舒滿征 王 利 黃昭明 陳 華

(1安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 安徽安慶 246003；2 馬鞍山市汽車沖壓模具先進(jìn)設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心 安徽馬鞍山 243031；3宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院 安徽宣城 242000)

工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)的合理與否，是沖壓工藝設(shè)計(jì)先進(jìn)與否的重要標(biāo)志，直接影響拉延成形的工藝參數(shù)、毛坯的變形條件、變形量大小、變形分布以及表面質(zhì)量、破裂、起皺等質(zhì)量問題的產(chǎn)生。近年來，拉延模面工藝補(bǔ)充的設(shè)計(jì)[1-4]主要在拉延面設(shè)計(jì)過程與拉延成形仿真過程中提及，拉延模面工藝補(bǔ)充的設(shè)計(jì)也只是通過邊界參數(shù)由軟件自動(dòng)生成，并未詳細(xì)的分析其設(shè)計(jì)方法。對結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成形精密的車身外覆蓋件而言，僅通過工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的邊界參數(shù)自動(dòng)生成拉延工藝補(bǔ)充，是無法達(dá)到拉延成形質(zhì)量要求的。該方法弊端是加大了拉延模面設(shè)計(jì)的優(yōu)化工作，大大降低了有限元仿真的效率。

為解決此問題，文章從模面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)入手，以某型轎車側(cè)圍為研究對象，應(yīng)用CAE軟件AutoForm[5]重點(diǎn)解析制件的工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)，并對制件拉延成形做數(shù)值模擬，旨在研究制件內(nèi)外部補(bǔ)充的設(shè)計(jì)、檢查與優(yōu)化方法的有效性。

1 工藝補(bǔ)充概述

1.1 工藝補(bǔ)充概念

為了給拉延工藝創(chuàng)造一個(gè)良好的拉延條件，需要將覆蓋件上的窗口填平，將開口部分連接成封閉形狀。有凸緣部分進(jìn)行平順改造使之成為有利成形的壓料面，無凸緣的需要增補(bǔ)壓料面，這些增添的部分稱為工藝補(bǔ)充部分。工藝補(bǔ)充是指為了順利拉延成形出合格的制件而在覆蓋件的基礎(chǔ)上添加的那部分材料。由于這部分材料是成形需要而不是零件需要，故在拉延成形后的修邊工序中要將工藝補(bǔ)充部分切除。工藝補(bǔ)充是拉延件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一，不僅對拉延成形起著重要作用，而且影響后面的修邊、整形、翻邊等工序的方案。

1.2 工藝補(bǔ)充的作用

工藝補(bǔ)充部分包括兩大類：一類是零件的內(nèi)工藝補(bǔ)充，即填補(bǔ)內(nèi)部孔洞，創(chuàng)造適合于拉延成形的良好條件，這部分工藝補(bǔ)充不增加材料消耗，而且在沖內(nèi)孔后，這部分材料仍可適當(dāng)利用；另一類工藝補(bǔ)充是在零件沿輪廓邊緣展開的基礎(chǔ)上添加上去的，它包括拉延部分和壓料面部分，由于這類工藝補(bǔ)充是在零件外部增加上去的，稱為外工藝補(bǔ)充，它是為了選擇合理的沖壓方向、創(chuàng)造良好的拉延成形條件而增加的，這部分工藝補(bǔ)充增加了材料消耗。工藝補(bǔ)充面示意圖如圖1所示，圖中3為零件模型，在拉延成形完成后，需要沿著內(nèi)修邊線2和外修邊線4分別將內(nèi)工藝補(bǔ)充1和外工藝補(bǔ)充5切除。

圖1 工藝補(bǔ)充面示意圖1-內(nèi)工藝補(bǔ)充；2-內(nèi)修邊線；3-零件模型；4-外修邊線；5-外工藝補(bǔ)充

2 工藝補(bǔ)充截面線設(shè)計(jì)

2.1 工藝補(bǔ)充截面線

AutoForm軟件的截面線包含主截面線和自定義截面線兩類。主截面線模型代表著工藝補(bǔ)充上最基本的參考輪廓，通過它所定義的筋、圓角半徑和傾角決定了工藝補(bǔ)充面的基本形狀。圖2為工藝補(bǔ)充主截面線參數(shù)圖。該模型包含的4個(gè)基本參數(shù)如下：延伸面寬度W2、凸模圓角R7、凹模圓角R8和凹模側(cè)壁拔模角A5。多數(shù)情況下，僅通過主截面線很難得到一個(gè)理想的工藝補(bǔ)充。一個(gè)較理想的工藝補(bǔ)充包含著多條依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的自定義截面線。在AutoForm中創(chuàng)建及修改這些截面線是模面設(shè)計(jì)必不可少的工作。

