車身覆蓋件拉延模面優(yōu)化與成形仿真

陳學(xué)健，黃昭明

（1.阜陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程科技學(xué)院，安徽 阜陽 236031；2.河海大學(xué) 文天學(xué)院，安徽 馬鞍山243031）

基于沖壓計(jì)算機(jī)仿真驅(qū)動(dòng)的拉延模面設(shè)計(jì)是當(dāng)今國際汽車模具行業(yè)發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)核心之一，它決定了沖壓件的成形性、表面質(zhì)量和尺寸精度.由于拉延件成形過程的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)人員很難預(yù)料其設(shè)計(jì)是否成功.因此，他們希望能在模面設(shè)計(jì)階段作定量分析，使問題在模具加工前得到解決［1］.

覆蓋件拉延模面設(shè)計(jì)主要是指工藝補(bǔ)充面和壓料面的三維設(shè)計(jì).這類設(shè)計(jì)從原理上涉及復(fù)雜的計(jì)算數(shù)學(xué)和力學(xué)問題以及沖壓成形的工藝?yán)碚摚?-3］.針對(duì)目前覆蓋件拉延模面設(shè)計(jì)的模面設(shè)計(jì)效率低、精度差及成功率低等缺點(diǎn)［4-5］，應(yīng)用提出的覆蓋件拉延模面優(yōu)化方法對(duì)某車身覆蓋件進(jìn)行仿真，通過優(yōu)化后制件的極值厚度的變化來反饋優(yōu)化方法的有效性.

1 拉延模面設(shè)計(jì)流程概述

拉延模面的作用是控制坯料在凸、凹模之間的流動(dòng)，使毛坯產(chǎn)生塑性變形，完成成形過程.首先在零件準(zhǔn)備階段確定沖壓中心和沖壓方向；然后分析需要翻邊和整形的特征區(qū)域，從而添加Form設(shè)計(jì)階段對(duì)翻邊、整形的特征進(jìn)行翻邊、整形刀的編輯，最后才能進(jìn)行拉延模面的設(shè)計(jì).模面設(shè)計(jì)流程如圖 1所示［6］.

圖1 拉延模面設(shè)計(jì)流程

2 拉延模面初步設(shè)計(jì)

圖2為某車身覆蓋件產(chǎn)品左、右件，形狀特征較復(fù)雜，采用拉延成形時(shí)，沿制件長(zhǎng)度方向兩端的板料流動(dòng)和不均勻變形會(huì)造成較大的制件減薄程度差異采用成形極限圖約束，兩端特征變形區(qū)域1、2處板料的厚度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析拉延模面主要因素對(duì)成形質(zhì)量的影響，應(yīng)用模面優(yōu)化方法對(duì)模面進(jìn)行優(yōu)化，并在有限元分析軟件中進(jìn)行拉延過程模擬驗(yàn)證.

圖2 某車身覆蓋件CATIA三維數(shù)模

覆蓋件的材料為寶鋼深沖冷軋鋼板DC04，厚度為1.20 mm.該制件為左、右對(duì)稱件且拉延深度較小，可以采用左、右件合并、一模雙件的形式進(jìn)行拉延模面設(shè)計(jì).依據(jù)Auto-Form模面設(shè)計(jì)流程，應(yīng)用CAE軟件全程驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法，通過模面設(shè)計(jì)準(zhǔn)備、零件準(zhǔn)備、壓料面設(shè)計(jì)、工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)等幾個(gè)關(guān)鍵過程，可獲取優(yōu)化前的拉延模面.

3 拉延仿真分析

3.1 料片展開與排樣

在AutoForm中進(jìn)行最小料片展開有三種方法［7］，分別為基于一步法快速成形模擬分析計(jì)算進(jìn)行展開、利用料片生成器求解最小料片輪廓以及利用切邊線優(yōu)化模塊優(yōu)化料片輪廓.其中第二種方法實(shí)質(zhì)也是基于一步法求解，該方法求解精度比較低.第三種方法是基于精確的全工序模擬的增量模擬方法，該方法求解精度比較高，一般用于帶有復(fù)雜幾何形狀的制件.

求解最小料片輪廓可以為拉延工序提供試算料片輪廓［8］.圖3是計(jì)算結(jié)果顯示展開的料片形狀為最小料片，圖中包含的相關(guān)曲線有排樣輪廓、料片輪廓、成形料片、凹模入口線和滑移線.計(jì)算排樣的方式有三種，即自動(dòng)、半自動(dòng)和手工.可以設(shè)定料片間的搭邊值以及開卷的搭邊值.圖4為展開料片的排樣結(jié)果，其中料寬A為986.00 mm、步距B為363.11 mm、軋制方向向右等.輸出參數(shù)包括料片的材料利用率為84.91%、面積為 0.304 0×106mm2、質(zhì)量為 2.845×103g，卷料的面積為 0.358 0×106mm2、重量為 3.351×103g.

