汽車覆蓋件沖壓工藝優(yōu)化方案研究

武寧 劉志遠

摘要：汽車覆蓋件是車身的基本組成部分，如果覆蓋件的沖壓工藝性設(shè)計不合理，將直接影響模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和模具的加工工藝性，給沖壓模具的設(shè)計、制造、加工及覆蓋件的生產(chǎn)和裝配帶來困難。為了縮短覆蓋件沖壓模具設(shè)計制造周期及降低成本，必須進行覆蓋件沖壓工藝性的研究與分析。本文以某輕型載貨汽車車身側(cè)圍件為例，提出了覆蓋件設(shè)計與沖壓工藝設(shè)計協(xié)同設(shè)計方法，可以大量減少沖壓模具數(shù)量及降低模具加工成本，并可顯著提高材料利用率。

關(guān)鍵詞：汽車；覆蓋件；沖壓工藝

1.汽車覆蓋件模具概述

1.1汽車覆蓋件內(nèi)容

汽車覆蓋件具體是指構(gòu)成汽車車身或者駕駛室，并掩蓋汽車發(fā)動機和底盤的異形體表面以及內(nèi)部零件，它為薄金屬板料材質(zhì)，它不僅是汽車外觀的裝飾性零件，還是受力零件。汽車覆蓋件是制造汽車車身中的關(guān)鍵。汽車覆蓋件表面不允許出現(xiàn)波紋、褶皺、凹凸不平、劃痕、邊緣拉痕等影響表面美感的質(zhì)量缺陷。確保覆蓋件的裝飾棱條清晰、平整、光滑、對稱且均勻過渡，另外，各個覆蓋件之間楞線連接應(yīng)一致流暢。這要求汽車覆蓋件模具也應(yīng)滿足相關(guān)要求，提高了對形位的精確度和表面質(zhì)量的要求。汽車覆蓋件通常要通過拉延、調(diào)整邊緣、沖孔、調(diào)整外形、翻邊等一系列工序后才能成型，因此，針對各道工序又有不同的模具，且每一套模具都是由不同的部分構(gòu)成。

1.2汽車覆蓋件模具制造現(xiàn)狀

汽車工業(yè)快速發(fā)展的今天，隨著汽車開發(fā)周期的日益縮短，人們更加注重汽車車身的整體質(zhì)量。在具體的設(shè)計和制造過程中，總會遇到負效益的工作，這在某種程度上影響了工期。另外，市場占有率逐漸減小，導(dǎo)致企業(yè)產(chǎn)能和綜合效益下降。近年來，汽車覆蓋件模具的制造能力有所增強，具體體現(xiàn)在計算機輔助制造技術(shù)、數(shù)控機床技術(shù)等新型制造技術(shù)的大范圍應(yīng)用中。汽車覆蓋件模具的開發(fā)研究仍處在不斷的發(fā)展階段，在未來的研制過程中，應(yīng)有效掌握最新科技，充分利用新型技術(shù)，大幅提升汽車覆蓋件模具表面的精確度和質(zhì)量。

2.汽車覆蓋件的沖壓工藝設(shè)計

汽車覆蓋件與一般沖壓件相比較，具有板料薄、尺寸大、形狀復(fù)雜、多為空間曲面、以及表面質(zhì)量要求高等特點，因此，汽車覆蓋件的沖壓工藝設(shè)計是十分重要的工作。汽車覆蓋件的沖壓工藝設(shè)計一般要求由在行業(yè)內(nèi)工作多年的資深工程師來完成。覆蓋件沖壓工藝設(shè)計的合理與否，不但影響覆蓋件成形質(zhì)量，也對覆蓋件模具開發(fā)費用，開發(fā)周期等有較大影響，好的覆蓋件沖壓工藝設(shè)計，不僅能夠提高覆蓋件沖壓質(zhì)量，避免破裂、起皺和回彈等嚴重質(zhì)量問題，對外覆蓋件，在沖壓工藝設(shè)計中，還需考慮如何避免出現(xiàn)滑移線、沖擊線的外觀缺陷，而且好的沖壓工藝還需使得在沖壓中，板料的應(yīng)變盡量充分均勻，以減少在行駛中的振動問題，提高駕駛舒適性和車身的疲勞耐久性能。另外，好的沖壓工藝還可以有效降低汽車車身的生產(chǎn)成本，有資料表明，覆蓋件的成本構(gòu)成中，材料費用約占 60%-70%，因此在沖壓工藝中考慮減少工藝補充部分（外工藝補充面和壓料面）的材料消耗，可以有效地降低覆蓋件的生產(chǎn)成本。

