汽車(chē)覆蓋件沖壓成形非線性有限元仿真分析及質(zhì)量管理

鄧偉林

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及有限元技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用數(shù)值仿真方法對(duì)板料成形過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，以替代實(shí)際試模，為覆蓋件工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)提供可靠的判據(jù)和合理的工藝參數(shù)，已成為當(dāng)前覆蓋件工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)中一種重要手段。本課題在充分了解和分析了國(guó)內(nèi)外汽車(chē)覆蓋件沖壓技術(shù)的研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析和仿真論證，針對(duì)汽車(chē)典型覆蓋件的沖壓仿真問(wèn)題進(jìn)行了討論分析。并初步建立了CAE技術(shù)在覆蓋件工藝流程管理中的模塊，規(guī)范CAE技術(shù)在工業(yè)管理中的應(yīng)用。本課題首先通過(guò)Auto-Form軟件對(duì)某汽車(chē)覆蓋件進(jìn)行沖壓仿真，闡述了實(shí)現(xiàn)板料成形有限元仿真的基本步驟和仿真分析過(guò)程中的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，為實(shí)際的汽車(chē)覆蓋件模具沖壓成形的優(yōu)化提供了參考。

關(guān)鍵詞：覆蓋件;沖壓仿真;有限元分析;工業(yè)工程;工藝流程管理

1 緒論

1.1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及有限元技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用數(shù)值仿真方法對(duì)板料成形過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，以替代實(shí)際試模，為覆蓋件工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)提供可靠的判據(jù)和合理的工藝參數(shù)， 已成為當(dāng)前覆蓋件工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)中一種重要手段。通過(guò)在Auto-Form軟件中對(duì)某汽車(chē)覆蓋件進(jìn)行沖壓仿真， 闡述了實(shí)現(xiàn)板料成形有限元仿真的基本步驟和仿真分析過(guò)程中的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題， 為實(shí)際的汽車(chē)覆蓋件模具沖壓成形的優(yōu)化提供了參考。

1.2 汽車(chē)覆蓋件沖壓技術(shù)及其進(jìn)展

汽車(chē)覆蓋件主要是指覆蓋汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、底部、駕駛室和車(chē)身的用金屬薄板沖壓形成的表面零件和內(nèi)部零件。與一般沖壓件相比，汽車(chē)覆蓋件具有材料薄、形狀復(fù)雜、自由曲面多、結(jié)構(gòu)尺寸大以及表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。

1.3 覆蓋件制造工藝流程管理分析

拉延模具開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵是模具型面的設(shè)計(jì)，模具沖壓工藝的設(shè)計(jì)很大程度上依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)，為了避免修模時(shí)補(bǔ)焊，生產(chǎn)中一般都采取比較保守的設(shè)計(jì)原則，造成了后序較大的修模余量，這不僅增加了修模的難度和強(qiáng)度，而且每修模一次，卸、安裝模具也要耗費(fèi)大量時(shí)間，使得模具的開(kāi)發(fā)周期和成本難以降低。

1.4 課題的主要研究?jī)?nèi)容和目的

（1）利用工業(yè)工程的相關(guān)管理模塊對(duì)覆蓋件模具制造工藝流程進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)管理，探討了在工藝設(shè)計(jì)流程中，有限元仿真技術(shù)在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中的作用。（2）利用所建立的CAD模型，參照實(shí)際生產(chǎn)中的工藝參數(shù)，完成前壁板拉延成形過(guò)程中成形缺陷的重現(xiàn)，分析缺陷的形成原因和主要影響因素。（3）針對(duì)缺陷的形成原因，以消除破裂和起皺為主要優(yōu)化目標(biāo)。

2 車(chē)身覆蓋件沖壓成形非線性有限元仿真理論

2.1 概述

沖壓成形是一個(gè)多重非線性問(wèn)題，不僅是幾何非線性，而且是材料（物理）非線性，需要同時(shí)對(duì)幾何非線性，材料非線性和接觸非線性進(jìn)行分析。

