1、汽車前圍板拉延成形模面及工藝優(yōu)化彭廣威（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院湖南株洲 412001）摘要：汽車復(fù)雜覆蓋件的拉延模面決定了沖壓件的成形性、表面質(zhì)量和尺寸精度，是其成 形模具設(shè)計(jì)的核心和關(guān)鍵，合理設(shè)計(jì)工藝補(bǔ)充面可有效改善板料變形的均勻性。本文基于CAD/CA協(xié)同設(shè)計(jì)思路，對(duì)某新款汽車前圍板零件拉延成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)模擬 結(jié)果的分析，設(shè)計(jì)合理的拉延成形模面，同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化成形參數(shù)。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果與實(shí)際 產(chǎn)品進(jìn)行了板料厚度對(duì)比分析，優(yōu)化后的模擬結(jié)果與實(shí)際成形產(chǎn)品的變化趨勢(shì)相同，模擬精 度可靠。通過(guò)成形數(shù)值模擬，可預(yù)測(cè)板料的成形缺陷，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及沖壓成形模面的優(yōu)化設(shè) 計(jì)提供了可靠的指導(dǎo)，而且可

2、極大縮短周期，節(jié)約成本。關(guān)鍵詞:汽車前圍板、拉延成形、數(shù)值模擬中圖分類號(hào)：TG385The Optimizati on of the die surface and Form ing Process for Car Dash PanelPENG GUANG-WEI（Hunan Automotive Engineering Vocational College , Zhuzhou, Hunan 412001） Abstract: The drawing die surface of complex automotive covering parts determines the formabil

3、ity of the stamping, surface quality and dimensional accuracy, and is the core of its formi ng die desig n,the reas on able desig n of adde ndum surface can effectively improve the uni formity of sheet metal deformati on. I n the article,Based on CAD/CAE collaborative desig n ideas, the stamp ing pr

4、ocess of a new car dash panel parts was simulated, through the an alysis of simulati on results, the draw ing mold surface was desig ned, and forming parameters were optimized. Thec on trast an alysis of the simulati on results with the actual product sheet thick ness shows that the optimized simula

5、ti on results and the actual forming products have the same cha nge trends, simulation therefore is reliable. Through forming numerical simulation of sheet metal forming defects can be predicted, the product structure and the optimizati on desig n on the surface of the stamp ing die provides a relia

6、ble guide, and can greatly shorte n the cycle and cost sav in gs. Key words :Car Dash Panel、Drawing Forming、Numerical Simulation基金項(xiàng)目：2014年湖南省高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目“基于三維數(shù)字化RE與CAE技術(shù)的汽車前圍板結(jié)構(gòu)及工藝優(yōu)化” （14C1202）作者簡(jiǎn)介：彭廣威（1975-）,男,在讀博士，副教授。研究方向：材料成形理論及技術(shù)通訊地址:湖南省株洲市紅旗北路 476號(hào)湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院.郵編:412001電話, Email :4471

7、66561、引言汽車前圍板是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙與車廂之間的隔板，為典型的汽車覆蓋件零件，與一般沖壓件相比，具 有材料薄、尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料強(qiáng)度高、表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。覆蓋件成形的基本工序包括：拉 延、修邊及翻邊等，其中拉延成形工序最為關(guān)鍵 1。本文采用有限元分析軟件Dynaform對(duì)某款新型車的前圍板零件的拉延成形進(jìn)行了模擬仿真，通過(guò)模擬分析，利用 CAD軟件對(duì)零件的成形模面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步調(diào)整成形工藝，合理設(shè)置拉延 筋，從而避免了開裂和起皺等成形缺陷，保證了工件質(zhì)量，CAD/CAE的協(xié)同設(shè)計(jì)能有效指導(dǎo)汽車覆蓋件產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)2。2、零件的工藝性分析及數(shù)模預(yù)處理汽車前圍板零件如圖 1

