全工序CAE 分析技術(shù)在側(cè)圍模具開發(fā)中的應(yīng)用

文／魏本華，葉立淵·北汽重型汽車有限公司

側(cè)圍外板是車身最重要的零件，同時(shí)也是模具開發(fā)過程中工藝開發(fā)難度非常大的零件。側(cè)圍外板潛在的工藝難點(diǎn)和質(zhì)量缺陷比較多。隨著沖壓成形CAE 分析技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為在工藝審查和工藝設(shè)計(jì)階段規(guī)避質(zhì)量缺陷，確保模具開發(fā)周期提供了有效的保證手段。

CAE 成形分析是近年伴隨計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)步，逐步發(fā)展成熟的鈑金成形虛擬驗(yàn)證技術(shù)。目前國際上主要的鈑金成形CAE 分析軟件有美國ETA 公司的Dynaform，法國ESI 集團(tuán)的PAM 系列軟件，德國AutoForm工程有限公司的AutoForm。國內(nèi)主要有吉林金網(wǎng)格模具工程研究中心的KMAS 軟件，北京航空航天大學(xué)的SheetForm 軟件，華中科技大學(xué)的Vform軟件等。從最初的拉延成形CAE 分析，到目前的全工序CAE 虛擬驗(yàn)證，該技術(shù)為沖壓模具行業(yè)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。

通過沖壓件同步工程階段及模具工藝設(shè)計(jì)階段的CAE分析驗(yàn)證，可為沖壓件質(zhì)量目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供保證，大幅縮減模具調(diào)試時(shí)間，降低工藝失敗或反復(fù)調(diào)試造成的模具開發(fā)成本。本文以實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)為依托，論述使用AutoForm 軟件針對某車型側(cè)圍外板潛在的典型問題點(diǎn)進(jìn)行全工序CAE 分析驗(yàn)證，并制定和實(shí)施相應(yīng)的優(yōu)化對策方案。

側(cè)圍外板開發(fā)典型問題分析

車身主特征棱線滑移問題

車身主特征線形狀是車型的重要造型風(fēng)格詮釋，是最容易引起視覺關(guān)注的關(guān)鍵特征。成形過程中一般確保該棱線首先觸料，如果模具開發(fā)過程中拉延工序的沖壓方向選擇不恰當(dāng)，使零件成形過程中該觸料點(diǎn)產(chǎn)生偏移，就會(huì)造成棱線不清晰的質(zhì)量缺陷，嚴(yán)重影響油漆車身的視覺效果。

模具凹模口沖擊痕流入外觀面問題

沖擊痕又分為一次沖擊痕和二次沖擊痕。一次沖擊痕由凹?？跊_擊形成，對板料表面的破壞較大，不可流入外觀面；二次沖擊痕由凹模的工藝臺階R 角沖擊形成，原則上不允許流入外觀面。沖擊痕一旦流入就會(huì)造成車身涂裝后可見的視覺缺陷。

沖壓件整體剛度問題

鋼板在成形過程中受拉伸影響，產(chǎn)生塑性變形及加工硬化，如果沖壓件拉伸不充分，則零件剛性不足。我們一般要求外板件拉伸變薄率在3%以上，即主應(yīng)變在3%以上，且次應(yīng)變不允許出現(xiàn)負(fù)值。

A 柱風(fēng)窗下緣止口法蘭面起皺波浪問題

側(cè)圍A 柱下緣與翼子板搭接處，玻璃安裝法蘭面與側(cè)圍A 柱外露面及翼子板避讓位置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)面，大多呈現(xiàn)近似三角形長度關(guān)系，三角形兩邊之和大于第三邊，拉延形成的工藝形狀通過側(cè)整形變?yōu)榉ㄌm面，多料造成起皺，影響玻璃安裝面的涂膠及密封效果。

B 柱上下端起皺、波浪問題

側(cè)圍的B 柱上下兩端呈“T”字形結(jié)構(gòu)，斷面線長變化較大，造成線長較短的部位出現(xiàn)多料，呈現(xiàn)起皺、波浪缺陷。

C 柱側(cè)風(fēng)擋前側(cè)下緣起皺問題

側(cè)圍的C 柱側(cè)風(fēng)擋前下角部位，同樣由于斷面線長度差的問題，且在長度較短范圍內(nèi)變化劇烈，造成斜坡面多料起皺。

加油口及形狀類似部位面品波浪問題

側(cè)圍的加油口及側(cè)風(fēng)擋拐角等部位，拉延過程中由于材料流動(dòng)，造成材料聚積，面品波浪不平的缺陷。缺陷識別方法為：專業(yè)檢測人員局部打油石可見不連續(xù)的斷線、斷面或戴手套觸摸劃過有缺陷類的觸感。

