某車型地板拉延模面優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉莉，江波，王肖英，黃永生

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某車型地板拉延模面優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉莉，江波，王肖英，黃永生

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

對(duì)某車型地板進(jìn)行沖壓拉延模面設(shè)計(jì)，通過(guò)軟件對(duì)創(chuàng)建的拉延模面CAE分析優(yōu)化，對(duì)過(guò)程中產(chǎn)生的破裂、起皺質(zhì)量問(wèn)題提出解決方案，優(yōu)化模面，得出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

地板；模面設(shè)計(jì)；CAE分析

KCLC NO.:U462.1Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)03-25-03

前言

隨著生活水平的提高，汽車已經(jīng)成為生活中不可缺少的交通工具，人們不僅對(duì)汽車質(zhì)量要求越來(lái)越高，對(duì)其外觀品質(zhì)的要求也在逐步提升。汽車覆蓋件是影響汽車質(zhì)量、外觀品質(zhì)中最難控制的組成部分，具有材料薄、形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大和質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，這給覆蓋件成形的關(guān)鍵工序例如拉延，提出了很高的要求，這也是車身制造技術(shù)的難點(diǎn)和關(guān)鍵。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外各大汽車制造企業(yè)都將車身外形的設(shè)計(jì)和制造能力作為衡量汽車，特別是轎車車型開發(fā)水平的重要標(biāo)志，為此，世界各國(guó)均投入了大量的人力和財(cái)力開展汽車覆蓋件設(shè)計(jì)及其制造技術(shù)的研究與開發(fā)。合理的成形模面工藝設(shè)計(jì)決定覆蓋件能否順利成形的關(guān)鍵，它將直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、成本、生產(chǎn)效率以及模具的使用壽命等方面。覆蓋件工藝設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)已成為人們研究的熱點(diǎn)。本文針對(duì)某車型地板拉延工藝進(jìn)行優(yōu)化分析，利用CAE分析軟件AUTOFORM進(jìn)行模擬優(yōu)化，得出滿足工藝的模面設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品質(zhì)量，為模具設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的保障。

1、地板拉深成型性能

圖1 零件圖

地板材質(zhì)為DC04，料厚為0.7mm，零件長(zhǎng)1244mm，寬699mm，高270mm。零件形狀較為復(fù)雜，局部R角過(guò)尖，起伏較大，拉延深度深，存在反拉伸特征，成形性較差容易產(chǎn)生起皺、破裂等質(zhì)量缺陷。在車身裝配關(guān)系方面，該零件要求有一定強(qiáng)度，周邊搭接關(guān)系復(fù)雜，產(chǎn)品表面質(zhì)量直接影響整車白車身精度，這就要求拉延充分且減薄率不超過(guò)30%的極限[1]。零件圖見(jiàn)圖1。

2、拉延模面設(shè)計(jì)的主要因素

拉延模面的設(shè)計(jì)是零件工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，是決定能否拉伸出滿意制件的先決條件，同時(shí)需考慮后續(xù)工藝的方便性，主要考慮因素包括確定沖壓方向，設(shè)置壓料面，繪制工藝補(bǔ)充，確定拉延筋布置［2］。

2.1 沖壓方向

沖壓方向設(shè)計(jì)合理與否，不但決定了能否拉延出滿意的拉延件來(lái)，而且影響到工藝補(bǔ)充部分的多少和壓料面形狀。有些形狀復(fù)雜的拉延件往往會(huì)由于沖壓方向確定不當(dāng)，而拉延不出滿意的拉延件，只好改變沖壓方向，這樣就需要修改拉延模。有些拉延模是很難或無(wú)法修改的，需重新設(shè)計(jì)和制造拉延模，同時(shí)還必須相應(yīng)地修改拉延以后的沖模，所以沖壓方向必須慎重考慮和確定。

確定沖壓方向首先應(yīng)保證凸模能夠進(jìn)入凹模。也就是保證凸模在拉伸終了時(shí)，應(yīng)能進(jìn)入拉伸件成形所要求的每一個(gè)角落，不應(yīng)出現(xiàn)凸模接觸不到的死角和死區(qū)，這樣才能夠使拉伸件成形。另外，凸模開始拉延時(shí)與拉延毛坯接觸面積要大。接觸地方要多、分散，有兩個(gè)以上的接觸地方，最好同時(shí)接觸；而且接觸地方應(yīng)靠近中間。這樣，才能保證拉伸時(shí)的應(yīng)力比較均勻，而不至于產(chǎn)生拉裂；保證材料能夠均勻拉人凹模，拉伸開始時(shí)毛坯不竄動(dòng)，拉伸不產(chǎn)生較大破穩(wěn)過(guò)程平穩(wěn)。

