金屬鈑金表面覆蓋件沖壓工藝研究

蘇立榮

隨著鈑金行業(yè)的快速發(fā)展，在鈑金設(shè)計(jì)的工序中，沖壓設(shè)計(jì)是鈑金加工中最重要的，而在沖壓設(shè)計(jì)之中，覆蓋件相應(yīng)的模具設(shè)計(jì)是最重要的。一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，鈑金開發(fā)過(guò)程中的百分之八十都是要通過(guò)模具來(lái)完成。生產(chǎn)鈑金需要沖壓件和模具，在模具上的投入也是十分昂貴的。鈑金機(jī)械的設(shè)計(jì)研發(fā)周期較長(zhǎng)，大部分的時(shí)間都是在研究表面覆蓋件的結(jié)構(gòu)和制造，因此，縮短模具設(shè)計(jì)和制造時(shí)間，成為一個(gè)縮短設(shè)計(jì)周期的重要突破口。鈑金表面上的覆蓋部分沖壓件的材料厚度在毫米級(jí)別，結(jié)構(gòu)尺寸比較大，而且對(duì)表面的質(zhì)量要求也非常高，這就要求對(duì)模具有更好的設(shè)計(jì)。

汽車車身上的覆蓋部分起到了沖壓的作用，并且他和一般的負(fù)責(zé)沖壓的零件是不一樣的，其形狀大都為流線型，沖壓件的材料厚度在毫米級(jí)別，結(jié)構(gòu)尺寸比較大，而且對(duì)表面的質(zhì)量要求也是非常高，這就要求對(duì)模具有更好的設(shè)計(jì)。而在沖壓件模具設(shè)計(jì)的過(guò)程中關(guān)鍵的一點(diǎn)就是預(yù)測(cè)沖壓過(guò)程中可能出現(xiàn)的缺陷，在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行有效的規(guī)避，不讓缺陷在工藝工程中產(chǎn)生。沖壓的坯料狀態(tài)不一，各個(gè)部分的受力以及要求的材料流動(dòng)方向不一，得到一個(gè)合格的汽車覆蓋件必須通過(guò)多項(xiàng)工序完成，利用少量的工作流程可以使得制造價(jià)格變的便宜一些，而且也可以加速生產(chǎn)的效率，而降低生產(chǎn)工序的前提就是正確的分析各道工序。下表給出了幾種經(jīng)典的車型的車身工序?qū)Ρ取?/p>

表1 工序數(shù)對(duì)比

早期的鈑金模具工藝，常見缺陷的規(guī)避以及處理是根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，理論不夠完善、系統(tǒng)，從而導(dǎo)致沖壓件模具設(shè)計(jì)的周期過(guò)長(zhǎng)，從而阻礙了汽車的蓬勃發(fā)展，很難在市場(chǎng)中占有首要地位。

我國(guó)科學(xué)家在1950 年提出了一種有限元的思想，但是由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)水平落后，有限元技術(shù)的發(fā)展也不盡人意。后來(lái)，電腦的產(chǎn)生推動(dòng)了有限元技術(shù)的發(fā)展，直到現(xiàn)在，這種技術(shù)已經(jīng)變得成熟起來(lái)。有限元技術(shù)和非線性理論應(yīng)用在各種工況的模擬中，為各種設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)提供了方便，人們開始將有限元理論和非線性模擬用于沖壓設(shè)計(jì)中。有限元技術(shù)填補(bǔ)了沖壓工藝的理論設(shè)計(jì)的空白，用有限元模擬的數(shù)據(jù)說(shuō)話使得設(shè)計(jì)向定量化方向發(fā)展。計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)貫穿于沖壓的始末，還可以動(dòng)態(tài)模擬整個(gè)沖壓過(guò)程，可以實(shí)時(shí)分析沖壓過(guò)程中材料流動(dòng)和材料應(yīng)力情況，觀察出現(xiàn)缺陷的位置，從而提前預(yù)知可能會(huì)產(chǎn)生的問(wèn)題，為車身設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的論據(jù)。在仿真過(guò)程中，可以對(duì)材料的利用率、成形質(zhì)量以及成本等方面做優(yōu)化，對(duì)于提高品牌在汽車行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力具有重要作用。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 板料成形有限元模擬技術(shù)

