基于CAD模面的翼子板全工序成形模擬與優(yōu)化*

蔣 磊 李十全 王 龍 趙 磊 陳一哲 趙春暉

(①東風(fēng)本田汽車有限公司新車型中心，湖北 武漢 430056；②武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；③寶山鋼鐵股份有限公司汽車板銷售部，上海 201999)

汽車翼子板產(chǎn)品形狀復(fù)雜，曲率變化大，成形深度不均勻，外觀品質(zhì)和尺寸精度要求高，沖壓工藝方案的合理性一般很難快速達(dá)成[1-4]。無(wú)論是在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段的同步仿真、工藝設(shè)計(jì)，抑或是生產(chǎn)準(zhǔn)備階段的模具調(diào)試、精度改修，都需要技術(shù)人員耗費(fèi)大量的工時(shí)進(jìn)行工藝方案和設(shè)計(jì)參數(shù)的反復(fù)優(yōu)化。從而導(dǎo)致翼子板產(chǎn)品及模具開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、制造成本高，已無(wú)法滿足汽車產(chǎn)業(yè)數(shù)字化和智能制造的需求。

為了使翼子板沖壓工藝方案快速趨于合理化，縮短產(chǎn)品及模具開(kāi)發(fā)周期，國(guó)內(nèi)一些專家學(xué)者對(duì)翼子板的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、沖壓工藝性以及成形模擬方法進(jìn)行了深入的研究。謝世坤等借助Dynaform軟件預(yù)測(cè)了翼子板拉延序成形缺陷，并改進(jìn)了工藝參數(shù)[5]。曹傳劍等通過(guò)設(shè)計(jì)可變壓邊力，改善了翼子板拉延成形性[6]。唐炳濤等利用全量理論的反向模擬方法，對(duì)拉延筋阻力布置進(jìn)行優(yōu)化，預(yù)測(cè)了翼子板在指定工況下的成形性[7]。謝延敏等基于SA-RBF(simulated annealing-radical basis function)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，確定最佳拉延筋，降低了翼子板拉延開(kāi)裂和起皺風(fēng)險(xiǎn)[8]。張心怡等采用模面工程(die face engineering，DFE)技術(shù)，優(yōu)化了翼子板拉延序分模線輪廓，提升了翼子板表面質(zhì)量[9]。上述研究基本上局限于對(duì)翼子板拉延成形性的仿真分析和試制試驗(yàn)，而對(duì)于翼子板全工序的工藝模面設(shè)計(jì)及成形模擬卻鮮有探索。

本文以某SUV車型翼子板沖壓工藝方案規(guī)劃、精細(xì)化模面設(shè)計(jì)以及成形模擬為例，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品工藝性進(jìn)行研究，基于CATIA V5平臺(tái)設(shè)計(jì)了全參數(shù)化3D D/L圖，應(yīng)用AutoForm有限元分析軟件，對(duì)3D D/L圖進(jìn)行工藝驗(yàn)證驗(yàn)證分析，快速識(shí)別了翼子板全工序成形性不良，并對(duì)產(chǎn)品結(jié)合和工藝方案進(jìn)行了優(yōu)化。

1 全工序模擬原理

針對(duì)上述現(xiàn)狀，本文提出一種“基于CAD模面的全工序成形模擬”方法，其工作原理包括以下步驟：(1)拉延工藝設(shè)計(jì)，在CATIA軟件中進(jìn)行拉延工藝造型設(shè)計(jì)，其中包含沖壓方向設(shè)定、壓料面設(shè)計(jì)、工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)、拉延筋、坯料設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)等工作內(nèi)容；(2)拉延工藝校核，在AutoForm軟件中進(jìn)行拉延工藝可行性驗(yàn)證，并根據(jù)成形模擬結(jié)果對(duì)拉延工藝進(jìn)行優(yōu)化；(3)后工序工藝設(shè)計(jì)，在CATIA軟件中以拉延工序數(shù)模為基準(zhǔn)展開(kāi)后工序工藝造型設(shè)計(jì)，其中包括修邊線設(shè)計(jì)、廢料刀布局設(shè)計(jì)、翻邊模面設(shè)計(jì)、整形模面設(shè)計(jì)、沖孔設(shè)計(jì)等工作內(nèi)容；(4)后工序工藝校核，在AutoForm軟件中進(jìn)行以拉延工藝模擬結(jié)果為基準(zhǔn)展開(kāi)后工序工藝可行性驗(yàn)證，并根據(jù)成形模擬結(jié)果對(duì)后工序工藝進(jìn)行優(yōu)化。圖1為基于CAD模面的全工序成形模擬示意圖。

