基于AutoForm的頂蓋沖壓成形仿真分析

向小漢

(柳州職業技術學院機電工程系，廣西柳州 545006)

頂蓋是重要的大型汽車外覆蓋件，在沖壓過程中 會出現一些質量缺陷，特別是頂蓋后部要經過多次成形，容易產生起皺、開裂等問題。以往多依賴工作者生產經驗，多次調試模具來解決。這里采用AutoForm軟件對頂蓋進行全工序模擬，對重點部位的成形情況進行分析，為頂蓋成形工藝提供依據，經過優化處理，解決工件成形質量問題。

1 沖壓工藝分析

1.1 產品分析

頂蓋是重要的車身外觀件，它與擋風玻璃、立柱等連接。圖1為某兩廂車頂蓋零件圖，它的材料為DC04，料厚t為0.8 mm，其外形尺寸約為3 115 mm×1 430 mm×170 mm。圖1a為開了天窗的頂蓋三維模型圖，不開天窗的頂蓋要與之共模生產，這里不另附圖說明。非天窗的頂蓋沖壓工藝與之相似，只需分別在修邊沖孔、翻邊工序使用氣動快換裝置，實現沖孔凸?；蚍呁鼓Ｔ谪Q直方向上的狀態切換，即可實現兩種相似件的共模生產。

頂蓋的外形不算復雜，拉延深度淺，大部分變形、應力比較均勻，成形表面的應力數值遠小于抗拉強度極限。如果剛性不足，行駛時會產生躁動現象而增加車內噪聲。工藝設計時要考慮，如何使頂蓋在成形時材料能得到充分延展，中部材料變薄率力爭達到4%左右，并具有良好的強度、剛度和表面質量。

1.2 成形難點分析

大型汽車覆蓋件都是成線沖壓生產，本零件分4道沖壓工序完成，各工序的沖壓方向與整車三維數據中絕對坐標系的Z軸一致。其成形難點在于頂蓋前部、后部及拐角處。見圖1b和圖1c的圓圈處，該拐角部分型面復雜，圓角小，過渡急劇，成形時變薄率大，容易開裂。采取的措施是工藝補充時此區域要抬高2～3 mm。

圖1b為頂蓋前部三維模型圖，前部形狀沒有負角，但該處側壁高度接近20 mm，側壁與沖壓方向夾角約為4°，上部圓角為R3 mm，如果此形狀直接在第一工序拉延出來，容易產生裂紋。采取的措施是在工藝設計時稍微放大上部圓角，做出過拉延(OverDraw)處理，在修邊后再整形。

頂蓋后部是沖壓成形分析的重點區域。圖1c圖是頂蓋后部三維模型圖，圖1d是頂蓋后部斷面。如圖1d所示，該處右上部存在負角區域，無法直接拉延得到形狀，L為8 mm左右，夾角θ約為55°。此處應在拉延之后再安排側整形(CAM RST)工序，得到負角部分，此段拉延工藝補充部分在產品上側。圖1c中E處是重要的安裝面，此處在拉延之后進行側整形時容易產生起皺、回彈等缺陷，需要結合板件成形有限元分析情況，通過工藝補充和模具結構的調整、優化來解決。圖1c中F處(即頂蓋后部邊緣)有V字形的上翹形狀，必須在側整形工序之后進行向下整形才能得到。因此從頂蓋后部看，需要四道沖壓工序，第一工序(即OP10)拉延，第二工序(即OP20)側整形，第三工序(即OP30)修邊，第四工序(即OP40)整形。以下成形分析把頂蓋后部成形狀況作為重點。

2 拉延件設計

拉延工序是汽車覆蓋件最重要的成形工序，工件的形狀全部或大部分在此工序壓出，它直接影響產品品質。拉延件設計是覆蓋件工藝設計中關鍵的一步。拉延件工藝面設計的過程如下:對主機廠提供的三維數據進行分析→確定沖壓方向→對原始數據進行處理(如填充內孔、確定翻邊線和修邊面)→設計壓料面→設計工藝補充部分→設計拉延筋→確定拉延試模板料尺寸等。圖2所示為頂蓋拉延工藝面。

拉延工序的沖壓方向確定時主要要考慮:該工序的工作內容不能有負角，且工件定位可靠;拉延工序各處拉延深度盡量小，各處拉延深度不能相差不大，保證坯料進入工作零件時接觸面應盡量大。所有頂蓋的沖壓方向都與車體坐標的Z軸一致。

