汽車A柱內板拉延工藝及模具設計

摘要：本文以汽車A 柱內板為研究對象，介紹沖壓工藝分析過程，并采用Autoform 軟件對A 柱內板進行沖壓成型分析。根據數值模擬結果，確定零件成型過程所需的工藝參數，預測胚料成型過程中可能出現(xiàn)的零件開裂、起皺和減薄等問題。同時，對汽車A 柱內板的拉延工序的模具設計流程進行研究，并采用UG 軟件對拉延模具進行了結構設計。

關鍵詞：A 柱內板；拉延模具；沖壓；Autoform ；工藝補充面；拉延筋

中圖分類號：U466 文獻標識碼：A

0 引言

隨著客戶對汽車的品質及性能要求越來越高，車型更新?lián)Q代應接不暇。如此環(huán)境下，汽車覆蓋件的開發(fā)周期越來越短，而相應的品質要求卻越來越高[1]。在如此激烈的競爭環(huán)境下，運用有限元軟件對汽車覆蓋件進行成型性能分析，已經被作為計算機輔助設計（Computer Aided Engineering，CAE）的一種常用方式，其仿真結果可以指導零件造型設計或改進、模具工藝和結構設計以及模具制造與模具調試。

沖壓成形CAE 技術，就是利用有限元軟件模擬板料在實際沖壓條件下的工藝過程。成熟的模擬技術，可將大部分零件成型問題暴露并解決在設計階段，為后續(xù)模具制造過程保駕護航。這種方法可以大幅度縮短項目開發(fā)周期，提高原材料利用率，降低項目開發(fā)成本。具有復雜外形的覆蓋件常需經過多道沖壓工序加工而成，沖壓工藝的關鍵是拉延工序的可行性及可靠性，也就是拉延工藝性問題。拉延工序的工藝分析及模具結構設計是汽車覆蓋件產品開發(fā)的關鍵。

汽車A 柱連接汽車頂蓋和前艙，A 柱內板是其內部起加強及固定作用的結構件，要求具有一定的強度和剛度，一般采用高強鋼材質[2]。本文以Autoform 軟件為分析工具，介紹有限元模擬方法對某車型A 柱內板覆蓋件的拉延沖壓工藝分析，對拉延模擬結果中出現(xiàn)的開裂、減薄等問題進行了分析，并針對零件的成型特點設計拉延模具結構。

1 CAE 技術在汽車A 柱內板沖壓工藝中的應用

1.1 零件工藝性分析

A 柱內板結構如圖1 所示。零件尺寸約為1 380.0 mm×250.0 mm×80.0 mm，材料厚度為1.2 mm。零件造型整體彎曲細長，成形深度達60.0 mm，零件凸緣部位的圓角接近R6，凸緣部位材料減薄率可能較大，部分造型位置的材料流動方向及流動速度難以控制。

零件材質采用HC340/590DP 雙相高強度鋼，該材料的屈服強度為374.1 MPa，抗拉強度為659.4 MPa，具有屈強比低、無屈服延伸以及應變強化指數高等特點。高強度鋼板具有良好的抗碰撞性能，可以實現(xiàn)在減輕汽車質量的同時提高安全性能。該材質與一般沖壓件比，具有吸能好、抗疲勞性強、耐腐蝕性好以及強度高等優(yōu)點[3]。

但是，高強度鋼板具有回彈難控制等缺點，因此在成型過程中可能會出現(xiàn)回彈，導致零件成形不到位，出現(xiàn)成形扭曲、開裂或起皺等缺陷[4]。根據A 柱內板的工藝特點，初步擬定的工藝步驟為：開卷落料——拉延——修邊沖孔——整形——修邊側修邊沖孔。

1.2 AutoForm 參數設置

把零件數據引進Autoform，完成了響應式拓撲優(yōu)化。為了保證仿真模擬精密度，設置仿真模擬精密度為最高級別（FV）。其他參數按如下設置：網格的半徑穿透量為0.22，最大單元夾角為22.5，網格最大自適應等級為5 階，鋼板的摩擦系數選取為0.17。