有限元技術(shù)的基本思想是近似的思想，利用有限單元逼近整體狀態(tài)，研究每一個(gè)單元從而推廣到結(jié)構(gòu)整體。這種技術(shù)早期使用在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算上，人們發(fā)現(xiàn)了有限元方法的便捷性和有效性，從而在大范圍內(nèi)推廣開來(lái)。該技術(shù)最早由克勞夫在1960年提出，主要用來(lái)解決彈性力學(xué)的問(wèn)題。將該技術(shù)運(yùn)用在鈑金板料成形開始于1960 年前后，研究初期，常用的有限元單元是薄膜單元，有些學(xué)者將動(dòng)力學(xué)理論和彈性力學(xué)理論相結(jié)合，有效的解決了針對(duì)變形工件的問(wèn)題。1976 年的時(shí)候，Weifi 使用該技術(shù)解決了板料成圓形的時(shí)候膨脹的狀態(tài)問(wèn)題，1978 年，Wang 和Budianshy 運(yùn)用該技術(shù)解決了球狀沖頭分析膨脹，并且和實(shí)驗(yàn)結(jié)果幾乎吻合，從而該技術(shù)也變得日趨成熟。

后來(lái)在80 年代末，動(dòng)態(tài)顯示解法開始興起，被用來(lái)解決靜態(tài)情況下工件成型的過(guò)程。后來(lái)金屬生產(chǎn)公司研究了彈塑性薄膜單元，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的表面數(shù)據(jù)做了一系列分析，主要研究的是工件呈方盒形狀，在拉伸延展過(guò)程中的靜力分析，得到的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保持一致。1989 年，A.Honecke 運(yùn)用有限元的技術(shù)分析了盒狀物體，得到的結(jié)果也和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。此后，有限元模擬的發(fā)展的規(guī)模已經(jīng)開始增加，由簡(jiǎn)單的一維圖形增加到三維結(jié)構(gòu)，從一般的薄膜單元再到后來(lái)的殼單元。

90 年代以來(lái)，金屬鈑金覆蓋件的主要組成部分—鈑金的設(shè)計(jì)制造技術(shù)發(fā)展迅猛，舉辦了第一屆板料成形三維數(shù)值仿真國(guó)際會(huì)議，會(huì)議成功舉辦并對(duì)板料成形有限元技術(shù)的發(fā)展起了極大的推進(jìn)作用。各大汽車公司對(duì)該技術(shù)都極度關(guān)注，某些汽車公司開始使用有限元技術(shù)輔助設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造過(guò)程。

圖1 在鈑金覆蓋件產(chǎn)品開發(fā)中的數(shù)值模擬

1.2 沖壓數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外對(duì)于沖壓數(shù)值模擬研究的熱點(diǎn)，是利用有限元技術(shù)模擬沖壓和成形鈑金表面覆蓋件的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。利用FEM 技術(shù)去模擬所需金屬鈑金模型廣泛受人們的關(guān)注，其中一般用到的方法是一步法和增量法。在整車的設(shè)計(jì)和開發(fā)過(guò)程中，常需要對(duì)問(wèn)題進(jìn)行再研究，因?yàn)槠嚫采w件的壓制不能平穩(wěn)地進(jìn)行。該問(wèn)題的解決方案是在造型完成后立即進(jìn)行生產(chǎn)線檢查，并且在生產(chǎn)線完成后立即修改問(wèn)題，直到生產(chǎn)線沒有問(wèn)題。減少研發(fā)設(shè)計(jì)周期，同時(shí)降低成本。這個(gè)方法稱之為“一步法”。增量法與一步法思路相反。一步法的時(shí)間需求短，對(duì)一些中小尺寸的工件只需要20min，可正確預(yù)測(cè)毛坯材料。因此，在開始階段一般使用該方法?，F(xiàn)在，基于一步法分析板料成形過(guò)程的軟件有瑞士的AutoForm/One-step 以及加拿大的Fast3D。

