汽車后圍板的CAE 工藝優(yōu)化研究

熊保玉，劉 穎

（1.成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 裝備制造學(xué)院，四川 成都 610213；2.中國民用航空華東空管局山東分局，山東 濟(jì)南 250107）

在對汽車覆蓋件零件進(jìn)行成形工藝分析和模具設(shè)計(jì)時(shí)，傳統(tǒng)汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)與制造周期長、成本高，并且容易出現(xiàn)斷裂和回彈等缺陷。隨著彈塑性有限元模擬技術(shù)條件的不斷發(fā)展，基于數(shù)值模擬技術(shù)的計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)（CAE）在模具工業(yè)中的應(yīng)用不斷深入。與傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)制造方法相比，模具CAE 技術(shù)具有明顯優(yōu)勢：預(yù)先發(fā)現(xiàn)成形中可能出現(xiàn)的缺陷；減少模具調(diào)試次數(shù)，縮短模具開發(fā)時(shí)間；提高模具的可靠性，降低模具制造成本[1]。

如圖1 所示，本文以汽車后圍板為例，首先對其成形過程進(jìn)行工藝分析和計(jì)算，之后利用Dynaform 軟件對其拉深成形過程進(jìn)行模擬分析，最后利用計(jì)算和分析的結(jié)果指導(dǎo)完成后圍板模具的設(shè)計(jì)與制造。

圖1 后圍板零件圖

1 汽車后圍板工藝分析和計(jì)算

1.1 工藝分析

汽車覆蓋件多為空間型面，結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，材料較薄，沖壓成形過程中牽扯到幾何非線性、材料非線性和復(fù)雜的接觸摩擦等問題，成形件表面質(zhì)量要求高、配合協(xié)調(diào)性高[2]。

汽車后圍板屬于淺拉深件，內(nèi)部有孔洞，因此將其成形過程分為兩個(gè)工序：一是對坯料進(jìn)行拉深成形，二是將拉深成形后的工件進(jìn)行落料和沖孔。首先對坯料進(jìn)行拉伸成形有利于后續(xù)工序的定位，同時(shí)也避免了先沖孔后拉深對工件成形質(zhì)量帶來的影響。拉深成形的質(zhì)量在很大程度上決定了成形件的質(zhì)量，因此僅對拉伸工藝進(jìn)行詳細(xì)工藝分析和模具設(shè)計(jì)。

汽車后圍板所選取的材料為低碳鋼Q235，其參數(shù)如表1 所示，厚度為1.0mm。根據(jù)汽車后圍板零件外形進(jìn)行分析，通過選擇合理的沖壓方向，使零件沖壓負(fù)角為零[3]。但是隨著輕質(zhì)高強(qiáng)板材在汽車覆蓋件中的應(yīng)用，回彈成為沖壓成形過程中常見又難以解決的問題。尤其是在小曲率彎曲及淺拉深成形工藝中，回彈量的計(jì)算機(jī)CAE 預(yù)測是產(chǎn)品成形重要方法之一[4]。

表1 Q235 材料的性能參數(shù)

1.2 壓邊力和拉深力的計(jì)算

當(dāng)模具參數(shù)與材料確定后，根據(jù)式（1）來計(jì)算拉深成形過程中所需壓邊力[5]。

式中：Q 為壓邊力；F 為壓邊的面積；q 為單位壓邊力，對于低碳鋼，單位壓邊力為2.0MPa。利用Pro/E測量得F 為113652mm2，計(jì)算可得壓邊力約為200kN。

利用壓邊力來計(jì)算拉深成形所需拉深力[7]，如式（2）所示：

式中：Fb為壓邊力；dm為成形部分直徑；t 為板料厚度；σb為材料抗拉強(qiáng)度；m 為拉深因數(shù)；Ψb為函數(shù)方程；Q 為成形力；μ 為模具與坯料間摩擦系數(shù)；R0為工件圓角半徑；rd為成形部分半徑。

由于上述理論計(jì)算公式較復(fù)雜，所以生產(chǎn)中常用經(jīng)驗(yàn)公式[5]

