淺析汽車覆蓋件沖壓模具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

趙乃豐

【摘 要】隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車行業(yè)在近些年也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。上汽通用五菱汽車股份有限公司是一家中外合資的股份制整車企業(yè)，主要從事汽車設(shè)計(jì)、制造、零部件研發(fā)等相關(guān)業(yè)務(wù)。隨著汽車行業(yè)的整體發(fā)展，上汽通用五菱汽車股份有限公司也取得了一定的發(fā)展成果，并且在面對(duì)新時(shí)期、新目標(biāo)時(shí)，對(duì)自身又做出新的技術(shù)要求，在汽車覆蓋件模具開(kāi)發(fā)方面對(duì)沖壓模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，從而提升了汽車覆蓋件面對(duì)新材料、新工藝的應(yīng)對(duì)能力。

【關(guān)鍵詞】汽車覆蓋件；沖壓模具；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

【中圖分類號(hào)】U468.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）05-0082-03

汽車覆蓋件是汽車白車身的重要組成部分，是汽車的主要結(jié)構(gòu)部件，所以在工藝上承載了汽車的設(shè)計(jì)工藝和汽車制造工藝，是綜合體現(xiàn)汽車設(shè)計(jì)的重要部件。新時(shí)期，鋼鐵價(jià)格逐漸上漲，眾多材料供應(yīng)商為了降低成本，對(duì)新材料、新工藝進(jìn)行研發(fā)，這對(duì)汽車覆蓋件沖壓技術(shù)提出了新的要求。為了應(yīng)對(duì)材料與技術(shù)上的變革，需要對(duì)汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。目前，最有效的優(yōu)化方式是通過(guò)現(xiàn)代技術(shù)對(duì)模具進(jìn)行模擬建造，從而對(duì)汽車覆蓋件沖壓模具進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以達(dá)到對(duì)沖壓模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和降低成本的目的。

1 公司介紹

上汽通用五菱汽車股份有限公司于2002年11月18日正式掛牌成立，是由上海汽車集團(tuán)股份有限公司、通用汽車（中國(guó)）投資有限公司、柳州五菱汽車有限公司共同組建的中外合資的汽車公司。隨著公司規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)量不斷增長(zhǎng)，為了完善產(chǎn)業(yè)布局，在柳州以外也成立了分公司。上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司于2005年5月16日在山東省青島市黃島區(qū)工商行政管理局登記成立，公司主要從事汽車整車生產(chǎn)制造等相關(guān)業(yè)務(wù)。青島分公司秉承了總公司的企業(yè)文化，致力于成為微小型汽車領(lǐng)域國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際上有競(jìng)爭(zhēng)力的汽車公司，堅(jiān)持企業(yè)核心價(jià)值觀，不斷開(kāi)發(fā)技術(shù)，完善生產(chǎn)條件，為客戶提供高質(zhì)量的服務(wù)。

2 汽車覆蓋件沖壓模具

上汽通用五菱汽車股份有限公司作為一家致力于提升汽車品質(zhì)，擁有完善的汽車零部件生產(chǎn)、加工、組裝的汽車公司，在汽車覆蓋件沖壓模具開(kāi)發(fā)方面也進(jìn)行了深入研究。汽車覆蓋件是指構(gòu)成汽車車身或駕駛室、覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤的薄金屬料制成的異型體表面和內(nèi)部零件。它既是外觀裝飾性零件，同時(shí)也是受力剝離狀的受力零件。汽車覆蓋件沖壓模具是將覆蓋件原材料進(jìn)行批量加工的專用模具，沖壓模具的質(zhì)量直接影響汽車覆蓋件的質(zhì)量，沒(méi)有先進(jìn)的沖壓技術(shù)，先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念就無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此在生產(chǎn)汽車覆蓋件時(shí)，沖壓模具開(kāi)發(fā)技術(shù)是整個(gè)覆蓋件的關(guān)鍵技術(shù)[1]。

