沖壓CAE技術(shù)在汽車開發(fā)中的應用

拉延凸模、凹模、壓邊圈及板料采用殼單元進行幾何離散，自適應劃分網(wǎng)格，并假定凸模、凹模、壓邊圈三部分為剛體，然后進入工序(Process）進行設(shè)計。拉延過程共分三步，分別是重力（Gravity）、閉合（Closing）和拉延（Drawing）。圖5所示為側(cè)圍外板拉延起始狀態(tài)下的有限元模型，凹模在上，凸模在下，三個壓邊圈在中間，行程為220mm。根據(jù)初步計算的仿真結(jié)果，反復優(yōu)化壓料面、工藝補充面及仿真參數(shù)，確定落料輪廓（圖6），同時確定外壓邊力、門框內(nèi)壓料力和拉延筋強度，為現(xiàn)場模具調(diào)試提供參考依據(jù)。

圖5 側(cè)圍外板拉延件有限元模型

圖6 側(cè)圍外板落料輪廓

⑵模擬結(jié)果分析。

參數(shù)設(shè)置完成后進行模擬分析計算，對CAE分析結(jié)果進行研究，不斷修改工藝方案，進行優(yōu)化處理。調(diào)整內(nèi)容主要包括：壓邊力、拉延筋、板料輪廓線、型面角度及圓角等。對可能出現(xiàn)的缺陷進行評估，同時提出解決預案。

1）塑性變形。

汽車外覆蓋件都具有比較平緩的曲面，通常采用一次拉延成形。為保證零件成形后有足夠的剛性和表面質(zhì)量，必須對塑性變形程度進行控制。塑性變形程度越大，其剛性越好，一般要求毛坯的最小塑性變形伸長率大于3%。圖7所示為該側(cè)圍外板的拉延成形性分布圖，從圖中可以看出，B柱上方與頂蓋搭接的上邊梁部位A區(qū)域局部成形不充分。A區(qū)域的成形不充分是由于內(nèi)、外兩側(cè)的材料流入不均勻造成的。因為B柱產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的限制，內(nèi)側(cè)材料流動性差。通過調(diào)整內(nèi)外側(cè)拉延筋、壓邊力和優(yōu)化門框的工藝孔可以解決。門檻B(tài)區(qū)域表面變形不充分，原因與A區(qū)域相同，采用相同的解決措施。側(cè)圍輪罩上方C區(qū)域形狀相對平坦，位于產(chǎn)品的中部，也容易出現(xiàn)變形不充分情況，產(chǎn)生表面局部凹陷，通過工藝補償可以解決。

圖7 側(cè)圍外板拉延成形性分布圖

2）起皺分析。

圖8(a）是該側(cè)圍起皺分布圖，側(cè)圍在成形過程中，在距拉延到底前40mm時，輪罩下角產(chǎn)生皺紋，但零件最后成形時，皺紋消失，對零件質(zhì)量影響不大。圖8(a）所示的D區(qū)域后三角窗位置由于產(chǎn)品造型原因，成形有起皺的風險。在產(chǎn)品設(shè)計時，已考慮在D區(qū)域增加如圖8(b）所示的吸皺筋，這在一定程度上可以避免或減輕因材料線長變化而出現(xiàn)材料堆積的皺紋缺陷。

圖8 側(cè)圍外板拉延起皺分析

3）破裂分析。

圖9所示為該側(cè)圍減薄分布圖，減薄最嚴重的幾個區(qū)域分布在尾燈口的E區(qū)域和后門洞的F區(qū)域，局部最大減薄率達到27%。一般要求DC06材料的最大減薄率不超過20%。由于成形深度較深，側(cè)壁拔模角度和根部圓角較小，材料流動性差，材料過度減薄，成形有開裂的風險?？紤]該區(qū)域后序有整形工序保證產(chǎn)品特征，拉延工序可以放大側(cè)壁的拔模角度和根部圓角使材料容易流入，解決開裂問題。門框下角的G區(qū)域和H區(qū)域局部最大減薄率達到25.3%，根部圓角和轉(zhuǎn)角都比較小，容易使材料應力集中，解決預案是調(diào)整內(nèi)側(cè)壓邊面上的拉延筋、優(yōu)化門框工藝孔大小。

圖9 側(cè)圍外板拉延材料變薄分析

4）滑移線分析。

汽車外覆蓋件產(chǎn)品造型時需要設(shè)計一些外觀有美感要求的特征棱線，圖10(a）所示為產(chǎn)品棱線。這些產(chǎn)品的圓角通常都較小，在零件沖壓成形時，凸模棱線的高點與板料接觸較早，與凸模高處圓角接觸的板料會產(chǎn)生滑動而出現(xiàn)滑移痕跡，從圖10(b）中可觀察到。為避免在零件外表面出現(xiàn)滑移線，需要保持棱線兩側(cè)的進料速度均勻，并控制兩側(cè)的材料流入量。

5）沖擊線分析。

圖10 側(cè)圍外板滑移線分析

圖11 側(cè)圍外板沖擊線分析

圖11 所示為該側(cè)圍在上邊梁與頂蓋搭接區(qū)域的沖擊線分布圖。板料在拉延過程中，凹?？趫A角首先接觸板料，隨著板料向凹模中流入，凹?？趫A角在板料上留下痕跡，材料流入越多痕跡越長，這種痕跡就是沖擊線。沖擊線距離產(chǎn)品外露面可視邊界最近處為8.9mm，不會對外表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。對于外覆蓋件，沖擊線不允許留在外觀面上，在產(chǎn)生沖擊線的工藝補充側(cè)壁的下半段增加臺階造型，這種臺階造型的凹模圓角初始接觸板料的位置比原始的凹模圓角接觸板料位置靠外一點，能夠儲存一定量的材料。并且在板料成形的前半段產(chǎn)生稍大的拔模角度，材料流入量相對較少；在板料成形的后半段，上模臺階的凸圓角接觸板料，此圓角處材料開始流動，最后到拉延成形結(jié)束。這樣來說可以減緩材料成形上半段的材料流動，減緩了沖擊線，同時避免了門洞內(nèi)開裂的問題。
 

結(jié)束語

沖壓CAE分析在汽車開發(fā)中的應用縮短了整車鈑金件的開發(fā)周期，節(jié)約了大量的開發(fā)成本，大大提高了產(chǎn)品的市場競爭力。在國內(nèi)外汽車企業(yè)中，沖壓CAE工程是車身零件沖壓成形分析中必不可少的環(huán)節(jié)，利用沖壓CAE有限元模擬分析可以提前預測成形中的缺陷和潛在問題，針對出現(xiàn)的問題采取合理的工藝方案，可以消除大部分質(zhì)量隱患，提高零件工藝設(shè)計質(zhì)量。

—— 來源：《鍛造與沖壓》 2018年第22期