沖壓CAE技術(shù)在汽車開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

運(yùn)用有限元軟件對(duì)汽車車身零件進(jìn)行成形性分析，得到的沖壓仿真分析結(jié)果可以為車身零件的造型改進(jìn)、沖壓工藝設(shè)計(jì)及模具調(diào)試提供參考依據(jù)，從而達(dá)到縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本的目的。本文介紹了薄板沖壓成形的沖壓CAE技術(shù)所涉及的核心內(nèi)容以及CAE技術(shù)在模具制造中所發(fā)揮的作用，并以AUTOFORM軟件為例從不同的角度闡述了沖壓CAE技術(shù)在沖壓工藝研究中的應(yīng)用情況。
 

目前，全球汽車制造企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，人們對(duì)汽車質(zhì)量和性能的要求也越來(lái)越高。為迎接挑戰(zhàn)，汽車界提出了3R戰(zhàn)略，即縮短產(chǎn)品的市場(chǎng)化周期，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)費(fèi)用和減輕汽車重量。
 

沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)是薄板沖壓成形技術(shù)的關(guān)鍵，涉及力學(xué)中的三大非線性問(wèn)題：幾何非線性（沖壓過(guò)程中板料產(chǎn)生大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)、大變形）、物理非線性（又稱材料非線性，指材料在沖壓中產(chǎn)生的彈塑性變形）、邊界非線性（指模具與工件產(chǎn)生的接觸摩擦引起的非線性關(guān)系）。傳統(tǒng)的沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)只能以許多簡(jiǎn)化和假設(shè)為基礎(chǔ)進(jìn)行初步計(jì)算，然后進(jìn)行大量反復(fù)試模、修模來(lái)保證零件品質(zhì)。
 

薄板沖壓成形的計(jì)算仿真實(shí)際上是利用數(shù)字模擬技術(shù)分析板料成形的全過(guò)程，每次仿真就相當(dāng)于一次試模過(guò)程，因此成熟的仿真技術(shù)可以減少試模次數(shù)、縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)成本、提高產(chǎn)品品質(zhì)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
 

沖壓成形過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真原理
 

在薄板沖壓成形過(guò)程中，模具的剛性通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于板料的剛性，因此模具的變形相對(duì)板料的變形來(lái)說(shuō)很小，可以忽略不計(jì)。將薄板沖壓成形過(guò)程抽象成一個(gè)力學(xué)過(guò)程，它包含四種特性不同的運(yùn)動(dòng)物體，圖1所示為沖壓成形的典型力學(xué)模型示意圖。在這四種物體中，板料為彈塑性變形體，其余三種均可作為剛體看待，但三種剛體的運(yùn)動(dòng)特性各不相同。上模作為對(duì)板料加載的主動(dòng)體，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要由壓力機(jī)控制，按一定的頻率作上下往復(fù)沖壓運(yùn)動(dòng)，壓板在壓邊力作用下壓住板料，下模通常是固定不動(dòng)的。

圖1 沖壓成形的典型力學(xué)模型示意圖

為得到板料的彈塑性變形過(guò)程，必須求解作用在板料上的各種外力。從受力分析可知，作用于板料上的外力主要有三個(gè)來(lái)源（圖2）。其中F1為壓板對(duì)板料的作用力，F(xiàn)2為上模對(duì)板料的作用力，F(xiàn)3為下模對(duì)板料的作用力，上述作用力中又包括法向接觸力和切向摩擦力。此外板料還受到重力作用，壓板的剛體運(yùn)動(dòng)與板料的彈塑性變形是相互耦合的，因此必須同時(shí)求解。

圖2 作用在板料上的外力示意圖

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)中所能解決的問(wèn)題
 

拉裂的預(yù)測(cè)與消除
 

拉裂是薄板沖壓成形中常見(jiàn)的失效形式之一，利用CAE軟件成形性分析及鈑金成形極限圖的分析，對(duì)板料成形過(guò)程中的料厚變化、材料變薄率的變化狀態(tài)觀察，可以較為準(zhǔn)確地評(píng)估板料在成形過(guò)程中開(kāi)裂的部位及裂紋區(qū)域的應(yīng)變狀態(tài)。開(kāi)裂問(wèn)題通常可以通過(guò)調(diào)整產(chǎn)品狀態(tài)及成形材料解決，如適當(dāng)放大成形圓角，使用延伸性更好的材料等。對(duì)于有特殊要求的零件，則需要增加相應(yīng)工藝手段。當(dāng)產(chǎn)品開(kāi)裂區(qū)域在制件內(nèi)部，難以通過(guò)板料流動(dòng)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那闆r下，根據(jù)裂紋位置，采用過(guò)拉延手段，放大其成形R角方法，再利用整形工序?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的形狀控制。當(dāng)形狀裂紋在制件邊緣時(shí)，可以通過(guò)改變毛坯形狀、增加切角工藝、調(diào)整拉延筋形狀等方法解決開(kāi)裂問(wèn)題。
 