2.2 壓料面

壓料面是指位于凹模圓角半徑以外的那一部分坯料。壓料面的作用是在壓邊圈與凹模作用下，板料在拉深時(shí)既能合理流動(dòng)，又不會(huì)起皺破裂。從壓邊面的橫斷面看，平的壓邊面效果最好，但受覆蓋件的復(fù)雜性限制，覆蓋件的壓邊面一般設(shè)計(jì)為隨型的，其特點(diǎn)是較為貼合零件形狀，既能降低拉延深度，又便于坯料流動(dòng)，坯料能服貼地放在凹模上，從而減少工藝補(bǔ)充面。

2.3 工藝補(bǔ)充面

工藝補(bǔ)充面是拉深件不可缺少的組成部分，但在后續(xù)修邊工序中要被切除，成為工藝廢料。根據(jù)所起的作用不同，工藝補(bǔ)充面可以分為三種類型：為折邊、翻邊和凸緣展開后的過(guò)渡而增加的工藝補(bǔ)充面；為改善覆蓋件的拉深條件而增加的工藝補(bǔ)充面；為增強(qiáng)覆蓋件剛度而增加的工藝補(bǔ)充面。所以，在保證覆蓋件能順利成形的前提下，應(yīng)盡量減小工藝補(bǔ)充面，以提高板料利用率。若工藝補(bǔ)充面過(guò)大，不僅浪費(fèi)材料，而且牽制了坯料的流動(dòng)，增加了變形阻力，使得制件成形時(shí)破裂的可能性加大，這是應(yīng)該避免的。工藝補(bǔ)充面的設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮拉延成形時(shí)坯料材料的流動(dòng)和補(bǔ)充狀況、壓料面的形狀和位置、制件的成形精度和定位要求、修邊工序的工藝要求等。

2.4 拉延筋的設(shè)置

在汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)中，拉深方向，工藝補(bǔ)充部分和壓料面的形狀是決定能否拉深出滿意制件的先決條件，而拉深筋的設(shè)置則是必要條件，拉深筋的作用主要是增大全周或局部的材料變形阻力以控制材料的流入，提高制件的剛性，同時(shí)它也是防止覆蓋件起皺和開裂最有效的方法。在拉深成形過(guò)程中，毛坯的成形需要一定大小且沿周邊適當(dāng)分布的拉力，這種拉力來(lái)自沖壓設(shè)備的作用力、法蘭部分毛坯的變形抗力和壓料面的作用力。利用拉深筋可以在較大范圍里控制變形區(qū)毛坯的變形大小和變形分布，抑制破裂、起皺、面畸變等多種沖壓質(zhì)量問(wèn)題的產(chǎn)生?？梢哉f(shuō)，在很多情況下，拉深筋設(shè)置的是否合理甚至決定著沖壓成形的成敗。拉延筋的設(shè)置增大了進(jìn)料阻力，有利于使毛坯產(chǎn)生較大的塑性變形，提高沖壓件的剛度和減少由于變形不足而產(chǎn)生的回彈、扭曲、松弛、波紋及收縮等；防止拉深成形時(shí)的畸變和起皺，同時(shí)通過(guò)拉深筋時(shí)也能對(duì)拉深筋外側(cè)已經(jīng)起皺的板料進(jìn)行較平。

3、地板拉延模面設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析

3.1 方案一模型建立及CAE分析

根據(jù)地板形狀在UG進(jìn)行三維建模，具體步驟如下：

3.1.1 確定沖壓方向

選擇零件重心（1804,0,148）作為中心點(diǎn)做平行于車身坐標(biāo)系的XYZ軸，做一條與Z軸重合的直線，為降低拉延深度、后續(xù)修邊的方便性及負(fù)角出現(xiàn)，將直線繞X軸旋轉(zhuǎn)21度即與z軸夾角21度方向作為拉延方向；

3.1.2 確定壓料面

由于零件存在高低差，為保持拉延深度一致，采用隨型壓料面；

3.1.3 確定工藝補(bǔ)充

由于地板周圈配合件較多，零件質(zhì)量尤為重要，若采用全開口拉延，直面易起皺，零件質(zhì)量不易保證，影響車身精度。在此工藝補(bǔ)充部位將翻邊展開，局部起臺(tái)階、余肉，控制材料流入速度，后進(jìn)行圓角光順，球化尖角；

3.1.4 設(shè)置拉延筋

將分模線向外偏移15-20mm，深度及寬度設(shè)置根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及分析結(jié)果合理優(yōu)化設(shè)計(jì)［3］。根據(jù)此種方案，地板拉延模面設(shè)計(jì)方案1見(jiàn)圖2。

將建好的模型導(dǎo)入CAE分析軟件AUTOFORM進(jìn)行工具設(shè)計(jì)，坯料工程設(shè)計(jì)，拉延筋設(shè)計(jì)等［4］，通過(guò)優(yōu)化壓邊力、摩擦條件、板料尺寸、拉延筋參數(shù)等的優(yōu)化設(shè)計(jì)［5］，得出最優(yōu)分析結(jié)果，方案1分析結(jié)果見(jiàn)圖3。

