CAE技術(shù)在后縱梁延伸板模具開發(fā)中的應(yīng)用

文/張學(xué)文，王沖·北京汽車研究總院有限公司

本文介紹了CAE技術(shù)在汽車沖壓件開發(fā)中的目標(biāo)和作用，對比了汽車沖壓件兩種成形工藝的特點及應(yīng)用條件，介紹了零件沖壓工藝及模具的設(shè)計原則。通過某車型后縱梁延伸板的模具開發(fā)案例，詳細(xì)闡述了CAE技術(shù)在模具設(shè)計制造中的實際應(yīng)用。

汽車沖壓件模具在整車的制造環(huán)節(jié)中占有重要地位，直接影響到新車上市時間和價格，而模具的設(shè)計制造離不開有效的板料成形模擬技術(shù)。CAE技術(shù)是利用計算機(jī)有限元模擬對板料沖壓成形過程進(jìn)行仿真分析，通過提高成形裕度，優(yōu)化零件設(shè)計，改善工藝方案，最終實現(xiàn)縮短模具制造周期，提高零件質(zhì)量的目的。在模具設(shè)計階段，優(yōu)化沖壓工藝方案，消除潛在質(zhì)量風(fēng)險；同時判定零件成形的難點和關(guān)鍵區(qū)域，制定解決方案，指導(dǎo)現(xiàn)場模具調(diào)試。國外大型汽車集團(tuán)，其模具開發(fā)一般都要借助于一種或幾種CAE軟件，以提高其成功率，確保其制造周期的可控。

汽車沖壓件的成形工藝一般分為拉延和壓形兩種，通過CAE分析可以選擇最優(yōu)的工藝方案。本文以某車型后縱梁延伸板為例，重點講述了CAE技術(shù)在壓形模具開發(fā)中的實際應(yīng)用，包括工藝方案確定、成形模擬分析、調(diào)試問題解決等，其成功經(jīng)驗對于類似零件的開發(fā)具有借鑒和指導(dǎo)意義。

CAE技術(shù)的目標(biāo)和作用

汽車覆蓋件模具制造的最大風(fēng)險來自于沖壓工藝的變更和失效，導(dǎo)致模具大量修改，增加模具的調(diào)試工作量。板料成形CAE技術(shù)是解決此類問題的最佳技術(shù)手段，它在縮短模具開發(fā)周期、降低模具制造成本、提升零件質(zhì)量等方面發(fā)揮著重要作用。其目的就是在可控的成本范圍內(nèi)，高質(zhì)量、按時間節(jié)點完成模具開發(fā)。CAE技術(shù)的主要目標(biāo)和作用如圖1所示。

沖壓件成形工藝的分類和特點

汽車沖壓件成形工藝一般分為拉延和壓形兩種，在實際生產(chǎn)中，二者的區(qū)別主要有以下兩點。

⑴拉延工藝特點及適用條件。

拉延是指將板料先成形后切邊，拉延成形時有壓邊圈，板料四周壓緊，金屬充分流動，不易產(chǎn)生皺褶。拉延后序需要修邊沖孔等工序，一般用于中大型覆蓋件，零件形狀變化劇烈或側(cè)壁強(qiáng)度不均勻。此工藝相對浪費板料，需要更大的成形力，且側(cè)壁回彈和卷曲問題更嚴(yán)重。

圖1 CAE技術(shù)的目標(biāo)和作用

⑵壓形工藝特點及適用條件。

壓形是指將板料先切邊后成形，首先根據(jù)零件形狀計算出坯料尺寸，然后落料再壓形，一般不需要壓邊圈。其優(yōu)點在于材料利用率高，但易出現(xiàn)皺褶。一般用于料厚較大的支架、加強(qiáng)板等表面要求不高的沖壓件。產(chǎn)品俯視或者正視方向有形狀變化導(dǎo)致成形過程中板料有被壓縮的趨勢，但并不嚴(yán)重時，推薦采用這種工藝。

壓形工藝及模具的設(shè)計原則

由于壓形工藝具有材料利用率高、模具結(jié)構(gòu)簡單、側(cè)壁回彈小、機(jī)床噸位要求低等優(yōu)點，一些形狀相對簡單、表面質(zhì)量要求不高的內(nèi)板件，特別是高強(qiáng)鋼零件由于延伸率較低，推薦采用此種工藝。在壓形工藝制定和模具設(shè)計時，必須遵循一定的原則。