8、所示，材料為DC06零件的長(zhǎng)、寬、高的尺寸約為1400mm< 540mnX 210mm,材 料厚度為1.6mm零件表面有20個(gè)大小各異的孔，而且在零件的兩端和中間存在明顯的高度差，零件成 形工藝較復(fù)雜，主要包括拉延、切邊沖孔、翻邊、沖孔整形等工序。本零件的沖壓成形質(zhì)量主要取決于 第一道拉延工序，因其形狀復(fù)雜，必須通過(guò)數(shù)值模擬分析其拉延成形工藝性，以設(shè)計(jì)合理的拉延模面及 成形工藝參數(shù)3。圖1汽車前圍板零件Fig.1 Car Dash Panel3、預(yù)成形模擬與結(jié)果分析在對(duì)零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)與工藝優(yōu)化之前，利用Dynaform軟件進(jìn)行沖壓成形預(yù)模擬，分析零件的成形工藝性，分析板料的變形狀態(tài)與規(guī)律，

9、找出存在開裂及起皺等缺陷的地方，然后有針對(duì)性地對(duì)零件拉延模面 結(jié)構(gòu)及成形工藝進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。3.1產(chǎn)品模型預(yù)處理產(chǎn)品的翻邊、凸緣及孔洞一般都是通過(guò)后續(xù)工序成形出來(lái)的，故拉延工序模擬時(shí)，需對(duì)原始零件數(shù)字模擬進(jìn)行預(yù)處理。數(shù)模的預(yù)處理是將原始零件中的孔洞填充、翻邊展平、邊界面的延伸以及調(diào)整沖壓成形方向，生成拉延工序成形的曲面數(shù)模。為減少在Dynaform中對(duì)模型進(jìn)行設(shè)置與操作的工作量，零件曲面數(shù)模的預(yù)處理可先在三維CAD軟件中進(jìn)行，完成后的凹模曲面模型如圖2所示。圖2零件數(shù)模的預(yù)處理Fig.2 Preproccess of the digital model3.2預(yù)模擬分析模型該零件材料為國(guó)產(chǎn)冷軋低

10、碳鋼DC06模擬時(shí)采用材料庫(kù)中的DC06#36材料模型，其相關(guān)參數(shù)定義如表1所示。表1材料參數(shù)Table1 Material parameters材料牌 號(hào)板料厚度t/mm屈服強(qiáng)度CTs/MPa抗拉強(qiáng)度crb /MPa泊松比V彈性模量E/GPa強(qiáng)化系數(shù)K硬化指 數(shù)N各向異性系數(shù)RooR45R90DC061.601803500.282076480.221.621.552.10在將模型調(diào)入到 Dynaform中后，通過(guò)偏置凹模的方法生成凸模和壓邊圈，模型中凸模、凹模及壓邊圈均定義為剛性材料。分析中采用Belytschko-Tsay薄殼元理論，坯料的網(wǎng)格采用自適應(yīng)劃分，等級(jí)為 3可滿足零件的成形要求

11、 。凸、凹模單邊間隙采用1.1t，即1.76mm，毛坯與模具部件間的摩擦系數(shù)為0.125,壓邊力根據(jù)公式 F=Aq初步計(jì)算取300KN，成形速度 3000mm/s，壓邊速度 2000mm/s。3.3預(yù)模擬成形結(jié)果分析預(yù)模擬成形的FLD如圖3所示。從圖中可看到：（1）前中間內(nèi)凹轉(zhuǎn)角處（A、B處）有開裂危險(xiǎn)外， 板料多數(shù)地方有嚴(yán)重起皺或呈起皺趨勢(shì)。通過(guò)分析沖壓模擬過(guò)程得知：A、B處的開裂危險(xiǎn)是因?yàn)橹边吤胬舆^(guò)深，變形程度大而過(guò)渡圓角太小，同時(shí)C、D處的嚴(yán)重起皺，造成該處板料無(wú)法順利流動(dòng)補(bǔ)給；（2）板料四個(gè)角E、F、G、H等區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重起皺，是由于兩側(cè)的凹面較平坦，變形程度過(guò)小，板料流入凹 模后形成

