CAE技術在復雜沖壓模具開發中的應用

丁友生，李志軍

DING You-sheng1, LI Zhi-jun2

（1. 南京信息職業技術學院 機電分院，南京 210046；2. 南京南汽模具裝備有限公司 技術部，南京 210016）

0 引言

沖壓件的塑性成形是一個非常復雜的非線性過程，長期以來，工程上都是依賴定性的分析和經驗數據初步制定工藝方案，經過后期的反復調試和修改來確定模具。其最大的弊端就是模具開發周期長，有時甚至發生模具在調試階段即告報廢的情況，不能適應現代工業生產的要求[1]。板料成形CAE分析技術是解決這一難題的有效手段，已經成為塑性加工領域的一個研究熱點，并在實際生產中得到了廣泛的應用[2～7]。AutoForm是一款由瑞士開發的專業薄板成形快速模擬軟件，基于實踐、工業技術的技巧和板料成形專家的經驗，能準確地預測材料的流動、厚度的變化、板料的回彈、起皺、破裂等。可以在產品設計階段對設計師提出產品沖壓可行性分析；在模具設計階段對設計師的設計方案進行模擬和驗證；還可以在修模過程中提供直觀形象的指導[6]。

汽車覆蓋件較之一般的沖壓件，又具有材料薄、形狀復雜、結構尺寸較大、表面質量要求高、曲面多為空間曲面、配合協調性高等特點。工藝很復雜，其模具的制造周期直接影響汽車的制造成本以及新產品的開發周期[7]。以Autoform軟件為例，介紹了CAE技術在某轎車前減振器架前板模具開發中的應用，大大縮短了模具的開發周期，降低了制模成本，提高了模具質量。

1 沖壓成形的工藝設計

板料沖壓成形是一個具有幾何非線性、材料非線性、邊界條件非線性等多重非線性的非常復雜的力學過程。由于影響成形過程的因素很多，因此人們不能精確控制材料的流動。成形過程中會產生各種各樣的缺陷，影響零件的幾何精度、表面質量和力學性能。總的來說，覆蓋件成形的主要缺陷有起皺、破裂和回彈。

在薄板沖壓成形過程中，當切向壓應力達到或超過板料的臨界應力時，就可能發生起皺。由于起皺經常發生在汽車的覆蓋件上，形成波紋或折疊，極大地影響了表面質量，因此近年來對起皺的研究越來越多。破裂是由于材料的強度或塑性不足，當拉應力超過臨界值時便會發生。破裂發生的位置主要在凸模端部、側壁、凸模圓角部位、法蘭部分和拉伸筋部分。回彈是板料成形后不可避免的現象，回彈現象主要表現為整體卸載回彈、切邊回彈和局部卸載回彈，當回彈量超過允許容差后，就成為成形缺陷，影響零件的幾何精度。因此，回彈一直是影響、制約模具和產品質量的重要因素[8]。

圖1 轎車前減振器架前板的左、右件

圖1為某轎車前減振器架前板的左、右件，材料為DC04（相當于ST14），厚度為1.5mm。零件空間形狀復雜，多孔分布在不同的幾個型面和方向，但左、右兩件總體形狀差異不大，基本對稱，因此成形條件接近。初定其工藝方案為：1）落料，2）合件拉深，3）修邊、沖孔、翻邊，4）分離、整形、翻邊，5）沖孔、側面沖孔，共五道工序。

圖2 初步形成的拉深件

其中第二步合件拉深為主成形工序，為使形狀適于拉深成形，避免沖壓成形缺陷的發生，需對沖壓件局部形狀進行修補飽滿、圓滑以及增加工藝面，初步形成拉深件數模如圖2所示。從圖中可以看出，由于材料補充受限，零件A區的成形較微妙，或有局部開裂、起皺的可能，受坯料形狀和拉延筋的影響較大；B區為面積較大的平緩凹面，有失穩起皺的可能。為了能對成形有較準確的預測，以便減少模具調試時的修改量，縮短模具制造周期，甚至有可能用方料拉深，減少一道工序（落料），采用了CAE軟件AUTOFORM進行拉深模擬。