圖2 工藝補(bǔ)充主截面線

2.2 工藝補(bǔ)充截面線全參數(shù)圖

圖3為工藝補(bǔ)充全參數(shù)截面線圖。

圖3 工藝補(bǔ)充全參數(shù)截面線

1-零件截面線；2-壓料面截面線；3-工藝補(bǔ)充面截面線

通過零件延伸部分的參數(shù)定義，將生成工藝補(bǔ)充上的一段附加區(qū)域，此部分形狀受這些參數(shù)及零件的邊界控制，其主要目的是工藝補(bǔ)充上為翻邊或切邊預(yù)留調(diào)整量。需要注意的是這些零件延伸部分的參數(shù)只有在延伸寬度參數(shù)值大于零時(shí)起作用。不要試圖利用延伸區(qū)域的功能在工藝補(bǔ)充上做筋，也就是說把延伸部分高度設(shè)置比較大，看上去會(huì)形成一個(gè)凹筋形狀，這樣做可能會(huì)因?yàn)楦淖兞私孛婢€形狀而導(dǎo)致虛假的結(jié)果。零件延伸部分的參數(shù)包含：邊線圓角R1、邊線拔模角A1、法蘭面圓角R2、法蘭面傾角A2、最小法蘭面傾角A2min、最大法蘭面傾角A2max、延伸面寬度W2、延伸面高度H2。

通過凹筋和凸筋各參數(shù)的定義，會(huì)根據(jù)截面線的具體形狀在工藝補(bǔ)充面上生成凹筋和凸筋，但在凸模分模線寬度W1不夠的情況下，很多凹筋和凸筋的參數(shù)會(huì)無法進(jìn)行調(diào)整。凹筋和凸筋的參數(shù)主要包含：凸模分模線寬度W1、凸筋寬度W3、凹筋高度H1、凸筋高度H3、邊線圓角R1、零件圓角R3、凹筋左圓角R4、凹筋右圓角R5、凸模左圓角R6、凸模右圓角R7、凹模圓角R8、凹筋拔模角A3、凸筋拔模角A4、凹模側(cè)壁拔模角A5。

2.3 截面線模型

大部分拉延件的外部周圈或內(nèi)部孔洞不同部位的成形受力存在區(qū)別，故需要應(yīng)用不同的截面線工藝補(bǔ)充過渡才能獲得良好的拉延成形工藝性。在不同制件的工藝補(bǔ)充中AutoForm涵蓋的6種特征截面線模型如下：

(1)相切，鎖定凸模分模線模型。該模型將生成與零件邊界和壓料面都相切過渡的工藝補(bǔ)充面。該模型鎖定凸筋寬度、凸筋高度和凹筋高度。

(2)最小凸模分模線模型。該模型將生成從分模線到零件邊界最小距離的工藝補(bǔ)充面。該模型鎖定凸筋寬度、凸筋高度和凹筋高度。

(3)相切，自由凸模分模線模型。該模型將生成一個(gè)從分模線到零件邊界任意距離的相切工藝補(bǔ)充面。凸筋高度是從零件曲面的相切延伸面上開始計(jì)算，凸筋寬度為固定的最小值，鎖定凹筋高度。

(4)光順模型。該模型將生成一個(gè)從分模線到零件邊界的任意距離的光順工藝補(bǔ)充面。凸筋高度是從零件曲面上開始計(jì)算，凸筋寬度為固定的最小值，鎖定凹筋高度。

(5)臺階模型。該模型將生成凸筋的筋寬值設(shè)為最大，這將導(dǎo)致在工藝補(bǔ)充上出現(xiàn)一個(gè)臺階形狀，分模線到零件邊界的距離可被任意設(shè)置。凸筋高度從零件的表面開始算起，鎖定凹筋高度。

(6)凸筋模型功能類似于光順模板，不同之處在于此模板多了一個(gè)凹筋，該模型可變的余地最大，可以生成復(fù)雜的工藝補(bǔ)充面，其截面線模型同工藝補(bǔ)充截面線全參數(shù)圖。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 制件結(jié)構(gòu)分析

圖4所示的某型轎車側(cè)圍模型的材料為DC06，料厚為0.7 mm，外形尺寸為2800 mm×1250 mm×280 mm，轎車側(cè)圍為外覆蓋件中尺寸最大、搭接關(guān)系最多且曲面復(fù)雜的制件。制件上部與頂蓋、前檔風(fēng)玻璃安裝框架，下部與前、后地板以及輪罩總成，前部與前翼子板，后部與后保險(xiǎn)杠、尾燈配合，中部與前、后門以及前門支柱的下加強(qiáng)板，前、后門鉸鏈加強(qiáng)板總成等都有嚴(yán)格的匹配關(guān)系。