起皺的預(yù)測(cè)與消除

起皺是薄板沖壓成形中另一種失效形式，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)能很好的預(yù)測(cè)給定條件下零件可能產(chǎn)生的起皺。沖壓成形是板料在復(fù)雜的外力條件下通過(guò)流動(dòng)變形生成制件的成形方式，而成形板料的厚度尺寸相對(duì)形狀尺寸來(lái)說(shuō)很小，極易在厚度方向上出現(xiàn)失穩(wěn)并產(chǎn)生皺紋，影響零件表面質(zhì)量。

利用CAE有限元技術(shù)，對(duì)相關(guān)工藝參數(shù)，如拉延筋、壓邊力、板料形狀在極限狀態(tài)下的模擬分析，得出導(dǎo)致產(chǎn)品失穩(wěn)起皺的關(guān)鍵因素，從而找到有針對(duì)性的解決辦法。在產(chǎn)品的邊界區(qū)域，可通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に囇a(bǔ)充形狀，改善產(chǎn)品形狀的突變狀態(tài)，調(diào)整拉延筋形狀等方法避免起皺現(xiàn)象產(chǎn)生；在產(chǎn)品的內(nèi)部形狀區(qū)域，由于特征形狀較多，可通過(guò)CAE仿真分析軟件，評(píng)估產(chǎn)品形狀在成形時(shí)的料厚及應(yīng)力、應(yīng)變的變化狀態(tài)，使其在開(kāi)始成形時(shí)出現(xiàn)的皺紋，在成形結(jié)束時(shí)通過(guò)產(chǎn)品形狀的拉延消除產(chǎn)生的皺紋，從而改善產(chǎn)品的質(zhì)量。
 

回彈的計(jì)算

沖壓成形件在卸載后的回彈是不可避免的物理現(xiàn)象。因?yàn)榛貜棳F(xiàn)象的存在，模具型腔表面的形狀與工件表面設(shè)計(jì)的形狀應(yīng)當(dāng)不同，以補(bǔ)償回彈引起的工件尺寸變化。當(dāng)仿真計(jì)算進(jìn)行沖壓到極限位置時(shí)，模具對(duì)工件的加載過(guò)程結(jié)束，計(jì)算機(jī)會(huì)得出工件加載過(guò)程的變形輪廓。加載過(guò)程結(jié)束后，計(jì)算機(jī)便開(kāi)始對(duì)卸載過(guò)程進(jìn)行模擬。卸載過(guò)程中，模具對(duì)工件的作用力逐漸減小，工件隨之回彈。計(jì)算機(jī)對(duì)工件回彈中的變形進(jìn)行計(jì)算，模具完全脫離工件后得到了最后形狀。通過(guò)比較卸載前后工件的形狀，可得出工件在卸載中產(chǎn)生的回彈量。
 

壓邊力的確定

在計(jì)算機(jī)仿真分析過(guò)程中，壓邊力太小，工件就會(huì)起皺；壓邊力太大，工件就有開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)模具方案基本確定后，可根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)粗定壓邊力大小，再用計(jì)算機(jī)對(duì)成形過(guò)程進(jìn)行仿真。若發(fā)現(xiàn)起皺，則加大壓邊力；若發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂，則減小壓邊力，最后確定一個(gè)合適的壓邊力。
 

毛坯尺寸的計(jì)算

采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，能夠比較準(zhǔn)確地掌握一個(gè)零件在沖壓過(guò)程中的材料流動(dòng)情況。根據(jù)零件的形狀和工藝補(bǔ)充需要，在仿真得到的沖壓件的最后形狀上找出一條邊界線，以區(qū)分應(yīng)當(dāng)保留的部分和可以去掉的部分，再將這條分界線反射到原始毛坯上，就可得到合理的毛坯形狀和尺寸。
 

