè)定依據(jù)來源于沖壓設(shè)備的拉延類型。②根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具體分格，形成有效的網(wǎng)格模型。如果未設(shè)計(jì)完全補(bǔ)充面，則可采用軟件補(bǔ)充漏掉的部分。部分計(jì)算機(jī)仿真軟件的網(wǎng)格化功能無法滿足求解器的要求，因此，在網(wǎng)格劃分完畢后，首先應(yīng)檢查網(wǎng)格的質(zhì)量。③定義成形工具，設(shè)計(jì)參考模型，選擇恰當(dāng)?shù)哪Ｐ秃驮O(shè)計(jì)流程，并計(jì)算相應(yīng)數(shù)據(jù)；利用計(jì)算機(jī)軟件仿真成形過程，提前估計(jì)模具的外形，逐步形成外部尺寸，并得到網(wǎng)格單元模型，從而為下一步分析做好準(zhǔn)備。④如果存在金屬流動不暢、金屬壁面褶皺等情況，則可設(shè)置拉延筋提高零件的沖壓質(zhì)量，即確定精度較高的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)具體的參數(shù)設(shè)定拉延過程，但采用該做法比較費(fèi)時、費(fèi)力。為了提高拉延效率，可建立計(jì)算效率較高的數(shù)學(xué)模型，采用相同的約束因素來延緩拉延過程，目前，這種做法是比較實(shí)用的，應(yīng)用非常廣泛。本設(shè)計(jì)中，采用了同比同效拉延筋的方法，并根據(jù)得到的參數(shù)調(diào)整設(shè)計(jì)，包括如何在拉延過程中減少誤差、確定時間步長等。

4 模具CAE仿真過程

為了提高模具拉延成形的效率，對模具的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)和重點(diǎn)分析。對模具外表面的要求為：不能出現(xiàn)褶皺、視覺效果流暢，壓料面平順、光滑和盡量簡單化。要想保證壓料面各部分進(jìn)料阻力均衡、穩(wěn)定，就要合理地設(shè)計(jì)工藝懸著壓料面和拉伸方向。根據(jù)上述分析和設(shè)計(jì)原則，本次設(shè)計(jì)中的模具表面為曲面，模具的曲率和零件的曲面率一致。實(shí)際應(yīng)用的材料為36號材料，編號為A009。A009材料強(qiáng)度較高，能滿足各種厚度板料的加工需求。仿真結(jié)果分析：在設(shè)計(jì)初期確定了拉延筋結(jié)構(gòu)，并用仿真軟件對仿真過程進(jìn)行了初步分析，得到仿真結(jié)果后進(jìn)行了仿真結(jié)果分析，得到了拉延筋的形象圖，可明顯地看到在零件邊緣有破裂。在本次設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，減弱壓邊力后，零件的破裂程度降低，但會導(dǎo)致零件邊緣表面出現(xiàn)褶皺。因此，要想同時保證產(chǎn)品邊緣沒有明顯的破裂和褶皺，就需要不斷修改壓邊力的數(shù)值。在不斷修改的過程中發(fā)現(xiàn)，問題主要發(fā)生在產(chǎn)品邊緣地帶。雖然破裂和褶皺是因壓邊力不一致而產(chǎn)生的，但在調(diào)整壓邊力時候不能單純地只調(diào)整這一個因素，還需要考慮到模具內(nèi)、外結(jié)構(gòu)，沖壓方向等因素。因此，如果要想解決上述問題，就要修正拉延筋，將圓弧處改為二級拉延結(jié)構(gòu)，并在直邊處只設(shè)置一級拉延，從而解決產(chǎn)品邊緣破損的問題。本次設(shè)計(jì)主要以脹形為主，因此，在具體設(shè)計(jì)過程中可創(chuàng)造比較流暢的成形條件。重新仿真后發(fā)現(xiàn)，采用上述解決辦法在材料成形后，基本上沒有出現(xiàn)破裂和褶皺現(xiàn)象，產(chǎn)品具有良好的外形，在產(chǎn)品的重點(diǎn)區(qū)域不存在較大的問題。

5 汽車模具的設(shè)計(jì)過程

設(shè)計(jì)完成后要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，會開展具體的模具設(shè)計(jì)流程，并在后續(xù)的成形過程中逐漸修改相關(guān)數(shù)據(jù)。汽車側(cè)門的模具分為3種，即凸模具、凹模具和壓邊模具。凸模具的外側(cè)形狀決定了汽車側(cè)門板的外部尺寸，進(jìn)而決定了模具的成形質(zhì)量；凹模具是通過凹模圓角拉延成形的；壓邊圈的作用是將物質(zhì)壓入模具中，其運(yùn)動方式為自上而下，在下降至最底端后始終保持最下端的狀態(tài)，凸模具隨之向下運(yùn)動，下降至底端后，拉延毛坯順著凹模的一角進(jìn)入模具中，然后快速拉延成需要的外形。在上述流程結(jié)束后，凸模具、壓邊圈不斷向上回動，最終順利彈出。

6 結(jié)束語

綜上所述，汽車覆蓋件拉延成形是一個復(fù)雜的過程。本文以CAE技術(shù)為主導(dǎo)，仿真了覆蓋件拉延成形的全部過程。汽車覆蓋件模具CAE分析改變了傳統(tǒng)工藝，使模具設(shè)計(jì)不斷改進(jìn)，沖壓工藝逐漸被定量。從沖壓工藝上講，可經(jīng)過眾多試驗(yàn)得到重要的沖壓參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了模具的自動設(shè)計(jì)，從而降低了各種資源的消耗。實(shí)踐證明，汽車覆蓋件設(shè)計(jì)中使用CAE技術(shù)，可以有效提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

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〔編輯：張思楠〕