2.2 覆蓋件沖壓成形理論

2.2.1 拉伸失穩(wěn)理論

拉裂是薄板沖壓成形工藝過(guò)程中常見(jiàn)的失效形式，從宏觀上來(lái)說(shuō)，它是材料拉伸失穩(wěn)的表現(xiàn)。

2.2.2 壓縮失穩(wěn)理論

薄板在沖壓成形時(shí)，為了使金屬產(chǎn)生塑性變形，模具對(duì)板料施加外力，在板內(nèi)產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。

2.3 板料拉延成形理論

2.3.1 壓邊力

壓邊力是薄板零件拉延成形過(guò)程中一個(gè)重要的工藝參數(shù)。

2.3.2 應(yīng)力應(yīng)變分布的理論計(jì)算

沖壓的拉延過(guò)程是不斷對(duì)板料施加壓力使其成為所需形狀的過(guò)程。

2.3.3 成形極限及回彈理論

板料成形極限曲線對(duì)于分析板料失穩(wěn)和評(píng)價(jià)板料拉延成形性能非常有用。

2.4 沖壓成形與材料性能的關(guān)系

在沖壓成形過(guò)程中，沖壓件能否順利成形，滿足質(zhì)量要求，受到?jīng)_壓設(shè)備、模具、工藝、潤(rùn)滑、板材性能等許多因素的影響。其中，板材的沖壓成形性能是最重要的因素。

板材的沖壓成形性能應(yīng)該從抗破裂性能，抗起皺性能和抗彈復(fù)性能三大方面來(lái)衡量沖壓板材的成形是比較科學(xué)的，又分別稱(chēng)之為成形性能、貼模性能、凍結(jié)性能。

2.5 沖壓成形過(guò)程計(jì)算機(jī)仿真作用及步驟

2.5.1 計(jì)算機(jī)仿真作用

在汽車(chē)覆蓋件沖壓成形中，模具設(shè)計(jì)制造和工藝設(shè)計(jì)一直是關(guān)鍵。

2.5.2 計(jì)算機(jī)仿真步驟

計(jì)算機(jī)仿真過(guò)程大致可分為三個(gè)階段：①前處理;②沖壓過(guò)程的有限元計(jì)算;③后處理。

3 覆蓋件制造工藝流程分析及質(zhì)量管理

3.1 引言

工藝設(shè)計(jì)過(guò)程包括數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)檢索、圖形處理、符號(hào)處理、優(yōu)化設(shè)計(jì)等。

3.2 覆蓋件沖壓工藝

汽車(chē)覆蓋件沖壓工藝設(shè)計(jì)主要包括沖壓件的工藝分析和工藝方案制定兩個(gè)方面內(nèi)容。

沖壓工藝設(shè)計(jì)是針對(duì)給定的產(chǎn)品圖樣或數(shù)學(xué)模型或零件模型，根據(jù)其生產(chǎn)批量的大小、沖壓設(shè)備的類(lèi)型規(guī)格、模具制造能力及工人技術(shù)水平等具體生產(chǎn)條件，從對(duì)產(chǎn)品零件圖的沖壓工藝性分析入手，經(jīng)過(guò)必要的工藝計(jì)算，制定出合理的工藝方案。

3.2.1 拉延件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行沖壓工藝設(shè)計(jì)時(shí)，首先要進(jìn)行拉延件的設(shè)計(jì)。拉延件工藝的制定是否合理，直接決定能否成形;拉延前是否需要設(shè)置毛坯形狀的修邊和預(yù)先折彎的工序。

（1）拉延方向的合理選擇。選擇拉延方向是拉延件設(shè)計(jì)首先要解決的問(wèn)題：1） 保證凸模能完全進(jìn)入凹模，即保證凸模能將控件的全部空間形狀一次拉延出來(lái)，不應(yīng)有凸模接觸不到的死區(qū);2）保證凸模兩側(cè)的包容角盡可能一致;3）保證凸模表面同時(shí)接觸毛坯的點(diǎn)要多而分散。（2）工藝補(bǔ)充部分的形式。工藝補(bǔ)充有兩大類(lèi)：內(nèi)工藝補(bǔ)充和外工藝補(bǔ)充。（3）壓料面形狀的確定。壓料面有兩種類(lèi)型，一種在工藝補(bǔ)充部分上;另一種在零件的法蘭面上。（4）拉延筋設(shè)置在壓料面上，設(shè)置拉延筋是調(diào)節(jié)和控制拉延阻力比較實(shí)用和有效的方法。