不同的鈑金材料由于體積大小不同，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致了在沖壓過(guò)程中，毛坯的受力狀態(tài)復(fù)雜，設(shè)計(jì)者無(wú)法有效判斷坯料沖壓過(guò)程。模擬過(guò)程通常采用增量仿真軟件。相比于基于一步法的仿真軟件，增量法的精度高，但是運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，它可以模擬整個(gè)成型過(guò)程中板料的狀態(tài)。對(duì)于成形過(guò)程中，鈑金材料所可能產(chǎn)生的缺陷都會(huì)被軟件模擬出來(lái)，最后軟件會(huì)根據(jù)分析結(jié)果，給出評(píng)估報(bào)告以及坯料預(yù)測(cè)。當(dāng)前常用的軟件可以將材料的流動(dòng)方向，厚度和形狀的變化，板材可能產(chǎn)生的缺陷、回彈、殘余應(yīng)力和應(yīng)變等分析出來(lái)，并給出評(píng)估和預(yù)測(cè)報(bào)告，對(duì)沖壓模具設(shè)計(jì)、坯料選擇等生產(chǎn)過(guò)程具有指導(dǎo)意義。

在FEM 技術(shù)成熟的過(guò)程中，誕生出具有很多分析方法的有限元模擬軟件，比如美國(guó)的LS-DYNA 軟件，ETA 公司開發(fā)的DYNAFORM 等。在20 世紀(jì)90 年代末期，中國(guó)開發(fā)CAE 軟件與CAD / CAM 結(jié)合已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。后來(lái)，吉林工業(yè)大學(xué)開發(fā)了一種新軟件，該軟件可以模擬工件在成型過(guò)程中受沖壓情況下的模擬。1990 年，熊火倫利用了ADINA 軟件完成一項(xiàng)新的模擬，該模擬成功的再現(xiàn)了鈑金表面覆蓋的制造流程。哈工大的郭剛建立一個(gè)新的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以有效的模擬大變形，并且他成功的對(duì)直壁的沖壓過(guò)程進(jìn)行了分析。后來(lái)許委黎發(fā)現(xiàn)工件在拉伸過(guò)程中容易產(chǎn)生缺陷，并且成功模擬了這一問(wèn)題。上海交通大學(xué)的唐炳濤提出一種新的算法，該算法可以用來(lái)模擬板材的成型過(guò)程，并就此開發(fā)了INVERSTMP。

國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)將有限元技術(shù)用于汽車開發(fā)過(guò)程中的時(shí)間較早，但是發(fā)展初期極為緩慢，大多數(shù)的汽車生產(chǎn)制造商的有限元理論不夠系統(tǒng)，將有限元理論用于鈑金表面覆蓋件的設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造的能力不足，仿真水平較低。國(guó)內(nèi)的合資企業(yè)，其生產(chǎn)制造加工在國(guó)內(nèi)進(jìn)行，但是其技術(shù)支持、設(shè)計(jì)等均在國(guó)外進(jìn)行，與國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)的交流還是不夠。國(guó)內(nèi)的制造階段，雖然做出了有限元仿真，但是其結(jié)果的真實(shí)性還有待驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)各大廠商意識(shí)到有限元技術(shù)的重要性，開始組建自己的人才隊(duì)伍，結(jié)合本身的生產(chǎn)過(guò)程中的問(wèn)題，利用FEM 技術(shù)去進(jìn)行板料成型研究。

1.3 沖壓數(shù)值模擬研究方向

近幾年來(lái)，F(xiàn)EM 技術(shù)發(fā)展日趨成熟，對(duì)于沖壓過(guò)程中常見的缺陷已經(jīng)有了較為成熟的研究，常見的研究方向有以下幾點(diǎn)。

1.3.1預(yù)測(cè)板料破裂

裂紋是在拉伸過(guò)程中最常見的缺陷類型，因?yàn)樵诶爝^(guò)程中產(chǎn)生的徑向拉伸應(yīng)力超過(guò)了薄板的極限。因此，可以利用FEM 技術(shù)給我們提供的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D。根據(jù)成形極限圖（FLD），可以推斷出在拉拔過(guò)程中可能發(fā)生的破裂位置和危險(xiǎn)位置。提供修改覆蓋面的方法或根據(jù)結(jié)果修改工藝參數(shù)，防止發(fā)生開裂。

1.3.2預(yù)測(cè)板料起皺

因?yàn)椴牧系牟痪鶆驅(qū)е碌乃苄宰冃危瑫?huì)使沖壓的過(guò)程中發(fā)生皺起，并且當(dāng)板材不穩(wěn)定時(shí)，皺紋表現(xiàn)為缺陷。在試驗(yàn)過(guò)程中很難發(fā)現(xiàn)輕微的皺折，但是將板料放在光線充裕的地方，會(huì)很容易發(fā)現(xiàn)起皺的地方，從而影響總體的外觀。為了預(yù)測(cè)起皺的部位以及起皺的嚴(yán)重程度，可采用有限元模擬起皺過(guò)程，然后找到成因，調(diào)整工藝參數(shù)、模具結(jié)構(gòu)以及其他方面，有效的消除褶皺。