3 汽車覆蓋件沖壓模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 板料成型模擬研究現(xiàn)狀

汽車覆蓋件沖壓過(guò)程其實(shí)就是一個(gè)將板料制作成型的過(guò)程，從力學(xué)角度而言，是將板料進(jìn)行幾何非線性、材料非線性、邊界條件非線性變化的復(fù)雜力學(xué)過(guò)程。板料成型的數(shù)值模擬涉及力學(xué)、材料、數(shù)值方法、計(jì)算機(jī)科學(xué)、制造技術(shù)等學(xué)科，影響數(shù)值仿真技術(shù)的參數(shù)極其復(fù)雜，目前主要的研究方向是摩擦與接觸、回彈分析和控制、材料屈服模型、坯料形狀設(shè)計(jì)優(yōu)化這四個(gè)方面[2]。摩擦與接觸通常使用庫(kù)侖摩擦定律確定沖壓成型中的摩擦力，沖壓成型過(guò)程中的摩擦力，受板材與模型表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)、相對(duì)速度方向的影響。根據(jù)這一特點(diǎn)，林忠欽提出了修正的庫(kù)侖摩擦定律，以潤(rùn)滑油黏度和表面粗糙度為參數(shù)，建立了一個(gè)新的摩擦模型。接觸算法包括接觸力算法和接觸搜索方法。接觸力算法包括罰函數(shù)法、拉格朗日乘子法和防御節(jié)點(diǎn)法，接觸搜索方法主要包括主從面法、分級(jí)分域法和一體化算法[3]。回彈分析和控制影響覆蓋件最終的成品形狀，回彈量超過(guò)容差值就會(huì)造成造型缺陷，進(jìn)而影響汽車組裝和影響產(chǎn)品的質(zhì)量。回彈預(yù)測(cè)方法主要有解析法、實(shí)驗(yàn)法和有限元數(shù)值模擬法。利用有限元模擬回彈具有速度快、成本低、不受試驗(yàn)條件限制的優(yōu)點(diǎn)?；貜楊A(yù)測(cè)后，還需要根據(jù)回彈量對(duì)模具進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，完成回彈補(bǔ)償工作，通常使用改變模具的幾何形狀進(jìn)行補(bǔ)償。材料屈服模型是對(duì)材料進(jìn)行材料屈服準(zhǔn)則分析，不同的材料屈服指數(shù)會(huì)在一定程度上影響分析精度。近年來(lái)，汽車工業(yè)中不斷應(yīng)用新金屬材料，高強(qiáng)度鋼、鋁合金板、鎂合金板已經(jīng)應(yīng)用到汽車鈑金制造中，對(duì)新的汽車制造材料進(jìn)行合理的材料屈服模型建立是目前新時(shí)期材料屈服模型的研究方向。坯料形狀設(shè)計(jì)優(yōu)化是工藝設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)坯料進(jìn)行合理形狀規(guī)劃能夠節(jié)省原材料、降低制造成本，還可以防止拉深件的破裂和起皺，能夠有效地提高成型性能。但是，對(duì)坯料進(jìn)行形狀計(jì)算是非常困難的，通常使用的算法有滑移線法、幾何映射法、勢(shì)場(chǎng)方針?lè)?、比擬法等[4]。

3.2 沖壓模具結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的沖壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要根據(jù)各企業(yè)的沖壓設(shè)備、設(shè)計(jì)規(guī)范和準(zhǔn)則，結(jié)合模具設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，并沒(méi)有特別關(guān)注模具的受力和變形情況。目前，國(guó)內(nèi)的低碳鋼沖壓模具受力情況惡劣，模具設(shè)計(jì)比較保守，設(shè)計(jì)方向過(guò)于注重安全系數(shù)，而沒(méi)有對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，對(duì)模具本身進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]。在實(shí)際沖壓工作中，模具的使用情況比較惡劣，在使用過(guò)程中非常容易導(dǎo)致模具產(chǎn)生微小的變形，模具磨損等情況，從而影響沖壓效果，進(jìn)而影響整體車輛組裝效果。汽車沖壓模具組件尤其是汽車覆蓋件沖壓模具通常體積較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前針對(duì)模具的結(jié)構(gòu)分析還存在一定的難度，主要有以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：{1}在建模方面，沖壓模具尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在進(jìn)行有限元模型的精度和求解規(guī)模的平衡上存在一定的困難；{2}在沖壓成型過(guò)程中，變形板料和模具的接觸情況比較復(fù)雜，沖壓模具實(shí)際受的負(fù)載信息難以獲得；{3}在模具型面確認(rèn)方面，由于沖壓模具造價(jià)較高，實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)、耗資巨大，目前為止沒(méi)有可行的測(cè)量方法；{4}在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，模具的使用情況和受力情況較復(fù)雜，會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成影響。因此，在進(jìn)行覆蓋件沖壓模具結(jié)構(gòu)分析時(shí)，需要對(duì)模具的受力情況、變形情況和新材料、新技術(shù)重點(diǎn)關(guān)注。在實(shí)際研究過(guò)程中，需要將沖頭速度保持在沖壓機(jī)床的額定速度上，這樣可通過(guò)對(duì)每一步的沖壓過(guò)程進(jìn)行分步計(jì)數(shù)，從而能夠?qū)γ恳徊降臎_壓負(fù)載進(jìn)行計(jì)算，以了解整個(gè)沖壓機(jī)床工作時(shí)的模具受力情況和變形情況。在這個(gè)過(guò)程中，需要對(duì)沖壓原件進(jìn)行幾個(gè)形狀的提取，形成數(shù)據(jù)。通過(guò)三維技術(shù)進(jìn)行模擬，對(duì)沖壓模擬的有限元分析進(jìn)行預(yù)處理，主要是劃分網(wǎng)格，利用常用的前處理軟件hyper mesh進(jìn)行處理，再通過(guò)沖壓模擬程序PAM STAMP進(jìn)行沖壓模擬，并且通過(guò)模擬沖壓過(guò)程，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行負(fù)荷施壓，對(duì)有限元的求解進(jìn)行分析，對(duì)沒(méi)有沖壓過(guò)程中的施壓做出解決預(yù)案。通過(guò)對(duì)覆蓋件進(jìn)行模具沖壓過(guò)程模擬，能夠?qū)_壓過(guò)程中模具的變形特點(diǎn)、受力特點(diǎn)做出模擬，從而對(duì)模具變形做出應(yīng)對(duì)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，完善覆蓋件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[6]。