3.2.2 拉延件修邊

覆蓋件上的很多部位要進(jìn)行修邊，不同的位置會(huì)有不同的修邊方向，因此可以根據(jù)各個(gè)位置的具體形狀，考慮進(jìn)行修邊組合或確定其先后順序，安排不同的工序。

3.2.3 拉延件翻邊

翻邊是在成形毛坯的平面部分或曲面部分上使板料沿一定的曲線（翻邊線）翻成豎立邊緣的沖壓方法。按照變形性質(zhì)分為伸長(zhǎng)類(lèi)平面翻邊、伸長(zhǎng)類(lèi)曲面翻邊、壓縮類(lèi)平面翻邊、壓縮類(lèi)曲面翻邊等。按翻邊方式可以分為垂直翻邊、水平翻邊、傾斜翻邊等。

3.2.4 局部形狀成形

覆蓋件外輪廓的內(nèi)部都有一些局部形狀，有的是為了滿足使用上的功能要求，有的是為了滿足成形工藝的需要。一般實(shí)際生產(chǎn)中，把向覆蓋件的外部凸起或內(nèi)部凹進(jìn)形狀都?xì)w為局部形狀，用得最多的是長(zhǎng)條形、圓形、方形及其組合形狀。如汽車(chē)內(nèi)板和門(mén)外板的把手部位等。

3.2.5 沖孔與沖裁

沖孔或沖裁時(shí)重點(diǎn)考慮如：沖孔直徑、角度、間距、沖裁間隙等因素是否滿足沖壓工藝要求，是否滿足模具的強(qiáng)度要求與模具結(jié)構(gòu)是否合理。

3.3 覆蓋件沖壓工序

對(duì)汽車(chē)覆蓋件進(jìn)行沖壓工序安排是工藝設(shè)計(jì)中最為復(fù)雜、經(jīng)驗(yàn)性最強(qiáng)的決策過(guò)程，經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)一個(gè)具體的企業(yè)，有許多類(lèi)似的零件，其工藝基本上相同或相似。因此，可以通過(guò)對(duì)不同覆蓋件加工工序進(jìn)行匯總，建立工序組合與排序的一般規(guī)則，從而使各類(lèi)零件的加工工藝標(biāo)準(zhǔn)化，為計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.3.1 沖壓工序安排

覆蓋件的沖壓工序包括拉延、修邊、翻邊、沖孔、整形、折邊、切斷、成形等工序。而覆蓋件主型面主要是由拉延、成形（包括彎曲）工序構(gòu)成，然后在其基礎(chǔ)上針對(duì)不同成形需要進(jìn)行修邊、翻邊、局部成形、沖孔、整形、翻孔等工序。

3.3.2 工序組合

也就是將覆蓋件成形的三個(gè)基本工序：拉延、修邊、翻邊，與其他輔助工序如：沖孔、翻孔、整形、切斷、切口、切邊等組合在一起，以提高生產(chǎn)效率。

工序組合的兩條基本原則是：（1）盡量將工序合并，但要滿足工藝要求、零件結(jié)構(gòu)與質(zhì)量要求。 （2）在保持工序數(shù)不變的情況下，調(diào)整工序，盡量使模具復(fù)雜程度一致。

3.3.3 工序排序

沖壓工序順序的安排，既要考慮沖壓件質(zhì)量的穩(wěn)定性，又要保證經(jīng)濟(jì)上的合理性，它主要取決于各工序的變形特點(diǎn)和尺寸要求，同時(shí)要兼顧各工序之間的干涉性。