各形狀急劇變化缺料部位的破裂問題

其余拉延深度較大或形狀變化劇烈部位的拉延或翻整破裂。

材料聚積及翻邊多料部位的起皺問題

其余成形多料或材料流動(dòng)積聚造成的起皺。

針對側(cè)圍外板典型問題的CAE 分析驗(yàn)證及對策

車身主特征棱線滑移問題

沖壓方向確定后，一旦特征線左右拉伸角度相差較大，受力不均衡，就會(huì)產(chǎn)生棱線滑移缺陷(圖2)。該問題可以通過CAE 分析技術(shù)(圖3)準(zhǔn)確驗(yàn)證：通過調(diào)整X、Y、Z 的旋轉(zhuǎn)角度，找到棱線滑移最小的沖壓方向。對于達(dá)到料厚20 倍以上的特征R 值，基本可以忽略其滑移影響。

圖2 滑移缺陷示意圖

圖3 CAE 分析

模具凹?？跊_擊痕流入外觀面問題

通過CAE 分析驗(yàn)證，可以發(fā)現(xiàn)一次沖擊痕及二次沖擊痕均接近外觀A 面(圖4、圖5)，實(shí)際模具開發(fā)過程中存在較大隱患，我們一般要求CAE 分析階段沖擊痕距離A 面要有5mm 以上安全距離。

圖4 一次沖擊痕

圖5 二次沖擊痕

圖6 斷面為沖擊痕產(chǎn)生機(jī)理，分析斷面形狀可以看出：緩解一次沖擊痕的對策為拉延Punch Profile 外移，但相同條件下，二次沖擊痕會(huì)變得更加嚴(yán)重；緩解二次沖擊痕的對策為Punch Profile 內(nèi)收，或者Binder 面下移加大拉延深度，另外旋轉(zhuǎn)沖壓件角度，放緩側(cè)壁對緩解沖擊痕有效果。

圖6 沖擊痕產(chǎn)生機(jī)理

首先，根據(jù)滑移痕的分析狀況，結(jié)合沖擊痕流入外觀面的情況，確定沖壓件拉延方向；之后，以此為基礎(chǔ)，調(diào)整Punch Profile 位置，確保一次沖擊痕距離外觀面5mm 以上；然后調(diào)整工藝補(bǔ)充斷面形狀，包括Binder 深度及二次沖擊部位R 角的大小，使其盡可能晚的接觸板料。

側(cè)壁特別陡的產(chǎn)品，存在二次沖擊痕無法徹底抑制在A 面之外的情況，我們一般采用放大沖擊部位R角或在凹?？阼偳赌湍ズ辖?如鈹銅)的策略，減小二次沖擊痕實(shí)際感受，可做到涂裝后不可見。

沖壓件整體剛度問題

通過CAE分析軟件，對拉延成形變薄率進(jìn)行檢查，可以提前判斷沖壓件剛度是否達(dá)標(biāo)，如圖7 所示：局部拉延變薄率不大于3%(未達(dá)標(biāo))；通過CAE 技術(shù)提前識別此問題后，可以通過調(diào)整拉延筋強(qiáng)度等對策，確保變薄率指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，圖8 所示變薄率已達(dá)標(biāo)，并接近完美狀態(tài)，對應(yīng)狀態(tài)的參數(shù)設(shè)置可作為拉延筋加工數(shù)據(jù)的參考。

圖7 優(yōu)化前CAE 分析變薄率

圖8 優(yōu)化后CAE 分析變薄率

A 柱風(fēng)窗下緣止口法蘭面起皺波浪問題

側(cè)圍外板A 柱風(fēng)窗下緣止口部位，在拉延后的側(cè)整形工序處于多料狀態(tài)，導(dǎo)致玻璃安裝法蘭面起皺波浪問題，影響涂膠及密封，如圖9 所示。基于此典型缺陷的存在，我們提前考慮采用壓料整形工藝，并使用CAE 分析技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，機(jī)構(gòu)工作原理如圖10所示。CAE 分析后結(jié)果如圖11 所示，證明該方案可行有效，為工藝技術(shù)方案的確定提供了有力支持。