1.3 確認了科學合理的拉延工藝指標

1.3.1 確定拉延方向

在進行沖壓工藝設計時，首先要確認拉延件的沖壓方向，沖壓方向直接影響后續(xù)壓料面的造型及后工序的工作內容。沖壓方向的確定可分為零件的中心坐標點（Tip 點）和Angle 轉軸角度兩部分。中心坐標點的選取一般接近零件重心。由于該點的選取會影響模具與機床之間的相對位置，故選取時應同時考慮零件幾何中心與機床頂桿位置要求。

Angle 轉軸角度直接確定了沖壓方向。沖壓方向的選擇應使零件無負角，具有最小且均勻的拉延深度，并盡量減小產品的高度差，否則影響成型的穩(wěn)定性。沖壓時盡可能避免產生側向力，凸模與板料之間的接觸面要緊密平穩(wěn)，盡量通過調整沖壓方向以簡化后工序內容，減少不必要的模具開發(fā)成本。比較平整的零件需要保證凸模中間部位先接觸，再慢慢往外成型。為了使得壓料面各段進料阻力趨于一致，并考慮后續(xù)沖壓工序，本研究選擇了制件敞口朝下的沖壓方向。

1.3.2 工藝補充面及壓料面

考慮到制件的充分成型質量，需要對制件做工藝補充面，用以補充制件內外部板料成形，或控制制件形狀。工藝補充面分為2 種，內部工藝補充無需增加胚料，而外部工藝補充需要增加胚料，再通過后面的工序裁剪分離。工藝補充面與產品面應該光順連接，利于零件成形。

設置壓料面的目的在于對板料施加壓邊力，使得板料在拉延過程中拉應力增大，控制產品成型速度。拉延過程中坯料一直處于壓緊狀態(tài)，壓料面形狀應保證制件充分變形，且拉延深度應盡量均勻，無太大高度落差，觸料狀態(tài)無疊料或起皺缺陷，壓料面不能在某一方向產生較大的側向力。A 柱內板設計完成壓料面和工藝補充面的CAE 分析模型如圖2 所示。

1.3.3 拉延筋設計方案

該沖壓件呈幾字形，成形時中間區(qū)域被壓緊，外圈板料自外向內流動。為了控制變形區(qū)域的板料流動速度，避免出現(xiàn)成形區(qū)域流料速度過快導致出現(xiàn)疊料缺陷，而流料速度過慢出現(xiàn)成形開裂缺陷，CAE 分析時設計了拉延筋。拉延筋主要作用是控制板料拉延時進入凸模所受阻力的大小，以達到控制板料流動速度的目的[5]。

Autoform 中拉延筋的設計分為2 種，即等效拉延筋和真實拉延筋[6]。等效拉延筋CAE 分析效率高，前期分析時，多采用等效拉延筋用于模擬仿真來判斷產品成型趨勢。而真實拉延筋更能反饋實際沖壓狀態(tài)下的板料阻力情況，用于沖壓工藝細化設計。由于沖壓件呈幾字形，本研究用Autoform 軟件在產品法蘭兩側設定2 根半圓形等效拉延筋，寬度為15.0 mm，并設置等效拉延筋拉延阻力系數（拉延筋R=8.0 mm，深度6.0 mm）。

1.3.4 拉延時的壓邊力

壓料面是控制板料成型速度的工具，由壓料面?zhèn)鬟f的壓邊力才是關鍵參數。需使用模擬仿真技術，計算出合理的壓邊力參數。最小壓邊力的參考公式如下：

P =Ｒ m ×t ×L /10 000

式中：P 為壓邊力的數值，單位t ；Ｒ m 為抗拉強度的數值，單位MPa ；t 為板料厚度的數值，單位mm ；L 為分模線長度，單位mm。

通過計算得到理論壓邊力P =87 t。由AutoForm 可以根據拉延筋情況計算拉延筋上舉力，壓邊力設置至少為120% 拉延筋上舉力。本研究通過AutoForm 軟件調試拉延參數，可得壓邊力等于100 t 時，制件成形充分。