3.4 雙動(dòng)拉延模的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

對(duì)于比較復(fù)雜的汽車(chē)覆蓋件，特別是對(duì)成形質(zhì)量要求較高的轎車(chē)外覆蓋件，根據(jù)前人總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式很難滿足這些成形零件的工藝要求。因此，對(duì)制造出來(lái)的模具往往需要進(jìn)行反復(fù)的試模和修模，這樣無(wú)形中大大增加了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，增加了產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)周期，進(jìn)而造成大量人力、財(cái)力和物力的浪費(fèi)。

3.5 覆蓋件模具制造管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

覆蓋件模具進(jìn)口量大，主要是因?yàn)槲覈?guó)模具生產(chǎn)企業(yè)信息管理技術(shù)缺乏集成性（即未能充分利用信息技術(shù)對(duì)企業(yè)的物流、資金流和信息流進(jìn)行集成化的管理），面對(duì)各種復(fù)雜情況的應(yīng)變性和生產(chǎn)的高效性等。

3.5.1 覆蓋件模具制造項(xiàng)目范圍

模具制造項(xiàng)目涉及模具項(xiàng)目確定到交付過(guò)程中的信息流、物流、資金流、業(yè)務(wù)流等方面的管理控制。

（1） 涉及的工作任務(wù)模具項(xiàng)目相關(guān)信息輸入與共享。（2）涉及的工作崗位與模具相關(guān)的業(yè)務(wù)人員。

3.5.2 覆蓋件模具制造系統(tǒng)管理功能

本制造執(zhí)行管理系統(tǒng)由基本模塊、應(yīng)用模塊、特定模塊三大體系組成。基本模塊是設(shè)置企業(yè)的組織結(jié)構(gòu)、人員及崗位權(quán)限、帳號(hào)密碼、業(yè)務(wù)流程等;應(yīng)用模塊是企業(yè)銷(xiāo)售人員、生產(chǎn)人員、設(shè)計(jì)工藝人員等所要應(yīng)用的模塊;特定模塊是企業(yè)的一些特殊要求。

4 覆蓋件沖壓成形仿真的關(guān)鍵問(wèn)題分析

4.1 Auto-Form仿真軟件介紹

本文設(shè)計(jì)是應(yīng)用沖壓成形仿真軟件Auto-Form對(duì)覆蓋件前壁板來(lái)做的成形模擬。Auto-Form軟件它有以下特點(diǎn)：

（1）它提供從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)直至最后的模具設(shè)計(jì)的一個(gè)完整的解決方案。（2）特別適合于復(fù)雜的深拉延和拉伸成形模的設(shè)計(jì)，沖壓工藝和模面設(shè)計(jì)的驗(yàn)證，成形參數(shù)的優(yōu)化，材料與潤(rùn)滑劑消耗的最小化，新板料（如拼焊板、復(fù)合板）的評(píng)估和優(yōu)化。（3）Auto-Form帶來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)：因能更快完成求解、友好的用戶(hù)界面和易于上手、對(duì)復(fù)雜的工程應(yīng)用也有可靠的結(jié)果等。

4.2 仿真分析中的幾何模型的建立

汽車(chē)覆蓋件模具具有形狀復(fù)雜，外形尺寸大，剛度要求高，表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。一個(gè)汽車(chē)覆蓋件的成形，往往需要經(jīng)過(guò)拉延、修邊、沖孔、翻邊、整形等多道工序才能完成，其中拉延成形是制造覆蓋件的關(guān)鍵變形方式，工藝制定的合理與否，直接決定材料消耗的多少。

4.3 CAD模型的建立

模具CAD模型的建立，應(yīng)該根據(jù)用戶(hù)提供的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，選擇重要的加工型面，以確定拉延方向、送料方向和加工工序。零件各工序的沖壓方向應(yīng)該要滿足該加工工序的成形需要。必要時(shí)，各工序的沖壓方向可以不一樣。

4.4 壓料面的設(shè)計(jì)

壓料面有兩種情況，一種是壓料面的一部分就是拉延件的法蘭面，這種拉延件的壓料面形狀是已定的，一般不改變其形狀，即使是為了改善拉延成形條件而作局部修改，也要在后工序中進(jìn)行整形校正。另一種情況是壓料面的設(shè)計(jì)是工藝補(bǔ)充的一部分，這種情況下，主要以保證良好的拉延成形條件為主要目的進(jìn)行壓料面的設(shè)計(jì)。

