沖壓成形CAE 技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

文/蘇傳義，邰偉彬，任闖，代曉旭·中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司工程與生產(chǎn)物流部

近幾年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和模擬分析軟件的迅速發(fā)展，沖壓CAE 分析技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，從產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品沖壓工藝性分析、DL 圖設(shè)計(jì)、模具調(diào)試，一直到?jīng)_壓生產(chǎn)性問(wèn)題的解決。通過(guò)模擬分析、虛擬制造，對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行分析，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析原因，提出解決方案，進(jìn)一步改善產(chǎn)品、優(yōu)化工藝方案，創(chuàng)新工藝方案。因此避免了大量的設(shè)計(jì)、制造缺陷，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)省了大量的時(shí)間，降低了開發(fā)成本。沖壓CAE 方面的軟件是比較多的，目前常用的專用軟件有Autoform、Dynaform、Pam stamp。通用性軟件有：MSC.MARC、ABAQUS、ANSYS-DYNA 系 列 等。本文通過(guò)一些具體的案例，運(yùn)用Autoform 軟件，介紹CAE 分析技術(shù)的應(yīng)用，存在的不足及未來(lái)發(fā)展方向。

同步工程

產(chǎn)品沖壓工藝性分析

通過(guò)CAE 分析判定零件的開裂、起皺、沖壓負(fù)角、滑移線等缺陷狀態(tài)，進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品。⑴零件不能有開裂、起皺現(xiàn)象(圖1)，否則需要更改產(chǎn)品。⑵產(chǎn)品不能存在沖壓負(fù)角，需要優(yōu)化。確定沖壓方向后，軟件自動(dòng)計(jì)算出哪些地方存在沖壓負(fù)角，并通過(guò)顏色顯示出來(lái)。圖2 所示的紅色區(qū)域存在沖壓負(fù)角。⑶某車型發(fā)罩外板拉延件的棱線在拉延過(guò)程中有5mm 的滑移線，但沒(méi)有滑出圓角，滿足工藝要求，如圖3所示。

沖壓工藝方案規(guī)劃

通過(guò)全流程的CAE 分析，確定工藝方案，包括拉延、翻邊、整形、修邊和沖孔方向、回彈等，通過(guò)優(yōu)化產(chǎn)品，縮短工序，減少模具數(shù)量，降低模具投資。

材料成本控制

⑴確定材料牌號(hào)。選擇不同的材料，進(jìn)行CAE 分析，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析、判斷，確定產(chǎn)品合適的材料牌號(hào)，降低材料成本。

⑵優(yōu)化板料排樣。通過(guò)CAE 分析，優(yōu)化排樣，提升材料利用率，降低成本。某產(chǎn)品的拉延毛坯，料片是凹形形狀，采用矩形板料落料工藝，該產(chǎn)品材料利用率為40.4%；現(xiàn)采用無(wú)廢料排樣落料工藝，該產(chǎn)品材料利用率提升到53.7%。

⑶廢料利用。圖5(a)為某車型全景天窗頂蓋，圖5(b)為拉延件修邊后產(chǎn)生的天窗口廢料，圖5(c)為頂蓋后橫梁，圖5(d)為頂蓋后橫梁拉延件，用天窗口廢料作為板料。從模擬分析可以看出，此方案可行，頂蓋的材料利用率由43%提升到50%。

沖壓設(shè)備選擇

⑴確定板料尺寸。通過(guò)CAE 分析，確定板料形狀和尺寸，計(jì)算出模具大小，判斷壓機(jī)工作臺(tái)尺寸是否滿足要求。

⑵計(jì)算成形力。通過(guò)CAE 分析，計(jì)算成形力大小，從而確定沖壓設(shè)備的噸位。某車型側(cè)圍加強(qiáng)板拉延件，抗拉強(qiáng)度590MPa，成形力1800t，壓邊力300t。

⑶通過(guò)全流程的CAE 分析，確定工序數(shù)量，選擇合適的壓力機(jī)生產(chǎn)線。

CAE 分析技術(shù)在沖壓工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

全流程的CAE 分析技術(shù)

圖6 為某車型背門內(nèi)板CAE 分析過(guò)程，對(duì)成形過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析。分析拉延是否存在缺陷并進(jìn)行優(yōu)化，合理布置拉延筋，確定板料尺寸；判斷修邊沖孔方向是否合理；選擇合理的翻邊沖壓方向；分析回彈狀態(tài)等。

沖壓工藝方案的創(chuàng)新

同一個(gè)產(chǎn)品可以有不同的沖壓工藝方案，之間的差別十分顯著。如果采用常規(guī)工藝方案，沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)；如果采用創(chuàng)新的工藝方案，效益顯著，但可能帶來(lái)巨大的風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí)非常需要進(jìn)行CAE 模擬分析，對(duì)沖壓工藝方案進(jìn)行判斷。

用成形工藝代替拉延工藝

⑴左/右連接板，形狀對(duì)稱，材料DC52D+Z-60 /60，料厚1.4mm， 常規(guī)沖壓工藝方案，左右件對(duì)接，一模雙件，拉延工藝。五道工序，分別為：拉延、修邊沖孔、修邊沖孔、翻邊、側(cè)翻切開。創(chuàng)新工藝方案，左右件對(duì)接，一模雙件，成形工藝，三道工序，分別為：落料沖孔、成形、修邊沖孔切開，如圖7 所示。