軟件在汽車開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

以下是利用AUTOFORM軟件對(duì)某車型側(cè)圍外板進(jìn)行CAE分析的實(shí)例。
 

側(cè)圍外板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、質(zhì)量要求及精度要求

圖3所示為某車型側(cè)圍外板零件形狀，側(cè)圍是由形狀復(fù)雜的空間自由曲面組成，零件的內(nèi)部還帶有門框和窗口形狀。側(cè)圍外板是汽車外覆蓋件中總體尺寸最大的零件，表面質(zhì)量要求很高，側(cè)圍的表面有三類區(qū)域：外觀表面、開(kāi)門后可見(jiàn)表面以及不可見(jiàn)表面，其中外觀表面質(zhì)量要求最高，不允許有開(kāi)裂、皺紋、凹凸不平、沖擊線、滑移線、壓痕等缺陷，而且產(chǎn)品特征棱線應(yīng)清晰。它與側(cè)圍有匹配關(guān)系的零件最多，包括發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、翼子板、前風(fēng)窗、前后門總成、前后地板、前后輪罩、后蓋、尾燈、密封條等。對(duì)側(cè)圍要求有很高的尺寸精度，包括輪廓尺寸、孔位尺寸等，以保證焊裝和總裝的準(zhǔn)確性、一致性，側(cè)圍還要求有很高的形狀精度。

圖3 側(cè)圍外板零件形狀
 

側(cè)圍外板沖壓成形的有限元模擬分析

側(cè)圍外板屬于外覆蓋件，要經(jīng)過(guò)拉延、修邊沖孔、翻邊、整形等工序完成，拉延工序是最重要的，也是難度最大的。工藝設(shè)計(jì)不當(dāng)，常常會(huì)產(chǎn)生拉裂、起皺等缺陷，給模具調(diào)試造成較大的難度，采用AUTOFORM軟件的有限元模擬分析計(jì)算、深入分析側(cè)圍外板成形特征和變形過(guò)程的金屬流動(dòng)、合理控制材料流動(dòng)和應(yīng)力分布，以避免成形區(qū)域局部開(kāi)裂和起皺的發(fā)生，同時(shí)為零件的模具調(diào)試以及沖壓成形質(zhì)量控制提供技術(shù)依據(jù)。

⑴建立側(cè)圍外板拉延件有限元模型。

1）初始拉延工藝設(shè)計(jì)。

圖4 側(cè)圍外板拉延型面幾何模型

初始型面設(shè)計(jì)主要依靠工藝設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)完成，圖4所示為用CATIA軟件設(shè)計(jì)完成的側(cè)圍外板型面幾何模型，它包括產(chǎn)品面、工藝補(bǔ)充面、壓料面和拉延筋。產(chǎn)品面是由零件的幾何形狀所決定的；工藝補(bǔ)充面、壓料面和拉延筋是為使產(chǎn)品面達(dá)到成形要求而需要增加的部分。設(shè)計(jì)合理的工藝補(bǔ)充面、壓料面和拉延筋是獲得高質(zhì)量產(chǎn)品的關(guān)鍵，工藝設(shè)計(jì)中通常考慮以下幾個(gè)方面。

①壓料面。確定沖壓方向要考慮拉延成形過(guò)程中的坯料接觸與進(jìn)料情況，保證接觸面盡量大，各處拉延深度盡量均勻，拉延深度的大小決定了產(chǎn)品的成形性。成形性越好，則產(chǎn)品件剛性越好，而且回彈越小，有利于后序整形后獲得精度較高的零件，壓料面的位置是由適當(dāng)?shù)臎_壓方向和拉延深度決定的。

②工藝補(bǔ)充面。做工藝補(bǔ)充面前要考慮產(chǎn)品面的翻邊部分，將需要翻邊的產(chǎn)品面展開(kāi)到工藝補(bǔ)充面上。如后序有整形，可適當(dāng)放大產(chǎn)品部分的圓角和加大立壁拔模角度，工藝補(bǔ)充面是指從產(chǎn)品面邊緣延伸出來(lái)到壓料面的過(guò)渡面，工藝補(bǔ)充面的設(shè)計(jì)要盡可能圓滑，有利于材料流動(dòng)。

③拉延筋。拉延筋是用來(lái)控制和改善材料流動(dòng)狀況的。初步設(shè)計(jì)拉延筋圓角半徑為6mm，高度為5mm，為保證沖壓成形性，并方便調(diào)整材料的流動(dòng)速度和流入量，采用雙道拉延筋。
 

2）計(jì)算機(jī)仿真設(shè)置。

首先將在CATIA軟件中設(shè)計(jì)的型面幾何模型通過(guò)IGS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口導(dǎo)入AUTOFORM軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分及各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置。AUTOFORM軟件用隱式增量有限元法迭代求解進(jìn)入工序生成器，采用單動(dòng)拉延工藝，材料為DC06，料厚0.7mm，定義好板料形狀（Blank）、工具 (Tool）、拉延筋 (Drawbead）、摩擦系數(shù) (Lube）、工序 (Process）。