文/張衛(wèi)東，劉揚，張寧·北京汽車動力總成有限公司

前圍上蓋板沖壓成形工藝設計

文/張衛(wèi)東，劉揚，張寧·北京汽車動力總成有限公司

本文以某汽車車型的前圍上蓋板為研究對象，運用CAD三維造型軟件以及CAE有限元分析軟件，對其成形過程進行了工藝設計及數值模擬。其中，利用CAE軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的沖壓件尺寸展開方法，快速準確地求出毛坯形狀尺寸；討論了工藝補充面的形狀與拉延筋的布置等工藝參數對成形過程的影響，并對其進行了優(yōu)化。針對覆蓋件在拉深過程中產生的起皺與開裂等成形質量問題，分析其產生原因并提出了工藝優(yōu)化方案，利用有限元分析軟件進行數值模擬，驗證了方案的可行性與合理性。

隨著現代社會的快速發(fā)展，汽車工業(yè)已經成為包括我國在內的很多國家的支柱產業(yè)。汽車工業(yè)生產水平是衡量一個國家技術發(fā)展水平的重要標志之一。近些年，國內外的大型汽車制造企業(yè)都把汽車車身的設計和制造能力作為衡量汽車車型開發(fā)水平的重要標志。其中，車身零件主要為大型覆蓋件。汽車覆蓋件沖壓成形質量的好壞決定了各部件的裝配，從而影響到整車的質量。如何實現快速、低成本、高質量的制造成為汽車生產的關鍵問題之一。

本文基于CAD/CAE技術，對某汽車車型的前圍上蓋板進行沖壓工藝設計，采用CAD系統(tǒng)建立幾何模型，添加工藝補充面，然后采用CAE分析軟件進行仿真模擬，并不斷優(yōu)化工藝參數，使零件滿足形狀與質量要求，兼具較好的經濟性。

沖壓工藝分析

結構分析

本文研究的前圍上蓋板零件屬于內覆蓋件，是發(fā)動機艙與車廂之間的隔板。零件厚度為0.8mm，最長處長度為1052mm，中央寬度為155mm，尺寸較大，且左右基本對稱，因此采用最常見的單件拉深成形。該零件深度較淺，表面有局部凸臺、空間曲面及孔洞。零件形狀如圖1所示。該覆蓋件材料為SPCC，廣泛應用于汽車制造、電氣產品、機車車輛、航空航天、精密儀表等領域，其特點為價格低廉和塑性加工性能好。

圖1 零件數模

工藝分析

從零件結構分析中可以看出，該零件有大而淺的特點，且表面有形狀大小不等的多個孔。零件全工序生產需要下料、拉深、修邊、沖孔這幾道工序。

覆蓋件的成形質量，關鍵在于拉深工序的工藝性，為了能較好地完成拉深工序的成形，通常需要將翻邊展開、孔洞填滿、增設合理的工藝補充面及壓料面。此外，為了優(yōu)化拉深條件，還需要合理設計毛坯尺寸形狀、確定合理的沖壓方向、設計拉延筋等。

有限元建模

將已在CAD三維造型軟件中建立好的數模，導入到CAE分析軟件前處理器中，接著對模型進行工具網格劃分。具體采用剛體材料模型，由于零件采用的是矩形毛坯，因此坯料網格單元均為矩形單元，而在復雜曲面處采用大量的三角形單元，以更精確地反映其幾何形狀，并使模具的網格尺寸接近坯料網格的尺寸，使接觸力的分布更精確。工具網格如圖2所示。

圖2 工具網格圖

參數設置

本零件采用單動拉深模進行拉深，其工作原理為：毛坯在壓邊圈上方，凹模下行，毛坯在壓邊圈和凹模壓邊部分的作用下被壓?。话寄＠^續(xù)下行，當毛坯和凸模接觸時，開始拉深成形過程；當凸凹模合模時，拉深過程結束。模具與坯料的空間位置如圖3所示。模具閉合速度設置為2000mm/s，虛擬沖壓速度設置為5000mm/s，坯料與模具間的摩擦系數選為0.125。

圖3 模具與坯料的空間位置

數值模擬結果與工藝優(yōu)化

優(yōu)化工藝補充面

（1）交流輸入，無備電：采取就近接入市電的直接供電方式。這種方式最簡單，適合對網絡質量要求不高，同時信號源為交流輸入的場景。

通過模擬計算，數模修改前成形極限圖，如圖4所示。中間大部分未變形，且有起皺的現象；兩端圓角處的危險區(qū)域開裂，下部出現起皺現象。材料厚度變化，如圖5所示。兩端圓角處減薄至約0.06mm，已超過破裂臨界值，發(fā)生了開裂。