圖3 展開的相關(guān)曲線

圖4 料片排樣結(jié)果

3.2 拉延模擬與分析

拉延模擬類型為單動(dòng)拉延、增量法模擬類型、料片厚度為1.2 mm以及凹模參考側(cè).完成模擬類型設(shè)置后進(jìn)行模具運(yùn)動(dòng)過程設(shè)置，先關(guān)聯(lián)一步法展開的排樣輪廓作為料片，料片形狀為矩形，尺寸為363.11 mm×986.00 mm；再由材料庫導(dǎo)入零件材料DC04.通過AutoForm軟件建立的拉延工序的有限元模型如圖5所示.

圖5 拉延工序的有限元模型

圖6 模面優(yōu)化前的數(shù)值模擬結(jié)果與厚度分析圖

單動(dòng)拉延工具的運(yùn)動(dòng)過程包含重力、閉合、拉延3個(gè)工步，初始狀態(tài)下凹模、壓邊圈與凸模之間持續(xù)經(jīng)過500個(gè)單位時(shí)間，壓邊力3 Mpa，模面優(yōu)化前的數(shù)值模擬結(jié)果與厚度分析圖如圖6所示.圖中模擬結(jié)果顯示零件區(qū)域大部分均成形不足、局部起皺.零件區(qū)域的厚度最大為1.436 mm、最小為0.617 mm.依據(jù)材料的減薄量應(yīng)控制在4%～20%之間或控制材料的最小厚度在0.4 t以上（其中t為板料厚度）［9］，判定其成形精度不符合設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)行拉延模面優(yōu)化或拉延過程優(yōu)化.

4 拉延模面優(yōu)化及仿真

為了研究拉延模面優(yōu)化對(duì)制件成形質(zhì)量的改善效果，應(yīng)用凸筋高度線、補(bǔ)充面角度、截面線方向以及工藝補(bǔ)充面細(xì)節(jié)優(yōu)化方法對(duì)模面進(jìn)行優(yōu)化，以此考察拉延制件成形質(zhì)量的優(yōu)化效果.

4.1 拉延模面優(yōu)化

凸筋高度線的優(yōu)化：將優(yōu)化前的自定義截面線更改為補(bǔ)充面最大凸筋模板，優(yōu)化凸模分模線寬度及截面線形狀，優(yōu)化后生成的工藝補(bǔ)充截面線如圖7所示.

補(bǔ)充面角度優(yōu)化：通過更改優(yōu)化補(bǔ)充面角度可以減小該處開裂風(fēng)險(xiǎn).把凸模圓角從10°改為15°，拔模角從7°改為12°，凹模圓角從6°改為8°，新生成工藝補(bǔ)充面，圓角優(yōu)化前后截面線對(duì)比如圖8所示.

截面線方向優(yōu)化：如果零件邊界有相關(guān)特征需要在工藝補(bǔ)充面上有相對(duì)合理的延伸時(shí)，可以優(yōu)化截面線的方向，但截面線不能交叉，否則工藝補(bǔ)充面會(huì)發(fā)生重疊，分模線也會(huì)出現(xiàn)重疊，此時(shí)進(jìn)行分模線光順不起任何作用.

工藝補(bǔ)充面細(xì)節(jié)光順優(yōu)化：通過優(yōu)化分模線、筋高度等方法也無法進(jìn)一步改善時(shí)，可以通過細(xì)節(jié)光順功能進(jìn)行優(yōu)化.應(yīng)用該功能添加一個(gè)細(xì)節(jié)特征，通過在工藝補(bǔ)充面上輸入需要優(yōu)化區(qū)域的邊界線，對(duì)該部分工藝補(bǔ)充面進(jìn)行光順優(yōu)化.左端四次優(yōu)化前后的拉延模面如圖9所示.

圖7 光順后的工藝補(bǔ)充面截面線

圖8 圓角優(yōu)化前后的截面線

圖9 左端四次優(yōu)化前后的拉延模面

4.2 優(yōu)化模面結(jié)果與仿真分析

優(yōu)化后，再次進(jìn)行拉延模擬計(jì)算，其數(shù)值模擬結(jié)果與厚度分析如圖10所示.優(yōu)化后的拉延制件無成形性問題，拉延件的最大厚度為1.291 mm、最小厚度為0.931 mm，且最大厚度點(diǎn)在零件區(qū)域外，對(duì)比優(yōu)化前拉延件成形質(zhì)量有明顯改善.

圖10 模面優(yōu)化后的數(shù)值模擬結(jié)果與厚度分析圖

5 結(jié)語

（1）對(duì)初步設(shè)計(jì)的拉延模面進(jìn)行拉延模擬與分析，顯示零件區(qū)域大部分成形不足、局部起皺.零件區(qū)域的厚度最大為1.436 mm、最小為0.617 mm.

（2）對(duì)模面凸筋高度線、補(bǔ)充面角度、截面線方向以及工藝補(bǔ)充面細(xì)節(jié)逐步進(jìn)行優(yōu)化，獲得的拉延模面無成形性問題，優(yōu)化后制件的最大厚度為1.291 mm、最小厚度為0.931 mm，且最大厚度點(diǎn)在零件區(qū)域外.

（3）所應(yīng)用的模面優(yōu)化方法可以改善拉延制件的成形質(zhì)量，提高拉延模設(shè)計(jì)成功率，縮短拉延模具的開發(fā)周期.