2 沖壓工藝分析

翼子板與發(fā)動(dòng)機(jī)罩、前大燈、前保險(xiǎn)杠、輪眉飾板、裙邊飾板、前門、A柱等眾多零件存在配合關(guān)系，相互之間的裝配間隙、面差有著嚴(yán)格的尺寸公差要求[10]。對(duì)于翼子板沖壓?jiǎn)渭?，不僅要有足夠的強(qiáng)度和剛度，保證外觀面曲率連續(xù)、棱線清晰，不允許出現(xiàn)凸點(diǎn)、壓痕、面畸變等缺陷，還要有良好的尺寸精度。因此，翼子板的沖壓工藝設(shè)計(jì)存在較大難度。

圖2為某SUV車型翼子板幾何模型，產(chǎn)品外形尺寸為1 156 mm×774 mm×237 mm，料厚t=0.65 mm，材質(zhì)為JAC270D-45/45，等同于寶鋼DC54D-ZF，屬于一種熱鍍鋅軟鋼，屈服強(qiáng)度Ys=130～200 MPa，抗拉強(qiáng)度Ts=270～350 MPa，斷面延伸率El≥38%，各向異性指數(shù)r≥1.6，加工硬化指數(shù)n≥0.18。圖2中各區(qū)域名稱分別為發(fā)動(dòng)機(jī)罩區(qū)域A、前大燈區(qū)域B、前保險(xiǎn)杠區(qū)域C、輪眉飾板區(qū)域D、裙邊飾板區(qū)域E、前門區(qū)域F、A柱區(qū)域G。由圖2可知，發(fā)動(dòng)機(jī)罩區(qū)域A、前保險(xiǎn)杠區(qū)域C、前門區(qū)域F均存在負(fù)角造型，且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、型面變化不規(guī)則，由此可見(jiàn)，這三個(gè)區(qū)域的沖壓工藝設(shè)計(jì)屬于翼子板成形工藝的重難點(diǎn)，而拉延工藝又是決定產(chǎn)品成形工藝優(yōu)劣的關(guān)鍵。因此，以下分別對(duì)其進(jìn)行沖壓工藝分析及拉延模面設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行介紹。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩區(qū)域成形工藝分析

發(fā)動(dòng)機(jī)罩區(qū)域A在拉延成形過(guò)程中流入量較大，易產(chǎn)生沖擊線，為了避免沖擊線流入零件外觀面，在進(jìn)行拉延工藝模面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)二級(jí)臺(tái)階及足夠多的工藝補(bǔ)充面，使沖擊線始終位于廢料區(qū)域，同時(shí)還要保證該部位的坯料能夠獲得充分的拉伸變形。圖3為翼子板發(fā)動(dòng)機(jī)罩區(qū)域A拉延工藝補(bǔ)充面斷面示意圖。

2.2 前保險(xiǎn)杠區(qū)域成形工藝分析

前保險(xiǎn)杠區(qū)域C存在多個(gè)臺(tái)階面、且成形深度大，后工序整形過(guò)程中存在變形不均勻現(xiàn)象，從而容易出現(xiàn)開(kāi)裂、起皺以及回彈大等品質(zhì)缺陷。為了解決這一系列問(wèn)題，在進(jìn)行工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免在后工序整形過(guò)程中發(fā)生過(guò)度拉伸變形或多料失穩(wěn)。圖4為翼子板前保險(xiǎn)杠區(qū)域C拉延工藝補(bǔ)充面斷面示意圖。

2.3 前門區(qū)域成形工藝分析

前門區(qū)域F側(cè)翻邊法蘭較寬，達(dá)到25 mm，負(fù)角為45°，無(wú)法直接一次翻邊成形，因此需要采用先預(yù)翻邊再側(cè)翻邊的工藝方案。為了降低預(yù)翻邊造成的額外面畸變，在進(jìn)行工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按照預(yù)翻邊成形趨勢(shì)隨形設(shè)計(jì)。同時(shí)，為了增加前門區(qū)域F能夠獲得足夠的形狀凍結(jié)性，還需要在此處設(shè)計(jì)隆起造型，以保證零件尺寸精度。圖5為翼子板前門區(qū)域F拉延工藝補(bǔ)充面斷面示意圖。

3 拉延工藝模面設(shè)計(jì)