1.3.3補(bǔ)償回彈

由于材料塑性以及加工過(guò)程中的溫度影響，加工完畢后常出現(xiàn)回彈問(wèn)題，造成回彈的原因非常多，這使得利用有限元技術(shù)數(shù)值模擬出來(lái)的回彈也極不準(zhǔn)確。一方面，可能施加一個(gè)不明確的應(yīng)力場(chǎng)。這是因?yàn)閼?yīng)力場(chǎng)與許多參數(shù)有關(guān)，這些參數(shù)對(duì)結(jié)果有很大影響。另一方面，沒有明確的針對(duì)回彈的算法，計(jì)算回彈的算法大都是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的，簡(jiǎn)化的處理會(huì)導(dǎo)致有些模型與本身具有很大的差距，導(dǎo)致錯(cuò)誤，結(jié)果有限元模擬對(duì)回彈模擬的準(zhǔn)確性不夠準(zhǔn)確，但利用有限元技術(shù)高精度的模擬回彈過(guò)程具有很大的研究空間。

1.3.4 成形性評(píng)價(jià)

鈑金覆蓋件的剛性可以事先通過(guò)使用有限元分析軟件來(lái)成形性進(jìn)行預(yù)測(cè)，成形性更好，更好的沖壓部分的剛性，并且成形性直接受沖壓部的塑性變形的成形過(guò)程中的程度。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程中，只依靠經(jīng)驗(yàn)，這并沒有依據(jù)。經(jīng)過(guò)有限元仿真過(guò)程，材料的流動(dòng)更具有合理性，動(dòng)態(tài)的模擬材料的流動(dòng)過(guò)程還可以直觀的了解材料的流動(dòng)情況。

1.3.5 優(yōu)化壓邊力

壓邊力是需要考量的一個(gè)很重要的因素，其數(shù)值決定著最后質(zhì)量的問(wèn)題，如果控制不好，會(huì)導(dǎo)致起皺甚至是破裂。利用FEM 技術(shù)并且利用一些優(yōu)化方法，可以更好的優(yōu)化該方法。在加工過(guò)程中會(huì)存在一些不合理的沖力使板材發(fā)生開裂或起皺，從而表明加工過(guò)程中存在不合理的部分，需要進(jìn)行調(diào)整。

1.3.6 計(jì)算成形力

關(guān)于沖壓過(guò)程中，沖壓力的選擇，則是參考成形力的大小和壓邊力，更好的選擇沖壓過(guò)程中的壓力。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)則是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定壓邊力的大小，經(jīng)驗(yàn)公式?jīng)]有依靠成形的理論，沒有可靠的依據(jù)，簡(jiǎn)化算法很難得到準(zhǔn)確的結(jié)果，需要經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)算，結(jié)合實(shí)際成形情況，才獲得可用于生產(chǎn)的結(jié)果。如果使用FEM 技術(shù)去完成仿真，則在大幅度減小財(cái)力物力的同時(shí)，可獲得更優(yōu)的成形力。

1.3.7 確定毛坯尺寸及翻邊線

在整個(gè)制造過(guò)程中，鈑金毛坯尺寸的計(jì)算，可以在保證材料充分利用的同時(shí)，保證產(chǎn)品零件的質(zhì)量與精度，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)公式，是在簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上加入了經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素，可用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的零部件計(jì)算，但是當(dāng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，利用早期的公式很難達(dá)到所要求的精度，同時(shí)還會(huì)使整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程變得繁瑣。在利用FEM技術(shù)去仿真材料的流動(dòng)，從而得到所需要的毛坯的長(zhǎng)度，來(lái)提高金屬材料的使用效率，提高零件加工精度和加工質(zhì)量。有限元模擬過(guò)程同樣可用于確定最優(yōu)的翻邊線。

1.3.8 磨損計(jì)算

金屬鈑金模具的磨損處主要是模具和板材之間，這是因其粗糙度和在加工過(guò)程中產(chǎn)生的相對(duì)滑動(dòng)所引起的。FEM 技術(shù)可以用來(lái)仿真工作過(guò)程中的損耗，確定他們磨損的程度，從而可以達(dá)到預(yù)測(cè)的效果來(lái)減少損耗，并且可以延長(zhǎng)使用的時(shí)間，減少資金投入。