4.5 拉延筋和拉延檻的設(shè)計(jì)

在汽車(chē)覆蓋件拉延模中，廣泛采用拉延筋和拉延檻。

主要目的是：一方面增加進(jìn)料阻力，使拉延件在拉延時(shí)能承受足夠的拉應(yīng)力，提高拉延件的剛度和減少由于回彈而產(chǎn)生的凹陷、扭曲、松弛及波紋等缺陷，使材料達(dá)到合理的塑性變形;另一方面，通過(guò)拉延筋可以調(diào)節(jié)各部位的進(jìn)料阻力，使材料流入型腔的量適合工件各處的需要，防止“過(guò)多則皺過(guò)少則裂”。

5 覆蓋件成形過(guò)程仿真及缺陷影響因素分析

5.1 單元類(lèi)型的選取

一般來(lái)講四邊形單元比三角形單元計(jì)算精度高，而三角形單元的計(jì)算效率比四邊形單元高。即可以很方便的把任意復(fù)雜的空間曲面離散化為節(jié)點(diǎn)相連的三角形單元網(wǎng)格模型，因而采用三角形單元進(jìn)行空間曲面離散化，比用四邊形單元方便、準(zhǔn)確，尤其易于逼近復(fù)雜的過(guò)渡面。

5.2 板料網(wǎng)格劃分的基本原則

為了提高計(jì)算效率，應(yīng)盡可能的減少網(wǎng)格及節(jié)點(diǎn)數(shù)量，即增大網(wǎng)格的幾何尺寸。為了能夠準(zhǔn)確的描述模具的幾何形狀，可以在模具表面形狀變化劇烈處劃分較細(xì)密的網(wǎng)格。

5.3 沖壓力的設(shè)定與壓機(jī)的選擇

由于汽車(chē)覆蓋件的外形比較復(fù)雜，沖壓成形時(shí)工件的材料流動(dòng)規(guī)律不容易掌握，所以沖壓件所用的壓力一般是根據(jù)查閱相關(guān)的類(lèi)似零件的成形力以便引用和在軟件上做幾次試探來(lái)確定的。

5.4 產(chǎn)生拉裂的機(jī)理及消除措施

5.4.1 拉裂變形的分析

拉裂是沖壓成形中常見(jiàn)的材料失效形式，從宏觀上來(lái)說(shuō)，它是材料拉伸失穩(wěn)的表現(xiàn)。在以拉伸為主的成形過(guò)程中，板料的變形往往要受到集中性失穩(wěn)的制約，即板料存在極限應(yīng)變。生集中性失穩(wěn)。

5.4.2 減少拉裂的措施

針對(duì)拉延過(guò)程中容易產(chǎn)生拉裂的部位，在生產(chǎn)中主要采取以下措施：（1）由于汽車(chē)覆蓋件形狀復(fù)雜，汽車(chē)覆蓋件能否順利地成形，很大程度上取決于坯料、壓邊力、潤(rùn)滑狀況、拉延筋及拉延檻等各種因素的合理調(diào)整。（2）在覆蓋件的棱線、下陷、窗框的直邊處容易發(fā)生剪切破裂。

5.5 成形極限圖

成形極限圖（FLD）是60年代中期由Keeler和Goodwin等人提出的。FLD是板料在不同應(yīng)變路徑下的局部失穩(wěn)極限應(yīng)變e1和e2（工程應(yīng)變和真實(shí)應(yīng)變）構(gòu)成的條帶形區(qū)域或曲線，它反映了板料在單向或雙向拉應(yīng)力作用下的局部成形極限。

5.6 成形質(zhì)量分析

本次沖壓仿真模擬了很多種不同參數(shù)設(shè)置進(jìn)行的，由上面的應(yīng)力云圖可以對(duì)比出，在沖壓拉延筋布置不合理和沖壓力過(guò)大的情況下會(huì)出現(xiàn)零件的拉裂情況;而一旦沖壓壓力不足，又容易出現(xiàn)零件的起皺情況。