3.3 沖壓模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

目前，國(guó)內(nèi)進(jìn)行汽車覆蓋件生產(chǎn)的拉延模具，承載結(jié)構(gòu)是柵格式結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，普遍都遵循現(xiàn)有規(guī)則、準(zhǔn)則和經(jīng)驗(yàn)，缺少對(duì)模具受力和變形的關(guān)注，而且對(duì)新材料、新技術(shù)并不了解。為了增強(qiáng)汽車覆蓋件沖壓模具面對(duì)新材料、新技術(shù)的應(yīng)對(duì)能力，需要對(duì)汽車覆蓋件沖壓模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而讓覆蓋件沖壓模具能夠滿足新材料的沖壓需求，滿足新技術(shù)的設(shè)計(jì)需要。汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)是基于CAE技術(shù)，目前德國(guó)“大眾”“奔馳”，日系“三菱”“豐田”，美國(guó)“通用”“福特”等國(guó)際知名汽車制造公司都應(yīng)用了CAE技術(shù)對(duì)汽車覆蓋件沖壓模具進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，從而獲得了良好的效果，減少了試模次數(shù)，縮短了模具制造周期，降低了模具制造成本，加快了新車型的開(kāi)發(fā)進(jìn)度[7]。并且，通過(guò)大量結(jié)合計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、CAD建模技術(shù)、數(shù)值計(jì)算、CG技術(shù)、CAM技術(shù)，能夠?qū)ζ嚫采w件沖壓模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)支持，從而對(duì)沖壓模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供技術(shù)支持。通過(guò)CAD建模技術(shù)對(duì)沖壓模具進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模模擬，從而可以根據(jù)CAD建模對(duì)沖壓模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，對(duì)沖壓模具各種形狀信息進(jìn)行建模，再通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)各項(xiàng)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)用CG技術(shù)對(duì)沖壓過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)CAM進(jìn)行模具輔助制造，從而對(duì)沖壓模具實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬，為沖壓模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持，并且可以根據(jù)模型模擬效果，對(duì)模具結(jié)構(gòu)提供切實(shí)可行的優(yōu)化方案，能夠在一定程度上減少試模次數(shù)，并且由于能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)獲得準(zhǔn)確的模具運(yùn)作數(shù)據(jù)，能夠加速模具生產(chǎn)，減少生產(chǎn)誤差，并且能夠?qū)δ＞呤褂们闆r進(jìn)行模擬，從而調(diào)整模具優(yōu)化方向[8]。在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以通過(guò)對(duì)沖壓過(guò)程進(jìn)行節(jié)點(diǎn)式過(guò)程模擬，對(duì)模具每一步的負(fù)荷做出計(jì)算，從而預(yù)估出實(shí)際模具的磨損情況，對(duì)模具進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)對(duì)模具進(jìn)行運(yùn)作函數(shù)統(tǒng)計(jì)，綜合模具的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、體積、慣性矩、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)、結(jié)構(gòu)柔度、Von Mises應(yīng)力、頻率、位移、頻率響應(yīng)速度、屈曲因子等，并且通過(guò)這些函數(shù)對(duì)模具進(jìn)行函數(shù)約束，可以根據(jù)約束函數(shù)制定沖壓模具標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)[9]。

4 結(jié)語(yǔ)

上汽通用五菱汽車股份有限公司通過(guò)對(duì)汽車覆蓋件模具進(jìn)行計(jì)算機(jī)模型模擬，加以科學(xué)地計(jì)算，對(duì)汽車覆蓋件沖壓模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升了汽車覆蓋件制造水平，提升了公司的生產(chǎn)水平。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]