2.基于響應(yīng)面近似模型的拉延筋優(yōu)化

2.1 單元技術(shù)及網(wǎng)格劃分

板料成形有限元技術(shù)中主要采用三種單元形式：膜單元、殼單元和實體單元。這三種單元中，膜單元計算效率較快，但是由于在厚度方向上只有一個積分點，因此不能計算板料成形中的起皺和回彈；而實體單元雖然具有計算精度最高的特點，能夠準(zhǔn)確地計算出板料的起皺和回彈，但是因為計算速度慢，且目前還沒有較好的實體單元裁剪技術(shù)，不能模擬板料成形中的修邊及后續(xù)的工序，因此應(yīng)用范圍有局限；殼單元分為 Kirchhoff 殼單元、Mindlin殼單元、退化殼單元、相對自由度殼單元，殼單元由于具備了計算速度快、結(jié)果精度高的特點，因此是目前在板料成形有限元軟件中應(yīng)用最為廣泛。網(wǎng)格劃分是將覆蓋件拉延數(shù)模離散為有限元網(wǎng)格，當(dāng)前主流板料成形有限元軟件都采用殼單元劃分。一般而言，在板料成形仿真中，模具作為剛體，只用于接觸判斷，模具網(wǎng)格不發(fā)生變形，因此，模具網(wǎng)格采用三角形和四邊形兩種形式，三角形網(wǎng)格計算精度低，但是具有適應(yīng)性好，能夠準(zhǔn)確描述模具型面；而板料的單元劃分必須側(cè)重于計算精度，因此，坯料單元一般采用四邊形單元的形式，只在坯料邊界才能使用一些少量的三角形單元。

2.2 接觸問題的處理

在汽車覆蓋件沖壓仿真中，由于模具幾何型面的復(fù)雜性，使得坯料和模具型面之間的接觸問題變的異常復(fù)雜，接觸邊界條件不斷變化，由此產(chǎn)生的接觸面之間的相互作用也是非常復(fù)雜并處于動態(tài)變化中。接觸問題包含兩個相互關(guān)聯(lián)的兩個方面：接觸搜索以及接觸的處理。目前，在顯式有限元算法中，接觸搜索一般是基于段的接觸搜索算法，而在沖壓上接觸面上接觸力的處理一般通過是罰函數(shù)法。

3 覆蓋件拉延模工藝補充面優(yōu)化設(shè)計

3.1 工藝補充面的參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計在系列化產(chǎn)品設(shè)計、相似設(shè)計以及CAD系統(tǒng)開發(fā)中具有重大應(yīng)用價值。將參數(shù)化設(shè)計方法引入工藝補充面幾何模型的設(shè)計，目的是為了提高覆蓋件工藝補充面的設(shè)計及修改效率，提高技術(shù)人員的設(shè)計效率。目前二維參數(shù)化建模方法主要有以下幾種：1）幾何變量法。幾何變量法是一種通過分析圖形幾何模型的特點，建立主要設(shè)計參數(shù)及各設(shè)計參數(shù)之間的代數(shù)關(guān)系，當(dāng)設(shè)計參數(shù)發(fā)生變化時，使用迭代方法，通過求解各尺寸之間的代數(shù)關(guān)系式，確定其他相關(guān)尺寸的參數(shù)值，進而更新獲得新的幾何模型。2）人工智能法。人工智能法將手工繪圖的過程分解為一系列最基本的的作圖規(guī)則，采用人工智能的符號處理、知識表示、幾何推理等手段將當(dāng)前的作圖步驟與基本規(guī)則想匹配，從中求解出未知參數(shù)，與已知參數(shù)一起引導(dǎo)繪圖。為了實現(xiàn)對工藝補充面的優(yōu)化，必須首先提高工藝補充面的設(shè)計效率，必須實現(xiàn)對工藝補充面的參數(shù)化設(shè)計。實現(xiàn)工藝補充面的參數(shù)化，必須先研究工藝補充面的特點。由于常見的工藝補充面的截面線可以由基本曲線段（直線、圓弧）組合而成，因此，使用編程法，可以對工藝補充面的截面線進行參數(shù)化，而后通過對參數(shù)化的界面線進行掃掠等處理方式，生成工藝補充面，以后對工藝補充面的修改，都通過修改控制界面線的方式進行。

3.2 工藝補充面優(yōu)化算例

通過某車型整體側(cè)圍外板的CAE模擬分析，對分析過程發(fā)現(xiàn)的問題進行深度挖掘，尋求優(yōu)化措施，優(yōu)化工藝模面，調(diào)整工藝內(nèi)容與相關(guān)工藝參數(shù)?，F(xiàn)已根據(jù)優(yōu)化后的工藝完成的模具設(shè)計、加工、調(diào)試工作，得到客戶單位的認可及實現(xiàn)量產(chǎn)，最終通過生產(chǎn)驗證，量產(chǎn)件如圖11所示，表明了CAE成形分析的必要性與優(yōu)化設(shè)計的準(zhǔn)確性，同時也為幾種沖壓件的典型缺陷問題的優(yōu)化途徑進行了驗證。沖壓件內(nèi)部交角處問題，可通過放大R角進行解決，若沖壓件造型約束，可在拉深工序進行過拉深處理，在后工序進行局部整形至沖壓件要求形狀。外覆蓋件的沖擊線問題，可通過分模線的外移及光順進行優(yōu)化。沖壓件局部拉深不充分、多料問題，可通過增加余肉的方案進行解決。拉深過程中存在輕微的起皺問題，通過壓料面形狀優(yōu)化，縮短線長進行優(yōu)化。通過CAE成形模擬仿真，能夠在設(shè)計階段盡早識別成形存在的缺陷，尋求優(yōu)化措施，優(yōu)化工藝模面、調(diào)整工藝內(nèi)容與相關(guān)工藝參數(shù)，指導(dǎo)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計及調(diào)試工作，有效控制模具開發(fā)周期，同時保證沖壓件質(zhì)量。

參考文獻：

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