2 成形分析及優(yōu)化方案

將A 柱內板數字模擬模型導入AutoForm 軟件，模擬仿真結果（圖 3）。由圖3 可知，零件成形充分，成形效果比較好，板料無拉伸應變，變形安全區(qū)域占比95.00% 以上。另外，有0.18%區(qū)域出現(xiàn)開裂風險，4.19% 區(qū)域有料厚增加趨勢。

出現(xiàn)起皺缺陷的位置集中分布在產品兩端的補充面部分，零件左端側壁有一處開裂風險（圖4）。起皺缺陷沒有影響到產品面，在后工序中會被沖裁修邊，零件質量不會受到影響。零件有一處出現(xiàn)開裂風險，其他區(qū)域變薄率則在標準范圍（-0.2 ～ 0.1），初步判斷開裂位置板料變形速度慢于周邊，導致拉裂。由此可知，拉延筋與壓邊力可以控制板料流動速度。而且分析結果顯示，零件整體成形質量效果比較好，只端部一處開裂，因此調節(jié)壓邊力會影響零件整體成形質量，影響范圍廣。

本研究通過調節(jié)部分拉延筋深度來控制對應位置的板料流動速度，將開裂位置對應的拉延筋深度從6.0 mm 改為3.0 mm，并且光順過度，優(yōu)化后的成形分析效果如圖5 所示，可見零件減薄率分布在標準范圍內，優(yōu)化方案有效。

本研究為典型的高強鋼板材質梁類件，回彈分析結果顯示（圖6），梁件兩側法蘭邊出現(xiàn)回彈變形，法蘭邊翹起，零件開口尺寸變大，回彈值為-3.80 ～ -1.00，嚴重超出幾何尺寸與公差（GDamp;T）圖紙公差要求，不能滿足裝車驗證[7]。對于該回彈變形問題，本文采用一種新的回彈補償思路來驗證補償效果。

常用補償思路為，利用有限元數值模擬計算回彈，然后在預估有回彈的區(qū)域作出反方向的補償值，使零件成形后的反彈正好與補償值抵消，從而得到合格產品[8]。常用補償面一般按某角度直接旋轉得到。本研究將補償面分3 段單獨補償（圖7）。零件圓角處回彈較小，圓角處作為過渡圓角面，不需進行太大補償；零件開口處變形最大，回彈補償按1 倍做補償面。三段式回彈補償后，回彈結果如圖8 所示，回彈值控制在-0.75 ～ 0，補償效果很顯著。

3 拉延模具設計

拉延模具結構上主要由凸模、凹模、壓邊圈以及各種輔助零件構成。按照結構的不同，拉延模具可分為單動、雙動及三動拉延模具，本研究為單動拉延，即只有壓邊圈未固定，壓邊圈由壓機設備的氣頂控制，按一定的沖壓行程運動。模擬過程雖然可以暴露制件沖壓過程可能會產生的開裂、起皺等風險，但是只做預測參考，并不代表著完全解決實際生產過程中的問題。故進行拉延模設計時，合理的模具結構才可以最大程度實現(xiàn)已經設計好的沖壓工藝參數，使實際生產狀態(tài)接近模擬仿真狀態(tài)。模具設計同時考慮實際生產過程中模具的維修與調試。

3.1 模具材質的確認

凸模、凹模和壓邊圈是直接接觸板料，參與模具制件成形的工作部件。合適的模具材質直接影響制件的沖壓狀態(tài)，也影響模具的使用壽命。模具材質的選擇根據板料的材質特點決定，如板料的抗拉強度、材料厚度以及制件的造型復雜程度，可參考如下公式：