12、褶皺；（3）后側(cè)I、J等區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重起皺是由于后側(cè)面過(guò)于平緩，板變形程度小而造成板料堆 積所致；（4）頂部K、L等區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重起皺，而其它部分區(qū)域板料未充分變形，是由于壓料面不平順， 進(jìn)料不均勻，一部分區(qū)域材料流動(dòng)阻力小，材料較多地流入凹模型腔形成褶皺，另一部分區(qū)域材料流動(dòng) 阻力大，造成零件后平面部位及兩側(cè)球凹面成形不充分，局部區(qū)域未達(dá)到預(yù)期的形狀，模擬成形產(chǎn)品的質(zhì)量不符合要求。IWW河重起皺區(qū)r嚴(yán)宣起皺區(qū)圖3預(yù)模擬成形FLD圖Fig.3 FLD of Preparatory Bia nk Forming4、凹模型面結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工藝優(yōu)化分析成形失效原因后，擬從以下三個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：（1）根據(jù)模擬

13、結(jié)果增加工藝補(bǔ)充面，在出現(xiàn)嚴(yán)重起皺區(qū)域增加拉延臺(tái)，通過(guò)拉延臺(tái)吸收變形時(shí)多余的材料，從而改善板料變形的均勻性；（2）進(jìn)一步光順輪廓邊界，設(shè)計(jì)合理的壓料，以保證材料的流動(dòng)性；（3）根據(jù)模擬變形過(guò)程分段設(shè)置拉延筋，并優(yōu) 化其相關(guān)參數(shù)。4.1拉延凹模型面優(yōu)化兩側(cè)増?jiān)O(shè)拉 延臺(tái)翻邊補(bǔ)充成 嚐諛拉延臺(tái)減小直邊拉 延奇度塔設(shè)拉延過(guò) 曳臺(tái)階拉延凹模面的型面優(yōu)化主要包括壓料面優(yōu)化及拉延零件工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)。壓料面及工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì) 如圖4所示。主要包括:圖4優(yōu)化后的凹模曲面模型Fig.4 The Optimized Die Surface Model（1 ）根據(jù)前后兩側(cè)零件的拉延高度變化利用截面法設(shè)計(jì)平滑壓模曲面5，

14、模口圓角取810mm。（2）在前端A、B等可能出現(xiàn)應(yīng)力集中而開裂的地方增設(shè)前后拉延變形過(guò)渡臺(tái)階，減小直邊拉延高 度，留下部分區(qū)域在后續(xù)的切邊、翻邊及整形工序中再進(jìn)行成形。(3) 在兩側(cè)凹面處增加拉延臺(tái)，以改善零件各方向變形的均勻性，使兩側(cè)充分拉延，避免因材料流入凹模內(nèi)堆積而造成 E、F、G、H等區(qū)域起皺的問(wèn)題。這部分的拉延特征要在后續(xù)的切邊工序中切除,然后再進(jìn)行側(cè)端翻邊，所以要預(yù)留足夠的切邊尺寸。(4) 將后側(cè)的翻邊面進(jìn)行側(cè)向延伸補(bǔ)充成拉延臺(tái)，不僅可改善板料變形的均勻性，避免I、J處的起皺，同時(shí)可直接將后側(cè)翻邊成形，多余板料在后續(xù)工序中進(jìn)行切除。4.2成形工藝優(yōu)化將優(yōu)后化的曲面模型重新導(dǎo)入Dy

15、naform，為了調(diào)節(jié)板料流進(jìn)模腔的進(jìn)料阻力，需在壓料面上適當(dāng)位置設(shè)置拉延筋，在有限元仿真分析中，采用等效拉深阻力代替實(shí)際拉深筋，拉延筋為復(fù)雜的空間曲線，離模口的距離取30mm。經(jīng)多次模擬優(yōu)化， 最終設(shè)置的拉延筋位置如5所示，設(shè)定其完全鎖模力為 500N。因頂部成形特征較復(fù)雜，為保證質(zhì)量，將模具單邊間隙調(diào)整為5%，模面優(yōu)化后的壓邊力取240KN。圖5拉延筋的設(shè)置Fig.5 The Draw-bead Sett ing4.3優(yōu)化后的模擬結(jié)果經(jīng)多次參數(shù)優(yōu)化后的成形模擬FLD如圖6所示。在成形零件的有效區(qū)域內(nèi)，開裂危險(xiǎn)區(qū)和嚴(yán)重起皺區(qū)基本消除，起皺趨勢(shì)區(qū)大幅度減小，產(chǎn)品各成形區(qū)域達(dá)到預(yù)期的形狀，表面較