表1 DC04的材料性能參數

拉延壓料面有兩種情況，一種是由工件本身的法蘭面組成，一種是由工藝補充部分組成。拉延件的壓料面設計要注意:壓料面應盡量光滑平整。拉延深度太大，容易產生開裂且浪費材料，深度太小會導致剛性不足。另外，各處拉延深度不能相差太大。壓料面形狀應與零件形狀關聯，讓壓料面與凸模形狀之間保持一定的幾何關系，保證在拉深過程中毛坯處于張緊狀態，并能平穩地逐漸緊貼凸模。圖2c為工藝面前視圖，可以看出壓料面的形狀，主體為產品輪廓相似的大圓弧曲面，四角區域沿毛坯重力狀態低下去，保證進料均勻，使壓料面接觸材料的面積最大，毛坯在拉延過程中不產生波紋［1］。

3 拉延工序CAE分析

3.1 CATIA與AutoForm連接

汽車覆蓋件模具的典型設計分析流程是在完成覆蓋件產品設計后，模具設計人員憑經驗制定沖壓工藝和模具設計方案，而后運用CAE技術來進行沖壓成形的計算機仿真。根據仿真結果返回到CAD系統中修改設計方案，再開始下一輪的計算機仿真，直至仿真結果驗證了設計方案的可行性［2］。

目前國內汽車覆蓋件三維設計主要使用CATIA或UG軟件，國內常用的板料成形分析軟件PAMSTAMP、AutoForm、DynaForm。本例采用 CATIA 進行工藝面設計，用AutoForm軟件進行CAE分析，當分析計算發現工藝面存在缺陷時，就要返回CATIA中進行修改，并再次提交分析計算，實際上要多次在CATIA與AutoForm之間進行數據傳遞。以往的方法把CATIA文件存為IGS格式的文件，再以IGS格式導入到AutoForm中進行計算，數據轉換消耗了不少時間。

在CATIA中直接集成Autoform插件，免去了IGS中間格式的生成，可以提高設計效率。在CATIA中新增環境變量，把AutoFrom安裝目錄下AFCAD完整路徑加上，結果在CATIA中會看到AutoForm模塊，使兩個程序連接在一起，實現兩個程序之間坐標系、曲面、曲線的直接傳遞，提高了兩者工藝數據的一致性。

3.2 前處理

將頂蓋拉延模型導入AutoForm后，幾何體生成器(Geometry Generator)打開，幾何模型就會被讀入到有限元分析系統中進行網格劃分，建立零件的有限元網格模型，并對拉延凸模、凹模、壓邊圈進行定義。

接著進入工序生成器(Process Generator)，選用增量計算法(Incremental)，采用單動拉延工藝，輸入材料厚度0.8 mm，接著定義好板料(Blank)、工具(Tools)、拉延筋(Drwbds)、摩擦系數(Lube)。在板料這一項用到寶鋼材料DC04，形狀為矩形，大小可以在分析后進行優化，讓材料利用率最大化［3］，板料定位于壓邊圈上。材料性能參數如表1，參考寶鋼提供的材料參數，輸入AutoForm軟件后可自動生成應力應變曲線、屈服準則、FLC等，用在后面板料成形模擬中。在工具這一項定義好凸模、凹模和壓邊圈。摩擦系數依照經驗設為0.17。

在工序生成器下增加拉延筋，包括拉延筋輪廓和強度。拉延筋在汽車覆蓋件的沖壓成形中占有重要的地位，它對改變板料變形阻力、調整進料速度、防止起皺具有明顯的效果。在數值模擬過程中，如果采用真實拉延筋，則必須在模擬前建立復雜的拉延筋，不僅降低了計算效率，而且帶來數值分析上的困難。目前AutoForm計算采用等效拉延筋，即將拉延筋復雜的幾何形狀抽象為一條能承受一定力的附著在模具表面的拉延筋線，在表示拉延筋的線上施加阻力來代替實際拉延筋［4］。圖2a列出了拉延筋的位置。圖3為等效拉延筋，考慮到各處進料速度的差異，本例采用可變的等效拉延筋，拉延筋的阻力呈線性變化的，共設置24個點，從P1到P24，每點的拉延筋參數由設計指定。圖3b為點P16處拉延筋參數。從圖3a可以看出，頂蓋左右側阻力系數大，四角處拉延筋阻力系數最小。