2 CAE分析及優化

在預防成形缺陷的研究中，通常采用實驗和理論研究相結合的方法。但是對于復雜的板料成形過程，特別是汽車覆蓋件沖壓成形過程而言，以上方法存在明顯的局限性。近年來計算機和有限元數值模擬技術的不斷發展完善，為分析板料成形過程的成形缺陷問題提供了一種嶄新有效的方法。采用板料成形數值模擬技術可用于解決板料沖壓成形工藝和模具設計中的問題，具體包括：起皺和破裂的預測，確定壓邊力，確定成形力，估算坯料尺寸和回彈分析等[1]。

應用數值模擬技術對板料成形過程進行有限元分析的一般過程如圖3所示：

圖3 有限元分析過程

以Autoform軟件為例，介紹了CAE技術在某轎車前減振器架前板模具開發中的應用，大大縮短了模具的開發周期，降低了制模成本，提高了模具質量。用AUTOFORM軟件進行拉深模擬的邊界條件如表1所示，采用方料及兩種尺寸的拉延筋，尺寸如圖4所示。

表1 模擬條件

圖5為所示為板料成形過程的仿真結果。可見坯料尺寸滿足要求，主要缺陷是1、2、3處嚴重變薄，C區輕度起皺。C區起皺是由于該區域為較大平緩凹面，成形初期周邊拉應力不均勻，材料在懸空狀態下失穩而引起。為避免這種情況，可將其周邊圓角4適當加大，并適當增大壓邊力，使該區材料向周邊流動加強，提高硬化效果和材料剛性，同時亦可減緩2處的過度變薄。由于A區材料增厚和B區材料變薄的區域差異非常明顯（色差分明），可見A區材料向B區流動困難，增大壓邊力變薄會更嚴重，僅僅增大1、2處圓角半徑恐難消除缺陷，所以需去除A區部分材料，改變坯料形狀。至于3區角部變薄，增大圓角半徑即可。所有形狀修改處，由后續的整形工序達到設計要求。

圖4 方料及拉延筋尺寸圖

圖5 板料成形過程的仿真結果

圖6 坯料尺寸圖

圖7 調整壓邊力后的模擬結果

在不改變坯料形狀、拉延筋的條件下，按上述分析將局部圓角半徑加大1mm，再次進行模擬，C區起皺基本消除，3處缺陷消除，1、2處變薄率分別降至23%和29%。由于拉延筋的位置基本無可改變，更多的是改變其尺寸，所以決定先改變坯料形狀，去除A區部分材料。經兩次模擬，采用圖6所示坯料，壓邊力調整為70噸，模擬的結果如圖7所示，所有缺陷均消除。

根據最后模擬的拉深數模制造模具后，通過歷時兩周的三輪調試、修改即告合格，坯料形狀稍有更改，壓邊力為84噸。若按傳統常規方法開發，此類復雜拉深模調試一般需5-6輪。通過采用CAE技術，大大縮短了模具的開發周期，降低了成本。

3 結論

CAE在沖壓模具開發中的應用是對模具設計方案進行評估優化的過程，應用CAE技術，可以避免和減少傳統模具設計方法產生的浪費、失誤甚至報廢，有效地提高模具開發的效率，降低開發成本，提高模具質量。同時，利用CAE軟件虛擬模具調試還需要沖壓工藝知識和經驗的配合，在模具設計師提供的方案下進行模擬，逐步靠近合理狀態，方能高效地進行。

[1]陳文亮.板料成形CAE分析教程[M].北京：機械工業出版社,2005.

[2]成虹,江秉華.基于CAE的某加強件沖壓成形工藝分析與方案的確定[J].機械設計與制造,2007,(10)：130-132.

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[4]李再參,郭云龍,王家昆.板料沖壓CAE在汽車覆蓋件拉延模設計中的應用[J].C A D/C A M與制造業信息化,2005,(9)：36-37.

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[6]王芳.AUTOFORM4.1在汽車覆蓋件拉伸模設計中的應用[J].模具制造,2009,9(12)：12-15.

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[8]馮蘭,蔡英文,何丹農,等.金屬板料成形數值模擬的研究現狀[J].塑性工程學報,2004,11(6)：1-6.