圖9 A 柱優(yōu)化前起皺波浪問題

圖10 采用壓料整形工藝

圖11 A 柱起皺波浪問題優(yōu)化后CAE 可行性分析

B 柱上下端起皺波浪問題

如圖12 所示，側(cè)圍B 柱上下端由于斷面線長差異的問題，拉延過程中要料少的部位由于多料會(huì)產(chǎn)生波浪不平。如圖13 所示，CAE 分析判斷后，通過優(yōu)化產(chǎn)品造型，增加吸料的形狀特征，再次CAE 驗(yàn)證，問題解決，如圖14 所示。

圖12 B 柱優(yōu)化前起皺波浪問題

圖13 優(yōu)化B 柱產(chǎn)品造型

圖14 B 柱起皺波浪問題優(yōu)化后CAE可行性分析

C 柱側(cè)風(fēng)擋前側(cè)下緣起皺問題

如圖15 所示，C 柱側(cè)風(fēng)擋前側(cè)下緣由于形狀變化激烈，斷面線長差異較大，CAE 分析出現(xiàn)嚴(yán)重起皺問題。我們采取兩種對策：①優(yōu)化產(chǎn)品，在不妨礙玻璃安裝的前提下，局部增加吸皺形狀，加大斷面長度；②更改拉延工藝補(bǔ)充形狀，余肉部分增加鼓包，進(jìn)一步加大斷面長度，防止起皺，如圖16 所示。經(jīng)過CAE 驗(yàn)證最終效果良好，見圖17。

圖15 C 柱優(yōu)化前起皺問題

圖16 優(yōu)化C 柱產(chǎn)品造型

圖17 C 柱起皺問題優(yōu)化后CAE 可行性分析

加油口及形狀類似部位面品波浪問題

如圖18 所示，加油口位置翻邊R 角采用先過拉延成形后修邊的方案，經(jīng)CAE 分析驗(yàn)證：周邊面品缺陷較嚴(yán)重。經(jīng)過分析，采用將加油口補(bǔ)平，修邊后周圈強(qiáng)壓翻邊的方案，見圖19。經(jīng)過CAE 驗(yàn)證面品質(zhì)量較好，無缺陷，如圖20 所示。

圖18 加油口優(yōu)化前開裂嚴(yán)重

圖19 加油口優(yōu)化工藝方案

圖20 加油口優(yōu)化后CAE 可行性分析

形狀急劇變化缺料部位的破裂問題

產(chǎn)品形狀變化劇烈或成形角度在沖壓方向比較陡的立面部位，在拉延或整形工藝過程中容易開裂，如圖21所示；通過CAE分析技術(shù)，提前發(fā)掘潛在問題點(diǎn)，并在同步工程階段優(yōu)化產(chǎn)品，或在工藝設(shè)計(jì)階段優(yōu)化工藝補(bǔ)充面形狀，如圖22 所示。達(dá)到提前解決問題，提高模具調(diào)試工作效率的目的。

圖21 缺料部位優(yōu)化前開裂嚴(yán)重

圖22 缺料部位優(yōu)化后無開裂問題

材料聚積及翻邊多料部位的起皺問題

在翻邊R 角特征部位，由于翻邊多料容易造成翻邊起皺、開裂缺陷，如圖23 所示。通過使用CAE 翻邊模擬的驗(yàn)證，可以迅速識別并解決起皺缺陷；主要的措施有：變更產(chǎn)品翻邊部位的數(shù)據(jù)(開翻邊工藝缺口)，變更翻邊順序(由1 次FL 變更為FL+CFL)，優(yōu)化方案見圖24,優(yōu)化后效果見圖25。

圖23 優(yōu)化前翻邊R 角特征部位出現(xiàn)起皺

圖24 優(yōu)化方案(FL+CFL，加缺口)

圖25 優(yōu)化后翻邊R 角特征部位無缺陷

結(jié)束語

全工序CAE 分析技術(shù)在側(cè)圍外板沖壓件設(shè)計(jì)同步工程和模具工藝設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用，對新開發(fā)車型側(cè)圍外板的潛在問題識別、方案優(yōu)化驗(yàn)證以及模具工藝方案驗(yàn)證，產(chǎn)生了顯著的提升效果，具有重要的意義。經(jīng)過全工序CAE 虛擬驗(yàn)證后的側(cè)圍外板數(shù)模及工藝方案，使后續(xù)模具開發(fā)過程非常順利，確保了質(zhì)量目標(biāo)和項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)的達(dá)成。全工序CAE 分析技術(shù)不僅對車身外板件、結(jié)構(gòu)件的開發(fā)過程適用，對高強(qiáng)板、鋁合金和熱成形件等也同樣適用。