壓形翻邊模的工藝設(shè)計準(zhǔn)則

⑴考慮翻邊或者法蘭回彈角度的處理，零件設(shè)計應(yīng)有3°～6°的回彈補(bǔ)償角。

⑵產(chǎn)品凸模圓角應(yīng)該盡量小，針對不同的材料強(qiáng)度，R角一般為料厚的1～2倍。

⑶制件形狀不均勻時壓形會由于殘余應(yīng)力導(dǎo)致回彈或者扭曲，工藝應(yīng)考慮型面補(bǔ)償。

⑷坯料線需要零件展開返算得出，一般需經(jīng)過幾輪試模后測量，修改數(shù)模重新加工調(diào)試。

壓形翻邊模的模具設(shè)計準(zhǔn)則

⑴考慮翻邊成形的側(cè)向力，鑲塊應(yīng)被置于鑄件本體內(nèi)或者設(shè)計足夠的擋墻。如圖2所示。

圖2 翻邊鑲塊示意圖

⑵凸凹模翻邊間隙不應(yīng)超過一個料厚。

⑶可考慮包角翻邊以處理回彈，參考圖3翻邊的回彈處理方法。

圖3 翻邊回彈處理示意圖

后縱梁延伸板案例分析

以某車型的后縱梁延伸板為例，為滿足客戶要求，保證零件質(zhì)量，利用板料成形CAE技術(shù)對零件進(jìn)行了成形模擬分析，并指導(dǎo)模具調(diào)試過程，取得了良好的效果。

零件信息

圖4為后縱梁延伸板示意圖。零件材料：SHP440熱軋鋼，料厚：1.8mm，尺寸：298mm×137mm×150mm?？估瓘?qiáng)度≥440MPa，屈服強(qiáng)度≥305MPa。零件厚度大、材料強(qiáng)度高、成形困難。

工藝方案確定

圖4 后縱梁延伸板示意圖

在沖壓工藝方案制定過程中，為降低零件調(diào)試風(fēng)險，首選采用拉延成形、修邊、整形、修邊沖孔、斜楔沖孔等工序。但是客戶要求該零件的材料利用率必須達(dá)到60%以上，若按上述工藝生產(chǎn)，利用CAE軟件計算出材料利用率還不到40%，這樣既不滿足客戶要求，同時又造成極大的成本浪費。經(jīng)過反復(fù)討論，最后決定，利用有限元逆算法模擬零件采用壓形工藝的可行性。圖5采用AUTOFORM軟件模擬零件直接成形的結(jié)果。

圖5 零件直接成形模擬結(jié)果示意圖

我們從模擬結(jié)果可以看出，零件直接成形還存在較嚴(yán)重的起皺缺陷，因此嘗試增加整形工序。采用落料、壓形、整形、精修邊沖孔、斜楔沖孔等工序，相對于拉延成形工藝，模具工序并未增加。零件成形、整形模擬結(jié)果如圖6、7所示。零件起皺缺陷得到了很大程度的緩解，結(jié)果可以接受，確定采用上述工藝方案。結(jié)合壓形工藝及模具的設(shè)計原則進(jìn)行模具設(shè)計制造。

圖6 零件成形結(jié)果示意圖

圖7 零件整形結(jié)果示意圖

指導(dǎo)現(xiàn)場模具調(diào)試

采用落料工序的主要風(fēng)險在于板料展開不準(zhǔn)確，可能需要多輪試驗以獲得坯料邊界線，增加模具調(diào)試難度。利用FASTAMP有限元逆算法對零件進(jìn)行展開，有效減少了試模次數(shù)。模擬展開結(jié)果與實際調(diào)試結(jié)果比對，坯料線相差不大，圖8為零件模擬展開與實際調(diào)試坯料線對比情況。

圖8 零件模擬展開與實際調(diào)試坯料線對比情況

根據(jù)所確定的工藝方案，采用模擬展開的坯料線，進(jìn)行模具調(diào)試，其結(jié)果如圖9、10所示?？梢钥吹?，制件沒有明顯的起皺、開裂或疊料缺陷，焊接面平整，滿足零件質(zhì)量要求。

結(jié)束語

圖9 成形后制件

圖10 整形后制件

沖壓成形CAE分析技術(shù)的應(yīng)用為我國汽車和模具行業(yè)的發(fā)展起到了積極的推動作用。本文通過某車型后縱梁延伸板的模具開發(fā)案例，闡述了CAE技術(shù)在工程上的成功應(yīng)用。工藝設(shè)計階段，利用板料成形模擬技術(shù)有效解決了零件的工藝問題，同時將材料利用率提高至70%以上，并且簡化了模具結(jié)構(gòu)，降低了制造和生產(chǎn)成本。模具調(diào)試階段，利用有限元逆算法準(zhǔn)確獲取了坯料邊界線，降低了車間工人的調(diào)整難度，大大減少了現(xiàn)場模具調(diào)試工作量，并最終獲得了良好的零件狀態(tài)。掌握沖壓CAE技術(shù)需要在具體工作中努力思考和探索，不斷積累現(xiàn)場模具調(diào)試的經(jīng)驗，推動沖壓技術(shù)水平繼續(xù)向前發(fā)展。