CAE驅(qū)動的轎車橫梁拉延工藝模面設計

陳學健，黃昭明，王　利，，胡李勇

(1.阜陽職業(yè)技術(shù)學院工程科技學院，安徽 阜陽 236031；2.河海大學文天學院機械工程系，安徽 馬鞍山 243031；3.宣城職業(yè)技術(shù)學院 機械與汽車工程系，安徽 宣城 242000)

0　引言

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，目前已經(jīng)實現(xiàn)了CAD和CAE技術(shù)的協(xié)同配合來完成模面設計。相關(guān)研究表明：實施CAE驅(qū)動的模面設計可以歸納為兩種方式：一種是直接在CAD設計軟件中設計工藝補充面和壓料面，然后導入CAE仿真軟件中分析成形性，最后根據(jù)仿真結(jié)果再回到CAD軟件中修改模面[1]；另一種是在CAE分析軟件中生成壓料面和工藝補充面并仿真分析，等仿真結(jié)果滿意后，最后在CAD軟件中進行模面造型[2-3]。

在目前零件更改頻繁、模具設計周期縮短的背景下，CAE全程介入的設計方法可以更快速地反饋零件設計的缺陷，更高效地設計出符合模具制造要求的模面[4]。以某型轎車橫梁為研究對象，應用CAE軟件AutoForm全程驅(qū)動其拉延工藝模面設計[5]，以生成曲面質(zhì)量較高，方便輸出與CAD系統(tǒng)協(xié)同的曲面構(gòu)建。

1　模面設計流程

模面工程的基本功能是為沖壓成形仿真提供沖壓成形模具設計工具，由此，對拉延成形凹模型面及模具結(jié)構(gòu)進行校核與優(yōu)化。模面設計一般有零件準備、確定沖壓方向、生成壓料面、生成工藝補充面幾個主要步驟。模面設計的主要流程，如圖1所示[6]。

圖1　模面設計主要流程

2　模面設計準備

2.1　起始點及沖壓方向定義

對零件模面設計之前，需要分析該零件包含的特征及其對應的成形工藝。圖2所示的轎車橫梁為左、右件且完全對稱，考慮到材料的利用率和生產(chǎn)效率，采用左、右件合并、一模雙件的形式進行模面設計。

2.1.1單件起始點及沖壓方向定義

導入零件的CATIA三維數(shù)模，設置網(wǎng)格劃分參數(shù)為容錯公差0.05 mm、最大邊長30 mm，并對零件起始點和沖壓負角進行定義。零件導入后的初始Tip狀態(tài)，如圖3所示。圖中色條包括安全、臨界與嚴重3種狀態(tài)。

圖2　轎車橫梁CATIA三維數(shù)模

通過零件重心定義沖壓起始點，然后選取Average normal進行沖壓方向的調(diào)整，通過手工布局分別選擇繞X軸、Y軸、Z軸轉(zhuǎn)動調(diào)整，至零件區(qū)域均為綠色且零件的上平面和XY平面平行為止。最后對起始點坐標和旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)進行圓整，零件最終Tip狀態(tài)，如圖3所示。Tip狀態(tài)的參數(shù)單件起始點XYZ-origin為(1 960.00，-780.00，670.00)，沖壓方向XY′Z″-rotation為(-110.00°，-1.00°，-2.50°)。

圖3　初始與最終Tip狀態(tài)

2.1.2對稱件布置

為滿足后續(xù)切邊、分離空間布置，以提高材料利用率為原則，考慮到左、右件的對稱設計，選擇左、右件一半輸入、XZ為對稱平面，將兩件之間的距離調(diào)整到60 mm，對稱零件布置，如圖4所示。Tip狀態(tài)的參數(shù)對稱零件起始點XYZ-origin為(1 960.00，-760.00，630.00)，沖壓方向XY′Z″-rotation為(-110.00°，-1.00°，-2.50°)。