將翼子板產(chǎn)品數(shù)模導(dǎo)入CATIA軟件，創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)模塊(generative surface design, GSD)中展開(kāi)拉延工藝模面設(shè)計(jì)，將拉延序命名為OP10。首先確定沖壓中心和沖壓方向，沖壓中心以產(chǎn)品幾何重心為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行整十倍數(shù)圓整獲得，該翼子板沖壓中心坐標(biāo)為(X：0 mm,Y：925 mm,Z：575 mm)，沖壓方向設(shè)定需考慮產(chǎn)品主棱線滑移、外觀面沖擊線、材料利用率以及后工序工藝布局成立性等因素，通過(guò)綜合評(píng)估，確定該翼子板沖壓方向?yàn)槔@X軸旋轉(zhuǎn)65°，繞Y軸旋轉(zhuǎn)-4°，繞Z軸旋轉(zhuǎn)5°。其次是壓料面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)壓料面時(shí)，應(yīng)保證產(chǎn)品各部位成形深度盡量均勻一致，壓料面與水平面夾角不得過(guò)大，對(duì)于翼子板而言，壓料面角度一般要求在30°以下，壓料面曲率半徑應(yīng)大于產(chǎn)品斷面曲率半徑。再次是工藝補(bǔ)充面及拉延筋設(shè)計(jì)，參考上述翼子板各區(qū)域工藝補(bǔ)充面截面參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的曲面造型設(shè)計(jì)。最后是坯料設(shè)計(jì)，坯料尺寸按照3%～5%拉伸變形量進(jìn)行估算確定，并考慮可連續(xù)落料排樣來(lái)設(shè)定坯料輪廓。最終設(shè)計(jì)的翼子板拉延工藝模面如圖6所示。

4 拉延工藝校核

4.1 拉延有限元模型建立

利用CATIA軟件IGS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口將拉延工藝模面數(shù)據(jù)導(dǎo)入至AutoForm軟件中，建立幾何模型并進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。為了保證分析精度，有限元網(wǎng)格需采用EPS11(elastic plastic shell use 11 layers)類型的彈塑性殼單元。支撐類型選用“Force Controlled”，工具體剛度設(shè)置為25 MPa/mm，壓邊力設(shè)置為1 100 kN，拉伸墊行程設(shè)置為120 mm，沖壓速度設(shè)置為240 mm/s，等效SPM=10，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15。各項(xiàng)工藝參數(shù)與有限元模型如圖7所示。

4.2 分析結(jié)果與工藝優(yōu)化

由圖8a～e可知，翼子板拉延成形過(guò)程中，塑性變形充分，成形過(guò)程未出現(xiàn)波紋和起皺現(xiàn)象，表明成形過(guò)程收斂可信，滿足零件成形質(zhì)量需求。但從成形結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，翼子板主棱線發(fā)生較大滑移，滑移量達(dá)到4.6 mm，超出主棱線圓角半徑(R2.5 mm)，如圖8f所示。

翼子板主棱線發(fā)生滑移的原因有2個(gè)：一是成形初期凸模圓角過(guò)早與坯料接觸；二是凸模圓角兩側(cè)材料流動(dòng)阻力不平衡。由于滑移線朝著出料方向側(cè)滑動(dòng)，說(shuō)明進(jìn)料方向側(cè)材料流動(dòng)阻力小于出料方向側(cè)，且凸模主棱線靠近出料方向側(cè)型面先于靠近進(jìn)料方向側(cè)型面接觸坯料。因此，需要對(duì)拉延序沖壓方向及壓料面進(jìn)行調(diào)整，使主棱線兩側(cè)型面與坯料夾角大致相等，同時(shí)盡量減小進(jìn)、出料方向兩側(cè)壓料面角度差異，沖壓方向及壓料面優(yōu)化方案及工藝優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖9所示。由圖9c可知，工藝優(yōu)化后，翼子板主棱線最大滑移量為2.2 mm，小于主棱線圓角半徑(R2.5 mm)，零件實(shí)物發(fā)生滑移可能性極低，主棱線滑移風(fēng)險(xiǎn)得以解決。

5 后工序工藝模面設(shè)計(jì)