16、為光整平滑，質(zhì)量符合要求。圖6 優(yōu)后化的成形FLD圖Fig.6 FLD of Optimized Bia nk Forming4.4成形產(chǎn)品的對(duì)比分析通過(guò)模面及工藝參數(shù)優(yōu)化后的成形產(chǎn)品實(shí)物如圖7所示。圖7成形產(chǎn)品實(shí)物Fig.7 The Real Forming Product通過(guò)觀察對(duì)比，產(chǎn)品補(bǔ)面區(qū)和壓邊區(qū)的局部起皺區(qū)域與模擬結(jié)果能較好的吻合。為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬精度，選擇了如圖8模擬結(jié)果中所示幾處關(guān)鍵部位與產(chǎn)品實(shí)物進(jìn)行了厚度對(duì)比，其中A、B、C、D、E處為變薄較嚴(yán)重區(qū)，F(xiàn)、G、H、I、J處為變厚較嚴(yán)重區(qū)。對(duì)比結(jié)果如表2所O一八圖8板料模擬成形的厚度變化Fig.8 The Thick ness

17、 of The Sheet Forming Simulatio n表2模擬結(jié)果與產(chǎn)品實(shí)物的厚度對(duì)比Table2 The simulatio n results compared with the thick ness of the product部位模擬厚度值（mm）產(chǎn)品厚度值（mm）偏差值（mm）A1.151.21+0.06B1.281.27-0.01C1.301.32+0.02D1.161.23+0.07E1.181.29+0.11F1.781.77-0.01G1.841.80-0.04H1.761.78+0.02I1.731.78+0.06J1.741.82+0.08由對(duì)比數(shù)值可得：模擬

18、結(jié)果與實(shí)物成形后的厚度變化基本趨勢(shì)相同，整體模擬精度較高，但也存在一些厚度值的偏差。分析原因主要有： （ 1）數(shù)字模面的一些轉(zhuǎn)角通過(guò)多次倒圓角而成，并不光順，而實(shí) 際模具的轉(zhuǎn)角曲面是通過(guò)鉗工多次修磨，在沖壓潤(rùn)滑劑的作用下減輕了變薄趨勢(shì)，如A 、D 處；（2）實(shí)際板料的各向異性與模擬時(shí)的板料參數(shù)有一定差別，同時(shí)因?yàn)閴哼吜φ`差的存在，從而使得部分區(qū)域的 偏差值較大，如 I、J 處。4、結(jié)論（1）通過(guò) CAE/CAD 協(xié)同設(shè)計(jì)， 根據(jù)模擬結(jié)果， 反復(fù)對(duì)汽車前圍板的成形模面及成形工藝進(jìn)行了優(yōu)化 設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的模擬結(jié)果與實(shí)際成形產(chǎn)品的厚度變化趨勢(shì)相同，模擬精度可靠。（2）拉延模面決定了沖壓 件 的成形性

19、、表面質(zhì)量和尺寸精度，是復(fù)雜覆蓋件成形模具設(shè)計(jì)的核心和 關(guān)鍵，合理設(shè)計(jì)工藝補(bǔ)充面可有效改善板料變形 的均勻性。（3）通過(guò)成形數(shù)值模擬，可預(yù)測(cè)板料的成形缺陷，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及沖壓成形模面的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可 靠的指導(dǎo)，而且可極大縮短周期，節(jié)約成本 6 。參考文獻(xiàn)：1 王秀鳳，郎利輝 .板料成形 CAE 設(shè)計(jì)及應(yīng)用 M. 北京 :北京航空航天大學(xué)出版社 ,2008.1.105-119.Wang Xiufeng, Lang Lihui. Sheet Metal Forming CAE Design and ApplicationM. Beijing: Beijing University of Aeron

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