對(duì)成形工藝進(jìn)行CAE 分析，主要針對(duì)成形工序進(jìn)行分析，如圖8 所示，沒(méi)有起皺開裂的現(xiàn)象發(fā)生，圖8 右圖所示為實(shí)際生產(chǎn)的成形件，成形工藝方案取得了成功。采用新工藝，節(jié)省兩套模具，模具結(jié)構(gòu)也很簡(jiǎn)單，產(chǎn)品質(zhì)量好，而且材料利用率提升6%。提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了模具投資，減少了材料成本、生產(chǎn)成本，效果十分顯著。

⑵轎車背門外板上部、下部對(duì)接拉延工藝。背門外板上部、下部常規(guī)工藝方案，不在同一套模具加工，每個(gè)產(chǎn)品一般為4 道工序。為了降低投資，提高效率，創(chuàng)造性的提出轎車背門外板上部、下部對(duì)接拉延工藝，采用一張板料，4 道工序。圖9(a)為背門外板上部、下部產(chǎn)品形狀，圖9(b)為背門外板上部、下部對(duì)接拉延件造型。通過(guò)CAE 分析，可以看到，沒(méi)有產(chǎn)生起皺開裂的缺陷，滑移線在合理的范圍內(nèi)，沒(méi)有產(chǎn)生沖擊線，因此方案可行，已經(jīng)批量生產(chǎn)。

⑶汽車外表面件型面補(bǔ)償技術(shù)。板材在成形后，一般都要發(fā)生回彈，特別是外表面件，由于形狀平緩，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱，變形不充分，發(fā)生回彈。高強(qiáng)度板零件、鋁合金板材成形后，回彈也比較大，尺寸超差嚴(yán)重，造成模具多次整改，成本很高?，F(xiàn)在模具廠家試圖通過(guò)CAE 分析進(jìn)行回彈預(yù)測(cè)，通過(guò)回彈補(bǔ)償技術(shù)解決這一難題，也有不少成功的案例。某轎車頂蓋回彈補(bǔ)償值和CAE分析結(jié)果，實(shí)際結(jié)果與分析結(jié)果比較接近，試模一次成功。

影響回彈的因素很多，有工藝、材料、凸凹模間隙、設(shè)備噸位、產(chǎn)品形狀、模具制造精度等，型面補(bǔ)償技術(shù)，目前多數(shù)模具廠家采用CAE 模擬分析和經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行，還不夠成熟，還沒(méi)有完全改變多次試模的狀態(tài)。

CAE 技術(shù)在模具調(diào)試中的應(yīng)用

前門內(nèi)板角部起皺問(wèn)題的解決

圖10(a)為前門內(nèi)板起皺區(qū)域，(b)為產(chǎn)品加筋位置形狀。角部拉延起皺，增大進(jìn)料阻力，則開裂。最后確定更改產(chǎn)品，加筋吃皺、形狀尺寸位置，既要考慮將皺吃掉，又要滿足造型美觀的要求。經(jīng)過(guò)詳細(xì)的CAE 分析，確定了產(chǎn)品加筋的形狀位置，并且一次更改成功。

某車型左右地板連接板成形起皺問(wèn)題

該產(chǎn)品左右件不完全對(duì)稱，左右件對(duì)接拉延成形后，在中間切開，圖11 所示區(qū)域起皺明顯。在中間工藝補(bǔ)充部分增加一條筋，經(jīng)過(guò)CAE 分析，起皺消除。采用該方案，模具更改一次成功。

CAE 分析技術(shù)在內(nèi)高壓成形工藝中的應(yīng)用

圖12(a)為某轎車前副車架主管的產(chǎn)品形狀，(b)為工藝流程圖，(c)為CAE 分析的成形性，(d)為CAE 分析的管的壁厚分布。調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，與分析過(guò)程很接近，通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)，得到合格的產(chǎn)品零件，模具調(diào)試比較順利，已經(jīng)批量生產(chǎn)。

CAE 分析技術(shù)在熱沖壓成形中的應(yīng)用

圖13(a)為某車型前底板中通道，鋼板厚度為0.9mm，材料為USIBOR1500P，(b)為CAE 分析模型，其中包括上模、下模和板料。(c)為CAE 分析的壁厚分布，(d)為熱成形零件(激光切割前)。該零件在調(diào)試期間并沒(méi)有出現(xiàn)開裂和起皺缺陷，調(diào)試過(guò)程比較順利，已經(jīng)批量生產(chǎn)。

結(jié)束語(yǔ)

以上通過(guò)一些實(shí)際的案例，介紹了CAE 分析技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用，我們可以看到，應(yīng)用范圍已經(jīng)十分廣泛，為模具行業(yè)的快速發(fā)展，起到了關(guān)鍵的作用。國(guó)內(nèi)大型汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)已經(jīng)100%進(jìn)行CAE 分析，優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，提前規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，使調(diào)試問(wèn)題越來(lái)越少，縮短了模具制造周期，提高了模具質(zhì)量。隨著汽車輕量化的要求，高強(qiáng)板、鋁合金板的應(yīng)用越來(lái)越多，如何解決回彈問(wèn)題，已經(jīng)是制約模具制造的瓶頸，如何克服這一難關(guān)，已經(jīng)是擺在我們技術(shù)人員面前的一道難關(guān)。CAE 分析技術(shù)向著精確計(jì)算的方向發(fā)展，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的成功經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)加工制造，仍是未來(lái)幾年的發(fā)展方向。