式中：L 為橫截面周邊長度，L＝4756.1mm；K 為修正因數(shù)，可取0.5～0.8。計(jì)算得拉深力約為1331.7kN。拉深力的計(jì)算結(jié)果可以為后續(xù)的壓力機(jī)選擇提供依據(jù)。

2 拉深成形有限元分析及工藝優(yōu)化

2.1 有限元模型的建立

利用UG 對圖1 汽車后圍板進(jìn)行建模，通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換接口將UG 做好的IGS 模型文件導(dǎo)入到Dynaform 軟件中，得有限元分析模型如圖2 所示。

圖2 汽車后圍板有限元模型

2.2 網(wǎng)格劃分

合理的網(wǎng)格劃分將使模擬結(jié)果更接近于真實(shí)變形狀態(tài)。所以在Dynaform 軟件中網(wǎng)格劃分大小要合適，通常毛坯網(wǎng)格劃分尺寸越小，模擬的時(shí)間也就越長；網(wǎng)格尺寸越大，模擬結(jié)果準(zhǔn)確性越差。單元尺寸不能超過模具與板料成形接觸處半徑的二分之一[6]，即：

經(jīng)過多次模擬分析，將網(wǎng)格單元尺寸定為20，可在獲得較好的模擬結(jié)果的前提下節(jié)省模擬時(shí)間。

2.3 毛坯尺寸估計(jì)

在Dynaform 軟件中，利用坯料工程中的毛坯尺寸估算功能，方便快捷地得到毛坯尺寸大小，然后檢查、修補(bǔ)該零件層中的網(wǎng)格。網(wǎng)格檢查要非常嚴(yán)格，必須讓單元重疊、法向、單元尺寸和內(nèi)角檢查都通過，并且內(nèi)部沒有孔洞，否則難以算出毛坯輪廓[2]。坯料反求后得到不規(guī)則的板料外形如圖3a 所示，得出的外形不利于板料的裁剪，因此對反求結(jié)果進(jìn)行矩形包絡(luò)，得到結(jié)果如圖3b 所示。網(wǎng)格劃分后測量出坯料尺寸如圖3c 所示，將坯料尺寸圓整為1780mm×1780mm。

圖3 坯料反求結(jié)果及其包絡(luò)

2.4 確定拉深方向

模具設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品沖壓方向選擇如圖4 所示，減少了毛坯與凸模的相對滑動(dòng)，有利于毛坯變形，并提高沖壓件的表面質(zhì)量[7]。

圖4 沖壓方向

2.5 工藝補(bǔ)充部分設(shè)計(jì)

沖壓方向確定后，對汽車后圍板的形狀、輪廓和深度進(jìn)行工藝補(bǔ)充。首先要將孔洞部分進(jìn)行封閉補(bǔ)充，使零件成為無內(nèi)孔制件。由于汽車后圍板成形工序是先拉延成形然后進(jìn)行沖孔等工序，因此零件在拉延前對產(chǎn)品外部進(jìn)行工藝補(bǔ)充，設(shè)置工藝補(bǔ)充面時(shí)在節(jié)省材料前提下使其面積盡量小。綜合各方因素，為保證汽車后圍板沖壓成形質(zhì)量，所創(chuàng)建的工藝補(bǔ)充面如圖5 所示。

圖5 工藝補(bǔ)充后

2.6 CAE 模擬結(jié)果分析

將運(yùn)動(dòng)形式定義為Single action (inverted draw)與Lower Tool Available，坯料材料參數(shù)按照Q235 設(shè)置，料厚為1.0mm。現(xiàn)工件與材料已定，因此主要探討壓邊力對板料成形的影響。

當(dāng)壓邊力大小恒定為160kN 時(shí)結(jié)果如圖6a 所示，可明顯看出板料成形不充分，但邊緣深色表示起皺較為嚴(yán)重，變形后板料最薄處為0.916mm，減薄率為8.4%，最厚處為1.09mm，增厚率為9%。在平面應(yīng)力作用下，材料的板厚方向由于外力壓縮因素（σ、τ中的負(fù)應(yīng)力）的存在而可能引起不穩(wěn)定[8]。這是因?yàn)樵诶钸^程中壓邊力過小而無法阻止金屬流動(dòng)引起的邊緣起皺。因此，要適當(dāng)加大壓邊力。