綜合考慮產(chǎn)品成形工藝特點(diǎn)及拉延工藝CAE分析結(jié)果，將翼子板后工序成形工藝設(shè)定為：修邊、沖孔、側(cè)修邊、側(cè)沖孔，命名為OP20；翻邊、整形、側(cè)翻邊、側(cè)整形，命名為OP30；沖孔、側(cè)沖孔、側(cè)翻邊。由于該翼子板需滿足工序間自動(dòng)化搬送傳遞的要求，因此，后工序沖壓中心應(yīng)與拉延序保持一致，沖壓方向在Y、Z方向的旋轉(zhuǎn)角度也需要與拉延序保持一致，同時(shí)，相鄰工序之間，X方向旋轉(zhuǎn)角度不得大于15°。通過(guò)分析，確定后工序沖壓方向分別為：OP20(X:75°,Y:-4°,Z:5°)，OP30(X:80°,Y:-4°,Z:5°)，OP40(X:85°,Y:-4°,Z:5°)。為了方便后工序在AutoForm中能夠更加便捷、準(zhǔn)確地分析，后工序上模、下模、壓料板以及成形類鑲塊需要分別單獨(dú)設(shè)計(jì)。最終設(shè)計(jì)完成的OP20、OP30、OP40工藝模面如圖10所示。

6 后工序工藝校核

6.1 后工序有限元模型建立

在AutoForm拉延工藝CAE分析結(jié)果基礎(chǔ)上導(dǎo)入后工序工藝模面數(shù)據(jù)，并分別進(jìn)行各工序幾何模型建立及有限元網(wǎng)格劃分，各工序有限元模型如圖11所示。

6.2 分析結(jié)果與工藝優(yōu)化

OP20、OP30、OP40成形工藝模擬結(jié)果分別如圖12a～c所示，模擬結(jié)果表明翼子板各工序變形充分，整體成形效果滿足質(zhì)量需求，僅在前保險(xiǎn)杠區(qū)域C產(chǎn)生起皺，該區(qū)域立壁最大起皺因子達(dá)到0.17，遠(yuǎn)大于產(chǎn)品面0.05的起皺極限，存在嚴(yán)重起皺風(fēng)險(xiǎn)，如圖12d所示。

造成零件在整形過(guò)程中發(fā)生起皺、疊料的原因通常為工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)不合理，整形過(guò)程中局部區(qū)域工藝補(bǔ)充面截面線長(zhǎng)大于產(chǎn)品截面線長(zhǎng)，從而導(dǎo)致材料堆積，形成多料起皺。針對(duì)這種由于工藝補(bǔ)充面線長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)所導(dǎo)致的起皺，需要修正拉延序工藝補(bǔ)充面，可通過(guò)減小工藝補(bǔ)充面拔模角度、成形圓角半徑、工藝補(bǔ)充面寬度等方法來(lái)縮短工藝補(bǔ)充面截面線長(zhǎng)，使后工序整形時(shí)工藝補(bǔ)充面截面線長(zhǎng)小于產(chǎn)品截面線長(zhǎng)，進(jìn)而改善后工序整形起皺。具體工藝優(yōu)化方案與仿真結(jié)果如圖13所示。由圖13c可知，工藝優(yōu)化后，前保險(xiǎn)杠區(qū)域C立壁最大起皺因子降低至0.04，未超出產(chǎn)品面0.05的起皺極限，起皺風(fēng)險(xiǎn)大幅下降。

7 模具調(diào)試驗(yàn)證

以優(yōu)化后的全工序沖壓工藝模面指導(dǎo)翼子板沖壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證，實(shí)際試模結(jié)果與最終CAD工藝模面仿真結(jié)果基本吻合。翼子板零件主棱線未產(chǎn)生明顯滑移，前保險(xiǎn)杠區(qū)域C立壁處也為發(fā)生起皺，零件質(zhì)量滿足工業(yè)化生產(chǎn)需求。零件與模具實(shí)物照片如圖14所示。

8 結(jié)語(yǔ)

(1)在設(shè)計(jì)翼子板沖壓工藝模面時(shí)，通過(guò)將典型工藝補(bǔ)充面斷面參數(shù)嵌入至CAD軟件，可實(shí)現(xiàn)工藝模面的快速建模，從而解決在CAE軟件中需要反復(fù)調(diào)整工藝補(bǔ)充面的問(wèn)題。

(2)利用CAD/CAE軟件協(xié)同方法，可適時(shí)進(jìn)行CAD工藝模面修改和CAE成形模擬驗(yàn)證，充分準(zhǔn)確識(shí)別了翼子板全工序成形過(guò)程中的潛在質(zhì)量缺陷，并提出了相應(yīng)的工藝模面優(yōu)化方案。

(3)以盡量貼近實(shí)際生產(chǎn)工況的工藝參數(shù)進(jìn)行翼子板全工序成形模擬，獲得了可信性較高的仿真結(jié)果，與實(shí)際試模結(jié)果保持了高度吻合，表明基于CAD模面的全工序成形模擬技術(shù)能夠有效指導(dǎo)產(chǎn)品質(zhì)量控制及模具設(shè)計(jì)。