2 金屬鈑金表面覆蓋件沖壓CAE分析

因?yàn)楦采w件的特點(diǎn)比較多，具有復(fù)雜的形狀，整體體積大和表面質(zhì)量的要求高等特點(diǎn)，在拉延過(guò)程中要保持較高的精度，從而滿足裝配和功能性的需求。覆蓋件的表面大多是特別復(fù)雜的空間曲面的結(jié)構(gòu)。在拉延過(guò)程中變形的過(guò)程是非常復(fù)雜的，并且由于應(yīng)力分布的不均勻性，導(dǎo)致了板料在整個(gè)拉延過(guò)程中是一個(gè)非典型的拉伸，膨脹過(guò)程。所以說(shuō)，拉延工序是覆蓋件的一個(gè)關(guān)鍵的工序，很多工藝直接決定了最后沖壓的質(zhì)量比如模具的結(jié)構(gòu)和拉延過(guò)程中的補(bǔ)充，而且這些條件也影響了最后的進(jìn)度。使用CAE 技術(shù)完成在沖壓過(guò)程中的模擬，可以模擬力的設(shè)定，潤(rùn)滑的問(wèn)題，還有預(yù)測(cè)金屬的流動(dòng)，應(yīng)力的分布，模具受力導(dǎo)致的成型缺陷也是可以得到的。

DYNAFORM 是一款CAE 軟件，主要針對(duì)板料成型的模擬，該軟件是由美國(guó)工程技術(shù)公司開發(fā)的，基于LS-DYNA。作為專業(yè)板金成型分析CAE 軟件，軟件結(jié)合LS-DYNA 的具有強(qiáng)大的后處理功能的解析的功能。

該軟件使用的范圍也比較廣，但是主要還是針對(duì)的工藝過(guò)程期間的模具的設(shè)計(jì)，它可以大大減少設(shè)計(jì)的時(shí)間還有試用的周期。該軟件有良好的使用性能，同時(shí)也包含許多智能化的工具，可以很容易的解決諸如此類的板料成型過(guò)程中的問(wèn)題。該軟件也保留了傳統(tǒng)的CAE 軟件的功能。該軟件采用LS-DYNA 作為核心求解器，LS-DYNA 是當(dāng)前世界上比較常用的顯示動(dòng)力分析程序，能夠計(jì)算許多復(fù)雜性的問(wèn)題，可以用來(lái)求解許多動(dòng)態(tài)的問(wèn)題比如碰撞，爆炸和金屬成型等。

該軟件解決了模具開發(fā)過(guò)程中對(duì)設(shè)計(jì)的周期難以掌握的問(wèn)題，它能夠在模擬的過(guò)程中，縮短調(diào)試時(shí)間，降低成本，并有效復(fù)現(xiàn)四個(gè)主要流程。首先是壓邊，然后是拉延，然后是回彈，最后是多步成型。模擬的這幾個(gè)步驟可以提前分析設(shè)計(jì)的合理性，并能夠?qū)υO(shè)計(jì)起指導(dǎo)作用。

該CAE 軟件能夠?qū)⒏采w件表面的很多特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬出來(lái)，能夠?qū)_壓時(shí)發(fā)生的問(wèn)題包括板件的裂紋生成，皺起生成，剮蹭痕跡，評(píng)估成型的性能，這些都可以對(duì)模具設(shè)計(jì)提供幫助。

3 結(jié)語(yǔ)

采用金屬鈑金的有限元理論，配合計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，金屬機(jī)械沖壓件的生產(chǎn)已經(jīng)逐漸從實(shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn)線。鈑金成形過(guò)程中的有限元模擬技術(shù)，不僅可以用于模具的開發(fā)以及優(yōu)化，還可用于金屬坯料的制造設(shè)計(jì)，用于產(chǎn)品制造的各個(gè)階段。利用板料成形的有限元技術(shù)，可保證生產(chǎn)出來(lái)的零件具有高精度和良好的沖壓性能。CAE 技術(shù)用于金屬鈑金覆蓋件的分析對(duì)于設(shè)計(jì)生產(chǎn)具有發(fā)展重要意義。