將壓邊力增大到600kN時(shí)，可以從模擬結(jié)果的成形極限圖6b 中看到紅色部分，表示出現(xiàn)了拉裂現(xiàn)象，拉裂現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于壓邊力過大而阻礙了材料在成形過程中的流動(dòng)，但是依然存在成形不充分和起皺的地方。從分析結(jié)果可得出板料的最薄處為0.689mm，減薄率為31.1%，最厚處為1.034mm，增厚率為3.4%。

圖6 成形極限圖

從模擬結(jié)果動(dòng)畫中可以觀察到拉裂現(xiàn)象出現(xiàn)在后面的成形過程中，因此要嘗試在成形過程中采用變壓邊力[9]。時(shí)間—壓邊力曲線如圖7 所示，其中曲線1 為壓邊力隨時(shí)間呈線性增加；曲線2 為線性增加到600kN，保持0.6s 之后再線性減小到0；曲線3為按正弦曲線變化；曲線4 為按指數(shù)函數(shù)趨勢增大；曲線5 為階梯性變化的曲線。

圖7 時(shí)間—壓邊力曲線

將編輯好的時(shí)間—壓邊力曲線導(dǎo)入Dynaform中，得到與圖6 相似的成形極限圖，依舊有起皺和拉裂現(xiàn)象出現(xiàn)，各壓邊力條件下的減薄率與增厚率如表2 所示。從分析結(jié)果可以看出，拉深結(jié)束時(shí)壓邊力較大時(shí)，材料的減薄率就大，則拉深件出現(xiàn)拉裂的趨勢越明顯；當(dāng)拉深開始階段壓邊力較小時(shí)，拉深件起皺現(xiàn)象越明顯，這是由于前期壓邊力過小，無法抑制材料的流動(dòng)，從而引起材料的堆積而起皺。因此，僅靠調(diào)節(jié)壓邊力來改善零件質(zhì)量是不容易實(shí)現(xiàn)的，并且壓邊力變化越復(fù)雜對壓力機(jī)的要求就越高。

表2 不同壓邊力條件下板厚變化情況

為此，需要尋求另一種途徑來改善成形結(jié)果?，F(xiàn)采取加局部拉延筋的措施。拉深筋可以在起皺處起到限流（阻止金屬流動(dòng)）的作用，從而實(shí)現(xiàn)在壓邊力較小的情況下避免起皺現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)也減小了出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象的可能。

由于外壓料面是不規(guī)則的曲面，在Dynaform 軟件中通過偏置生成拉延筋曲線的操作步驟非常繁瑣，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在CAD 軟件Pro/E 中生成拉延筋曲線，如圖8 所示。并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Dynaform 軟件，與上述五種不同形式的變壓邊力協(xié)同作用，成形質(zhì)量得到一定提高。成形極限圖9 顯示了拉深筋協(xié)同曲線2 變化形式的壓邊力的分析結(jié)果，從中可以看出成形結(jié)果得到了很大改善，沒有拉裂現(xiàn)象出現(xiàn)，主成形部分也沒有起皺情況發(fā)生。雖然法蘭部分有些許起皺，但這些不影響零件的性能，法蘭部分要在后續(xù)的工序中切除。

圖8 導(dǎo)入的拉延筋曲線

圖9 加拉延筋的成形極限圖

如圖10 所示厚度變化圖，從中可以直觀地看出板料各個(gè)部位的厚度變化。在后圍板中部出現(xiàn)了少許黃色區(qū)域，這里是變薄最為嚴(yán)重的區(qū)域。變薄之后板料厚度為0.837mm，變薄率為15.3%，減薄量在30%以內(nèi)，不會發(fā)生破裂，關(guān)鍵部分屬于安全成形區(qū)域[10]。最厚區(qū)為1.06mm，起皺不嚴(yán)重。最終的變形是可以接受的。由成形極限圖和厚度變化圖可知，經(jīng)過適當(dāng)調(diào)節(jié)壓邊力大小和設(shè)置拉延筋參數(shù)，可以獲得良好的成形結(jié)果。