2-1 模面設(shè)計(jì)模型

2-2 CAE分析結(jié)果

圖2 方案一

由圖2-2，2-3分析結(jié)果可以看出局部R角部分減薄率過(guò)高，大于30%，暗傷及開裂風(fēng)險(xiǎn)存在，解決板料開裂的主要措施有選擇合理的板料形狀和尺寸；減少壓邊力；調(diào)整拉伸間隙，使間隙變大且均勻；增加凹模圓角半徑；改善潤(rùn)滑條件；修正拉延筋的形狀、參數(shù)以及布局；選擇強(qiáng)度指標(biāo)較高的材料等。但此種設(shè)計(jì)方案，在工藝上通過(guò)調(diào)整坯料尺寸，減少壓邊力，優(yōu)化工藝補(bǔ)充，余肉大小，拉延筋等工藝性參數(shù)都無(wú)法解決。

此時(shí)可以提交ECR向產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門反饋問(wèn)題將尖點(diǎn)處R角球化或三角面處理，但由于此處考慮焊點(diǎn)信息、搭接件問(wèn)題，已無(wú)法優(yōu)化，零件材質(zhì)為滿足車身輕量化，整車碰撞性能等要求，亦不可更換。

3.2 方案二模型建立及CAE分析

針對(duì)方案一開裂無(wú)法解決的問(wèn)題，針對(duì)地板設(shè)計(jì)，采用半開口拉延方式，由于圖3-1，1處部分落差較大是導(dǎo)致方案一破裂的主要原因，此處為解決這一問(wèn)題采用開口拉延，利用UG具體建模步驟確定以車身坐標(biāo)Z向?yàn)闆_壓方向；采用隨型壓料面；工藝補(bǔ)充部分為保證零件質(zhì)量，做出凹坑造型圖3-1,2處控制材料流動(dòng)，立面圖3-1,1處設(shè)置為開口拉延，圖3-1,3處增加余肉造型；拉延筋為保證立面尖角處不開裂，立面處不設(shè)置拉延筋，其余部分按分模線偏移15-20mm設(shè)計(jì)。UG建模方案見(jiàn)方案二圖3-2模面設(shè)計(jì)，將文件轉(zhuǎn)換為IGS文件導(dǎo)入CAE分析軟件AUFORM中進(jìn)行模擬分析。

圖3 方案二

由方案二分析結(jié)果3-3可以看出開裂風(fēng)險(xiǎn)已解決，且成型效果佳，可以滿足CAE需求。后續(xù)工作將以此模面進(jìn)行模具設(shè)計(jì)工作，將設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)降到最低，為制造出合格的沖壓件做準(zhǔn)備。針對(duì)此方案進(jìn)行后工序工藝設(shè)計(jì)，為保證產(chǎn)品后續(xù)工藝的可行性，模具強(qiáng)度及零件最終質(zhì)量，確定最終工藝內(nèi)容：拉延（DR），修邊沖孔(TR+PI)，修邊側(cè)修邊沖孔(TR+CTR+PI)，翻邊整形(FL+RST)，見(jiàn)圖4-1，最終產(chǎn)品CAE分析結(jié)果見(jiàn)圖4-2。

圖4

4、地板拉延模面優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)物驗(yàn)證及總結(jié)

零件通過(guò)CAE分析通過(guò)優(yōu)化拉延模面設(shè)計(jì)，解決產(chǎn)品開裂問(wèn)題，為后續(xù)合理的工藝及模具設(shè)計(jì)提供有力保障。

現(xiàn)階段該產(chǎn)品已完成批量生產(chǎn)，產(chǎn)品驗(yàn)證效果良好，無(wú)開裂暗傷，實(shí)物圖見(jiàn)圖5。

圖5

[1] 陳文亮．板料成形CAE分析教程[M].北京∶機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2] 崔令江.汽車覆蓋件沖壓成形技術(shù)[M].北京∶機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[3] 師蕊. 拉延筋在汽車覆蓋件成型工藝中的合理應(yīng)用[J]. 模具工程, 2012（12）.

[4] 韓玉強(qiáng) 李飛洲. 基于Autoform的轎車引擎蓋板沖壓成形的仿真[ J ]. 熱加工工藝.2010（17）.

[5] 孫曉.基于ETA/DYNAFORM的某車型前圍內(nèi)板拉延模面優(yōu)化設(shè)計(jì)[ J ].新技術(shù)新工藝.2013（7）.

A car floor drawing die-face optimum design

Liu Li, Jiang Bo, Wang Xiaoying, Huang Yongsheng
( Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

a car floor for stamping drawing die face design, through software to create drawing die CAE analysis of optimization, the process of rupture, corrugate quality problem solutions, optimization of mold surface, it is concluded that the optimal design scheme.

the floor; Die face design; CAE analysis

U462.1

A

1671-7988(2017)03-25-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.03.010

劉莉（1989-），女，中級(jí)工程師，就職于安徽江淮汽車技術(shù)中心，從事汽車沖壓工藝技術(shù)開發(fā)與研究。