圖4 某型轎車側(cè)圍模型

模型后部的大凸包是制件拉延最深處；前部與中部寬窄明顯，高低起伏大；上部狹窄，相對深度大，邊緣內(nèi)扣；下部形狀規(guī)整；前后門洞沿口和三角窗處有明顯階梯變化，層次分明。制件表面棱線清晰，門框以外是外露部分，屬于A級面；門框以內(nèi)，在開門打開狀態(tài)下，也是外露部分，屬于B級面，因此制件的表面質(zhì)量和尺寸精度要求都非常高。

3.2 工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)準(zhǔn)備[6]

(1)零件準(zhǔn)備。導(dǎo)入轎車側(cè)圍模型，設(shè)置容錯(cuò)公差為0.05mm，最大邊長為30mm，完成模具體精度劃分。以零件中心作為沖壓起始點(diǎn)，以最小沖壓負(fù)角作為沖壓方向，調(diào)整至Z軸向下的單動(dòng)拉延高度指向。圓整后的初略沖壓方向參數(shù)如下：起始點(diǎn)XYZ-origin為(1685.00mm，660.00mm，530.00mm)，沖壓方向XY′Z″-rotation為(-81.00°，0.00°，180.00°)。查看零件數(shù)模上的沖壓負(fù)角區(qū)域并逐一刪除，獲得無沖壓負(fù)角的光順模型。

(2)孔洞與邊界填補(bǔ)。定義孔洞填補(bǔ)參數(shù)最小尺寸為1.50mm，最大尺寸為300.00mm，然后填補(bǔ)內(nèi)部孔洞與外部邊界，并手動(dòng)添加定義填補(bǔ)參數(shù)以外的內(nèi)外部孔洞與邊界，最后在水平與垂直兩個(gè)方向上光順?biāo)钛a(bǔ)的邊界。

(3)壓料面定義。定義壓料面有兩種方法，一是導(dǎo)入CAD軟件設(shè)計(jì)好的壓料面；二是導(dǎo)入CAD軟件設(shè)計(jì)好的壓料面截面線，通過該截面線來擬合壓料面。應(yīng)用后者擬合好的壓料面到轎車側(cè)圍模型的最小距離為37.70 mm，最大距離為203.14 mm。

3.3 工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)

如圖5所示，轎車側(cè)圍的5個(gè)工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)分別為：后輪罩補(bǔ)充1、尾燈補(bǔ)充2、外部補(bǔ)充3、后門洞補(bǔ)充4和前門洞補(bǔ)充5。其中后輪罩補(bǔ)充1

圖5 轎車側(cè)圍模型工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)1-后輪罩補(bǔ)充；2-尾燈補(bǔ)充；3-外部補(bǔ)充；4-后門洞補(bǔ)充；5-前門洞補(bǔ)充；6-壓料面；7-零件模型

和尾燈補(bǔ)充2不在上述孔洞與邊界填補(bǔ)參數(shù)控制內(nèi)，需要手動(dòng)填補(bǔ)。按后輪罩左端兩個(gè)拐角特征，經(jīng)過3步填補(bǔ)，并在水平與垂直兩個(gè)方向上光順填補(bǔ)邊界。

對轎車側(cè)圍外部與壓料面6之間添加工藝補(bǔ)充，選擇與主截面線相同的光順模型并生成補(bǔ)充面；在所生成的工藝補(bǔ)充面上添加截面線，并劃分成6個(gè)區(qū)域，再調(diào)整截面線方向至無自交現(xiàn)象；對6個(gè)區(qū)域的截面線選擇合理的模型與參數(shù)；光順6個(gè)區(qū)域的工藝補(bǔ)充面凹模入口線和凸筋高度。此外，還需要通過翻邊線展開求解翻邊線在補(bǔ)充面中的位置來分析工藝補(bǔ)充是否滿足后續(xù)切邊和整形要求。對于外覆蓋件，要求翻邊線展開位于工藝補(bǔ)充面臺階以上。設(shè)計(jì)好的轎車側(cè)圍工藝補(bǔ)充面，如圖5所示。

轎車側(cè)圍外部補(bǔ)充中1區(qū)、2區(qū)沿口為帶有臺階的整體翻邊，適用臺階模型Step截面線；3區(qū)、4區(qū)沿口帶有法蘭面，適用最小凸模分模線模型POmin截面線；5區(qū)、6區(qū)沿口帶有翻邊但翻邊面與外觀表面之間沒有臺階，適用光順模型Smooth截面線。外部區(qū)域部分截面線的模型與參數(shù)，如表1所列。