圖10 最終厚度變化圖

汽車后圍板屬于小曲率淺拉深件，卸載后必定會產(chǎn)生回彈，如圖11 所示，材料性能、變形過程中的力學(xué)特性和模具結(jié)構(gòu)直接影響零件的回彈量大小?；貜椦芯恐薪孛娣ㄊ亲畛Ｓ玫囊环N方法，在零件重要部位截取剖面，然后沿用2D 沖壓件回彈的評價(jià)方法衡量其回彈量大小[11]。汽車后圍板采用材料已定，要控制回彈大小只能改變其所受力學(xué)特性。力的加載路徑不同，沖壓完成后零件的回彈值也就不同。

圖11 回彈的產(chǎn)生

在上述1、3、5 變壓邊力以及600kN 恒定壓邊力四種條件下進(jìn)行有限元分析，取后圍板一橫截面得工件回彈如圖12 所示。現(xiàn)取回彈前后夾角以及端點(diǎn)位移差來表示回彈量的大小，圖13 顯示了不同條件下的回彈角和端點(diǎn)位移值。

圖12 不同壓邊力條件下的回彈

圖13 不同壓邊力條件下回彈量

壓邊力為恒定600kN 時(shí)回彈角最小，但工件出現(xiàn)了拉裂，其端點(diǎn)位移產(chǎn)生了很大變化；當(dāng)壓邊力按曲線5 變化時(shí)回彈現(xiàn)象最明顯；當(dāng)壓邊力按曲線3變化時(shí)回彈值較小，且成形質(zhì)量也較高，此種變化的壓邊力有利于提高工件成形質(zhì)量。但是，僅靠單純的調(diào)節(jié)壓邊力來控制零件整體的回彈不可行。

此外，拉深筋作為控制材料流動(dòng)的一種重要方式，為了有利于變形區(qū)板料的順利成形，可以利用拉深筋來控制回彈量的大小。板料設(shè)置半圓形拉深筋，如圖14 所示，經(jīng)過3 次彎曲和反彎曲，以及與拉深筋圓角處的摩擦。板料在1、3、5 點(diǎn)發(fā)生了彎曲而產(chǎn)生彎曲力，在2、4、6 點(diǎn)發(fā)生了反彎曲而產(chǎn)生反彎曲力，a1、6b 段材料在流動(dòng)過程中與壓邊圈發(fā)生摩擦而產(chǎn)生摩擦力，12、56 段與拉深筋槽圓角發(fā)生摩擦而產(chǎn)生摩擦力，34 段與拉深筋之間發(fā)生摩擦而產(chǎn)生摩擦力[10]。因此可以利用拉深筋和變壓邊力共同作用來控制回彈量的大小。

圖14 半圓形拉深筋圖

首先通過實(shí)驗(yàn)對不同的拉深筋高度對回彈的大小情況進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)表明拉深筋越高，回彈量越小。零件成形過程中，應(yīng)力最大的位置在凹模圓角處；不同拉深筋的高度，會引起不同的應(yīng)力值[12]。但是拉深筋高度過大時(shí)，則會過度阻礙材料的流動(dòng)而引起成形件的拉裂。

選取合適的拉深筋高度，拉深筋模型如圖14 所示，將恒定壓邊力及按曲線1、3、5 變化的壓邊力協(xié)同拉深筋來控制回彈，經(jīng)模擬分析得拉深件回彈如圖15 所示，圖16 顯示了不同條件下的回彈角和端點(diǎn)位移值。

圖15 變壓邊力協(xié)同拉深筋控制回彈

圖16 拉深筋協(xié)同不同壓邊力條件下回彈量

從圖中可明顯看出，在拉深成形中增加拉深筋后，恒定壓邊力和按曲線1、3、5 變化的四種壓邊力條件下回彈角度分別減小了0.59°、1.22°、0.65°、2.16°，拉深件的回彈明顯減小，成形質(zhì)量大大提高。但是，恒定壓邊力協(xié)同拉深筋控制回彈時(shí)，拉深件拉裂現(xiàn)象更加明顯，因此在按曲線3 變化的變壓邊力協(xié)同拉深筋作用時(shí)，既可得到較高的成形質(zhì)量，還可以有效控制回彈。