α =t ×σb

式中：α 為材料強度系數的數值，單位N/mm ；t 為板材厚度的數值，單位mm ；σb 為抗拉強度的數值，單位MPa。

材料強度系數較低的，凸模、凹模和壓邊圈的材質選用合金鑄鐵，合金鑄鐵熱處理后硬度達到HRC50-55。本研究制件材質為HC340/590DP 雙相高強鋼，抗拉強度比較高，達到659.4 MPa，材料厚度為1.2 mm，材料強度系數較高，凸模、凹模和壓邊圈的材質選用Cr12MoV 鍛件鑲塊，熱處理后硬度為HRC58-62。高強鋼板料成形較普通板料相比，回彈高，可塑性差，成形過程中對模具表面的摩擦阻力更大，模具凸緣處易磨損、積炭。模具工作部位使用Cr12MoV 鍛件鑲塊材質，經熱處理后硬度達HRC58-62，可降低模具磨損程度，提高模具使用壽命。凸模、凹模和壓邊圈設計為鑲塊結構不僅可以減少磨損而且還可以方便地更換鑲塊，維修方便且維修成本更低。

模具模座部分不直接參與板料成形，采用鑄件HT300，用于鎖附凸模和凹模以及其他輔助零件。

3.2 模具調壓墊塊

壓邊圈與凹模在壓機上下滑塊的作用下，相互壓緊產生壓料力。由于受零件內應力，設備精度、工裝精度和環(huán)境等各種因素的影響，零件成形過程并不能達到各部位受力均勻一致的理想狀態(tài)。拉延模具設計時，可通過設計調壓墊以調節(jié)壓邊力，控制板料流動的快慢，達到控制板料成形狀態(tài)的目的。板料流動大的區(qū)域，必須設置調壓墊，均勻布置。本研究中板料流動分布如圖9 所示，零件法蘭兩側板料流動速度最大，需在壓邊圈上間隔350.0 mm 均勻設置調壓墊塊，通過調節(jié)墊塊與凹模之間的間隙，

3.3 定位與導向設計

保證模具導向精度及板料的合理定位，是確保模具成形運動過程平穩(wěn)進行、制件各處同時觸料以及防止板料竄動導致成形不充分的前提。因此，在凸模和壓邊圈之間，以及壓邊圈和凹模之間，分別用4 個耐磨導板導向。耐磨板材料采用T8A，淬火硬度為HRC52 ～ 56。該結構能夠精確限制模具部件X 向及Y 向運動，保證模具導向精度（圖10）。

4 模具的動作過程

拉延工序由1 000 t 單動壓力機完成。在具體的工作中，壓力機下氣墊將壓邊圈向上托舉，板料置于壓邊圈上處于放松狀態(tài)。壓力機上滑塊帶動凹模下行運動，首先與板料接觸，板料被壓邊圈及凹模夾緊，繼續(xù)下行。當凸模觸及板料一瞬間，板料開始變形，板料在壓邊力的控制下向各處變形區(qū)域均勻流動，以滿足強變形區(qū)供料要求，從而使制件得以平穩(wěn)成形。模具設計了到底標記，將拉延件壓出直徑d=14.0 mm 的壓印作為模具拉延行程完全到底的標志，方便試模人員進行調試。

5 結束語

本文借助Autoform 軟件對某車型A 柱內板進行工藝分析，分析沖壓工藝參數、壓料面及工藝補充面、壓邊力以及拉延筋對拉延成形質量的影響。分析可知，零件成形極限分布和板料減薄分布，通過調整拉延筋深度及采用分段式回彈補償方法可以有效改善零件開裂及高強板回彈問題。本研究比較系統(tǒng)地介紹了A 柱內板從工藝設計到工藝分析，再到最后拉延模具結構設計的完整設計過程，對類似零件的沖壓工藝設計有一定的參考意義。同時模具結構設計過程，除了考慮基本的模具功能的實現(xiàn)，更融入模具后期調試便利性的思想，為實際沖壓生產過程中的模具調試提供條件。

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作者簡介：

莫媚，本科，工程師，研究方向為沖壓工藝及模具設計。