表1 外部區(qū)域部分截面線的模型與參數(shù)

*注：長度單位為mm，角度單位為°，“-”表示鎖定。

3.4 模面修補(bǔ)與整理

(1)模面修補(bǔ)。光順修補(bǔ)模面不光順的區(qū)域，對R角過小的區(qū)域，需要把R角去掉進(jìn)行過拉延，后續(xù)再整形到產(chǎn)品的形狀[7]；根據(jù)模擬結(jié)果中顯示的局部開裂，通過放大修改圓角達(dá)到圓角部位不開裂，后期再整形到產(chǎn)品形狀；對于造型不合理發(fā)生開裂的補(bǔ)面，如輪圈補(bǔ)面，需要對其添加凸筋特征重新修補(bǔ)模面。修補(bǔ)后的轎車側(cè)圍模面，如圖6所示。

圖6 修補(bǔ)后的轎車側(cè)圍模面1、2-后輪罩補(bǔ)充修補(bǔ)面；3-后門洞補(bǔ)充修補(bǔ)面；4、5-前門洞補(bǔ)充修補(bǔ)面

(2)模面整理。通過上述拉延模面設(shè)計(jì)后，需要修剪較大拉延模面壓料面，在不影響成形情況的條件下減小后期沖壓成形數(shù)值模擬計(jì)算量；展開翻邊后，需要保證拉延筋位置在翻邊線的外部，此時(shí)在添加拉延筋后，拷貝對應(yīng)凹模入口線，并放大18 mm后生成拉延筋線，并查看拉延筋線與所展開翻邊線的位置關(guān)系，調(diào)整拉延筋線位置直至滿足要求[8]。整理后的轎車側(cè)圍模型模面，如圖7所示。

圖7 整理后的轎車側(cè)圍模面

4 數(shù)值模擬與分析

創(chuàng)建單動(dòng)拉延工藝過程，完成料片形狀與材料定義后，進(jìn)行模具體參數(shù)、潤滑參數(shù)與模具體運(yùn)動(dòng)過程設(shè)置。轎車側(cè)圍拉延成形數(shù)值模擬結(jié)果，如圖8所示。

圖8顯示大部分增厚或起皺區(qū)域在轎車側(cè)圍模型外圈，大部分變薄或開裂局部成形不足前后門洞模型內(nèi)圈，而這些區(qū)域都在零件邊界線以外，后期需要被切除的，不影響零件的成形質(zhì)量。零件上存在開裂趨勢小部分區(qū)域可以通過產(chǎn)品造型優(yōu)化或拉延筋優(yōu)化方法消除[9-10]。該模擬結(jié)果反饋了上述工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)過程效果良好。

圖8 轎車側(cè)圍拉延成形數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果在局部修改進(jìn)行模面優(yōu)化，然后在計(jì)算直至轎車側(cè)圍拉延成形數(shù)值模擬結(jié)果合格為止。一般修改2～3次就能獲得較好的結(jié)果。如果零件數(shù)據(jù)確定不再改動(dòng)，就可以考慮在CAD軟件中根據(jù)AutoForm軟件中制作的拉延工藝模面進(jìn)行重構(gòu)，然后再返回到AutoForm軟件驗(yàn)證。

5 結(jié)語

以轎車側(cè)圍為研究對象，在分析制件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，首先應(yīng)用AutoForm軟件做了零件準(zhǔn)備、孔洞與邊界填補(bǔ)以及壓料面定義的設(shè)計(jì)，完成了工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作；然后，確定了制件上5個(gè)需要工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)的區(qū)域，分別為：后輪罩補(bǔ)充、尾燈補(bǔ)充、外部補(bǔ)充和前、后門洞補(bǔ)充。對后輪罩補(bǔ)充部分的設(shè)計(jì)分三次完成，并做了光順處理，對制件外部與前、后門洞共8個(gè)區(qū)域，依次定義了截面線模型與參數(shù)并做了優(yōu)化；最后應(yīng)用制件外部翻邊線展開調(diào)整了補(bǔ)充面區(qū)域。

通過制件拉延成形數(shù)值模擬驗(yàn)證了工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)過程的有效性。數(shù)值模擬結(jié)果顯示大部分增厚或起皺區(qū)域、大部分變薄或開裂局部成形不足區(qū)域均在零件模型外部區(qū)域，這些區(qū)域后期需要被切除的，并不影響零件的成形質(zhì)量。零件上存在開裂趨勢的小部分區(qū)域可以通過優(yōu)化消除。