3 模具工藝優(yōu)化及設(shè)計(jì)

在整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，拉深成形是關(guān)鍵工序，并且拉深成形面積大，成形質(zhì)量要求高。汽車后圍板成形時(shí)容易出現(xiàn)回彈和扭曲，因此產(chǎn)品拉深模具的穩(wěn)定性和可靠性是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。

3.1 材料選擇

由于汽車后圍板拉深模的尺寸大，形狀復(fù)雜，凸模、凹模和壓料圈通常都采用鑄件，最終模具材料選用球墨鑄鐵QT500-7，該材料能夠滿足產(chǎn)品使用性能要求。

3.2 拉深筋設(shè)計(jì)

因在壓力機(jī)上調(diào)整沖模時(shí)，一般是不打磨拉深筋的，所以拉深筋一般裝在壓邊圈的壓料面上，而拉深筋槽設(shè)置在凹模壓料面上，以便于研配和打磨。當(dāng)壓料面就是覆蓋件本身的凸緣時(shí)，若設(shè)置有凹槽的壓料面維修容易，則拉深筋可設(shè)置在壓邊圈壓料面上，否則拉深筋應(yīng)設(shè)置在凹模壓料面上以減少凹模壓料面的損耗。

經(jīng)綜合考量，拉延筋設(shè)置如圖17 所示。

圖17 拉延筋設(shè)置

4 工藝試驗(yàn)

根據(jù)汽車后圍板沖壓工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)，并對該零件進(jìn)行CAE 模擬成形分析，選擇最優(yōu)組合參數(shù)即：厚1.0mm,尺寸為1780mm×1780mm 的Q235 鋼板，設(shè)置合理的工藝補(bǔ)充面，在壓邊圈上設(shè)置如圖14 所示的半圓形拉深筋，選擇圖7 中變壓力曲線3，在10000kN 雙動(dòng)壓力機(jī)上進(jìn)行沖壓實(shí)驗(yàn)，通過優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，實(shí)際生產(chǎn)后的汽車后圍板外板產(chǎn)品如圖18 所示，并對沖壓產(chǎn)品進(jìn)行檢測,結(jié)果顯示產(chǎn)品區(qū)域無起皺、拉裂和成形不足，回彈值最小，變薄率和增厚率都在允許范圍。說明產(chǎn)品設(shè)置的模擬參數(shù)、產(chǎn)品模具的設(shè)計(jì)和毛坯的選取是合理的，因此實(shí)際中產(chǎn)品可以安全沖出。

圖18 實(shí)際沖壓產(chǎn)品圖

5 結(jié)論

拉深成形過程中，壓邊力加載形式不同，成形結(jié)果就不同。在壓邊力分別為恒定值及按階梯形變化、曲線形變化等不同情況下，利用CAE 軟件對某汽車后圍板的沖壓成形進(jìn)行多次有限元數(shù)值模擬分析，得到不同加載形式下的成形結(jié)果圖。經(jīng)過對成形結(jié)果圖進(jìn)行分析，拋物線形式變化的壓邊力成形質(zhì)量最好，成形結(jié)束時(shí)壓邊力越大越不利于成形。

此外，回彈對拉深件的成形質(zhì)量有重要影響，通過變壓邊力與拉深筋共同組合來控制回彈，并得出變壓邊力和拉深筋對產(chǎn)品成形的最優(yōu)組合參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對板材成形過程回彈的精確控制。最后，在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上完成了汽車后圍板拉深模的設(shè)計(jì)，為實(shí)際工件的拉深確定了合適的壓邊力和拉深筋加載方式，為拉深工藝的規(guī)劃和模具設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)，極大降低了產(chǎn)品開發(fā)成本，提高了模具設(shè)計(jì)效率和整體車身質(zhì)量。