圖4　對稱零件布置

2.2　翻邊與整形工藝設計

如圖2所示，零件沒有翻邊特征，靠近外側(cè)的法蘭面較深，而且外側(cè)的切邊角較大，因此把外側(cè)法蘭面作為整形區(qū)域。在模型生成器工藝方案中添加一個Form設計階段。Form模塊能方便地生成整形刀或翻邊刀，同時能自動設置斜楔的運動方向。對于無法通過拉延成形的區(qū)域，通過Form創(chuàng)建成形工具以及定義成形方向，用于整形或二次拉延。

在Form設計階段添加一個Form1活頁，將零件布置切換成網(wǎng)格。如圖5所示，零件端頭有一塊整體的面片，應用Add inner在面片上添加一條控制線來分割零件面片，以便選擇面片的一部分。通過Form面片分配、Wall參數(shù)設置、邊界自動填補后的整形刀造型如圖5所示。

圖5　整形刀造型

2.3　切邊與沖孔工藝設計

對于拉延件和部分成形件，在成形后都需要沖裁掉零件上多余的廢料，以達到尺寸要求。因此，需要在實際造型前，對零件上的孔及邊線進行分析，來確定工藝造型是否滿足后續(xù)切邊和沖孔工序要求?；趯δ＞邏勖土慵|(zhì)量的要求，在模具標準中規(guī)定刃口角度一般在90°±15°之間；功能孔的沖孔角度一般在90°±5°之間；其他孔在90°±15°之間[5]。

2.3.1切邊與沖孔方向檢查

零件上非功能孔的尺寸精度要求較低，而功能孔要求較高，故判定的臨界條件不同。制件上的圓孔和腰圓孔都是功能孔，切邊與沖孔方向檢查時，先進入切邊臨界值定義，并添加臨界條件，其中，Safe和Marginal值的最大切邊角分別為5°和8°，其余孔和切邊線按默認的Lmt1來進行檢查。切邊和沖孔角度分段顯示，如圖6所示。從圖6可以看出，除了兩個功能孔1、2以及翻邊面上的兩個孔3，其他的孔在當前的沖壓方向上都可以垂直沖孔，靠近內(nèi)側(cè)的切邊線也可以直切，而左、右兩端4和靠近外側(cè)的切邊線存在問題。

2.3.2側(cè)切邊方向定義

靠近右側(cè)的功能孔2的側(cè)沖孔操作為：添加一個斜楔Cam，選擇Hole2進行分配，切邊方向選擇Cam1，切邊臨界條件不變，沖孔方向為正常模式。根據(jù)實際需要進行調(diào)整后，獲得孔2的沖壓方向，如圖7所示?？?沖壓方向GlobalXY′Z″-rotation為(-90.00°，0.00°，-8.17°)，相對沖壓坐標方向角為0°、傾角為90°。

圖6　切邊和沖孔角度分段顯示

圖7　孔2的沖壓方向

側(cè)切與側(cè)沖孔操作類似，區(qū)別在于導入的是整條邊界線，要先分開需要側(cè)切邊的區(qū)域。分開操作時，可以通過切邊線分割功能進行分段，然后添加斜楔Cam，再進行分配。

3　拉延工藝模面設計

3.1　零件準備

零件準備主要用于對稱定義、對象定義和生成零件邊界。應用定義好切邊方向后的文件添加一個拉延設計階段，生成零件邊界后，填補零件上所有的孔洞，填補后的零件如圖8所示。定義孔洞的最小尺寸為1.50 mm，最大尺寸為300.00 mm。

圖8　孔洞自動填補后的零件

定義好沖壓角度，就可以進行零件邊界的填補。自動生成的填補面不光順，需要手工調(diào)整。依據(jù)工程經(jīng)驗知，零件右端的填補方式可能會造成拉延過程起皺。因此，需要對右側(cè)自動填補的邊界進行手工編輯，然后對雙件進行自動填補?？梢娮詣犹钛a生成的曲面不光順，需要手工編輯，編輯前、后結(jié)果對比，如圖9所示。雙件合并后的邊界填補，右側(cè)自動填補面的質(zhì)量不佳，需要手工編輯至邊界光順，完成零件的準備過程。調(diào)整前、后的效果，如圖10所示。