根據模擬結果，針對兩處危險區(qū)修改工藝補充面，具體修改為以下三點：

⑴由于開裂處為工藝補充面，該處是開裂的危險區(qū)域，坯料進料困難，考慮將工藝補充面中尖角部分修改為平面，使該處局部應力變小，降低破裂風險。開裂處工藝補充面修改前后對比，如圖6所示。

圖4 數模修改前成形極限圖

圖5 數模修改前材料厚度變化圖

圖6 開裂處工藝補充面修改前后對比

⑵將凸模圓角半徑從5mm變?yōu)?mm，使曲率變緩，材料更容易流動，減少拉裂的風險。

⑶下部起皺處也為工藝補充面，該處是一個凹形曲面，深度太淺，需要的材料很少，而進料阻力小，進料快，因此導致了起皺的現象?？紤]修改工藝補充面，將該處凹形曲面抬高，使該處深度變深，減少起皺的現象。開裂處工藝補充面修改前后對比，如圖7所示。

圖7 下部起皺處工藝補充面的修改

圖8 數模修改后成形極限圖

圖9 數模修改后材料厚度變化圖

通過兩次模擬結果的對比，可以看出修改工藝補充面有效地改善了危險區(qū)域的破裂風險，同時減輕了下部起皺的現象。

設置拉延筋

在未設置拉延筋的拉深成形中，上部及兩側凹形區(qū)域被拉進的材料過剩，出現料多導致的起皺現象，同時零件中間大部分未能較好的發(fā)生塑性變形，如圖8所示。為了解決這些問題，需要在起皺和未變形的位置增設拉延筋。

本零件的有限元模擬采用等效拉延筋。通過模擬分析，如周圈全部設置壓延筋，側面有拉裂的現象。側面尖角處和凸模圓角處為危險區(qū)域，添加拉延筋后，增大了進料阻力，則會在危險區(qū)域出現破裂現象。綜合考慮后，決定僅在零件上下添加拉延筋，目的是使中間未變形區(qū)域成形。去掉圓角處的拉延筋，將上下兩端處的拉延筋縮短，最終拉延筋布置如圖10所示。拉延筋共分八段，設定后各段的阻力分別：a段為150N，b段為190N，c段為160N，d段為190N，e段為150N，f段為80N，g段為100N，h段為80N。

圖10 拉延筋的布置

經過模擬，最終的成形極限圖如圖11所示。兩側的危險區(qū)域已無破裂的現象，成形效果良好，局部有起皺傾向以及有破裂傾向的部位均為工藝補充面，在后續(xù)的加工工序中會修切掉。零件部分絕大部分已經充分成形。因此該拉延筋的位置與阻力為最終的設計結果。至此通過CAE分析軟件完成了對覆蓋件的成形模擬分析以及對工藝補充面和拉延筋布置等工藝參數的優(yōu)化調整。

圖11 最終的成形極限圖

結束語

本文通過對某汽車車型的前圍上蓋板進行工藝設計及模擬優(yōu)化，提出了工藝補充面、拉延筋設置、壓邊力以及坯料尺寸形狀等參數的優(yōu)化方案，并利用CAD三維造型軟件以及CAE有限元分析軟件進行模擬分析，驗證了該方案的合理性。分析了覆蓋件在拉深成形的過程中發(fā)生起皺或開裂現象的原因，并提出了解決辦法，為實際模具生產及調試提供了依據。通過本研究得出以下幾點結論：⑴凸模圓角處為有可能開裂的“危險區(qū)域”，增大凸模圓角后，可以有效減小坯料的流動阻力，降低開裂的風險。⑵由于覆蓋件多為大中型零件，形狀復雜，且在拉深成形過程中，會出現大面積減薄的現象，無法用傳統(tǒng)的沖壓件尺寸展開方法計算坯料的大小。運用先進的CAE有限元分析軟件中的一步法逆向求解器，可以快速準確地求出毛坯尺寸形狀。⑶拉延筋的設置對于覆蓋件拉深成形起著非常重要的作用。通過合理地設置拉延筋的長度、位置以及產生的阻力大小，可以使覆蓋件各處坯料流動阻力趨于一致，大大提高了成形質量。