(a)零件右端調(diào)整前

(b)零件右端調(diào)整后

(c)零件左端調(diào)整前

(d)零件左端調(diào)整后圖9　雙件自動邊界填補與手工調(diào)整結(jié)果對比

3.2　壓料面設計

3.2.1自動壓料面設計

基礎壓料面有自動、導入和關(guān)聯(lián)3種生成方式。一般情況下，首先使用自動生成基礎壓料面，并可以通過添加點、添加曲線、添加區(qū)域及單曲率壓料面4個功能來編輯壓料面的形狀，其中，權(quán)重系數(shù)是用來決定控制元素對生成壓料面的影響程度，偏移位置是用來設置生成壓料面和所選控制元素的偏置距離，然后再通過添加截線、蝴蝶面、壓料面位于零件上和修改等手段進行編輯。生成的壓料面如圖11所示。

(a)調(diào)整前

(b)調(diào)整后圖10　雙件合并后邊界填補手工編輯結(jié)果對比

圖11　自動方式生成的壓料面

3.2.2截線壓料面設計

截線壓料面要求至少輸入兩條相交截線來獲得其確定性?？梢愿鶕?jù)實際需要定義截線數(shù)量，添加截線的原則是越少越好，以免壓料面的曲率變化失控。

在調(diào)整好兩條主截線的基礎上，如果發(fā)現(xiàn)壓料面還有部分區(qū)域不符合要求，可以另外添加截線，添加截線的原則是：加一條，調(diào)整好一條，有需要再添加，否則難以調(diào)整好壓料面。通過零件分析，調(diào)整兩條主截線后即可獲得符合要求的壓料面，如圖12所示。

3.3　工藝補充面設計

對零件分析知，設計工藝補充面時不需要添加凸筋和凹筋。為提高材料利用率，選擇最小分模線模板，并根據(jù)默認參數(shù)生成工藝補充面，如圖13所示?？梢?，生成的工藝補充面分模線不光順，需要進行調(diào)整。通過展開翻邊線的功能，求解翻邊線在補充面中的位置，可以分析工藝補充面是否滿足后續(xù)切邊和整形的要求，幾何方式展開的翻邊線，如圖13所示。

圖13　幾何方式展開的翻邊線

一般情況下，要求展開的翻邊線位于工藝補充面上。由于結(jié)構(gòu)件的表面質(zhì)量要求不是太高，因此不需要調(diào)整上、下兩側(cè)的分模線，而只需要光順左側(cè)的分模線。在工藝補充面左端添加兩條自定義截線作為基準線，選擇最小分模線模板；在需要調(diào)整分模線的位置選擇一根線作為自定義截線，并選擇光順模板。光順分模線前、后的工藝補充面如圖14所示。

(a)調(diào)整前

(b)調(diào)整后圖14　光順分模線前、后的工藝補充面對比

3.4　設置模擬過程

拉延模面設計完成后，通過一步法展開料片為拉延過程提供試算對象[7]。拉延過程設計時，選擇單動拉延、增量法模擬類型。試算料片采用寶鋼1.20 mm厚的深沖冷軋鋼板DC04，拉延運動過程為默認設置，提交計算獲得的成形模擬結(jié)果如圖15所示?？梢娏慵^(qū)域大部分材料均成形不足、局部起皺。通過板料的厚度分析圖，可以輸出零件區(qū)域的最大厚度為1.44 mm、最小厚度為0.61 mm。依據(jù)材料的減薄量應控制在4%～20%之間或控制材料的最小厚度在0.4t以上[8]的原則，判定其成形結(jié)果不符合設計要求，需要對仿真模型進行模面設計的局部優(yōu)化或拉延筋添加與優(yōu)化。通過添加拉延筋與優(yōu)化拉延筋，易于使制件的拉延成形達到預期要求[9]。

圖15　拉延成形數(shù)值模擬結(jié)果

4　結(jié)語

通過合理的零件起始點及沖壓方向定義和成形

工藝定義，能夠有效提高拉延工藝模面設計的質(zhì)量和效率；拉延成形數(shù)值模擬結(jié)果說明CAE全程介入的模面設計，能夠快速、有效地獲得合理的拉延成形工藝模面；通過適當?shù)哪Ｃ嬖O計的局部優(yōu)化和拉延筋優(yōu)化即可獲得最終沖壓成形模具設計工具。

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