然后進入工步(Process)設計，拉延過程共分3個工步，分別是重力(Gravity)、閉合(Closing)和拉延(Drawing)，在拉延狀態下壓邊力為3 400 kN，凹模速度為1 m/s，行程為100 mm。圖4為起始狀態下的拉延有限元模型。

3.3 模擬分析結果

完成各項設置后提交運算，得到分析結果。對仿真分析結果進行分析，發現在板件中間變薄率達不到要求，圖1所示圓圈處有開裂，頂蓋后部局部有波紋。調整方案有以下幾點:

(1)回到CATIA修改工藝面，包括圓角半徑、側壁角度。

(2)在AutoForm軟件中主要通過調整板料線、拉延筋、壓邊力來優化工藝方案。

(3)在實際生產中，除了以上調整方法外，重點對模具工作部分進行研磨，保證模具表面粗糙度和工作間隙要求，調整拉延模平衡塊處上下模間隙，來控制成形時的進料速度。

圖5為拉延到底前板件各成形狀態。圖6為所示經過多次優化、反復計算得到的分析結果。圖6a為成形極限圖，橫坐標為次應變(Minor strain)，縱坐標為主應變(Major strain)。圖6b為到底拉延件狀態，表面未見拉裂現象，板料成形充分，流入均勻，頂蓋后部起皺現象明顯改善，表面基本上為綠色，表示成形結果是安全的。圖6c為材料變薄率情況，頂蓋中部材料變薄率超過3%，大部分超過4%，材料變形較充分，達到了預期目標。

4 后工序分析

Autoform不限于拉延工序模擬分析上，它可進行全工序模擬。對頂蓋來說，拉延之后的各工序的成形質量缺陷多發生在頂蓋后部。本例后工序分析的重點在于分析頂蓋后部的成形狀況。針對頂蓋后部，在拉延工序之后依次增加側整形工序、回彈工序和翻邊工序，對頂蓋后部拉延之后的成形質量(包括回彈)進行分析，確有必要。在AutoForm中的工序與實際沖壓工序略有區別，它可以把回彈作為一個單獨工序，把切邊作為工序中的一個工步。

4.1 側整形工序

這里側整形工序用到的工具有側整形凸模、側整形凹模、壓料板和側壓料板。圖7為側整形工序有限元模型。把側整形工序分為閉合(Closing)、成形(Forming)和切邊(Cutting)3個工步。在閉合工步，側整形凹模不動，壓料板以V=1 m/s的速度向下運動，側壓料板以同樣的速度傾斜向下運動，時間為500 s。在成形工步，側整形凹模不動，側整形凸模以V=1 m/s的速度傾斜向下運動，壓料板施加1 300 kN的壓料力，側壓料板施加850 kN的壓料力，在模具結構設計中使用氮氣彈簧壓料，必須保證頂蓋這一外板件壓料力足夠，給定時間為500 s。在切邊工步，定義為Tool cut(2D)類型，側整形后完成頂蓋后部切邊，只需指定頂蓋后部切邊、沖孔輪廓線，不需給出時間。

4.2 回彈工序

回彈工序在側整形工序之后，目的是分析頂蓋后部側整形后的回彈值。這一工序的設定比較簡單，只需指定參考幾何體，參考幾何體是不動的，回彈形式為自由式(Free)，不添加約束?？梢詮姆治鼋Y果測到每個點各個方向上的回彈量，結果接近真實情況，并把它作為對工藝面進行回彈補償修正的參考依據。

4.3 整形工序

這里整形工序的內容是把頂蓋后部邊緣處的V字形以向下整形的方式得到，用到的工具有整形凸模、整形凹模、壓料板。圖8為側整形工序有限元模型。把整形工序分為閉合(Closing)、成形(Forming)兩個工步。在閉合工步，整形凸模不動，壓料板以V=1 m/s的速度向下運動，時間為500 s。在成形工步，整形凸模不動，整形凹模以V=1 m/s的速度向下運動，施力于壓料板，壓強為3 MPa，時間為500 s。

4.4 分析結果

在AutoForm全工序模擬計算中，它是按照工序依次進行的。在本例中，拉延、側整形、回彈、整形等工序的分析結果按時間節點得到，表現形式多樣。圖6已列出了拉延分析結果，圖9為頂蓋后部側整形工序分析結果，圖10為頂蓋后部整形工序分析結果。

圖9a為成形性能圖，在M處有開裂的傾向，可以通過生產現場調試解決，在N處有微趨，但此處是廢料區，不影響產品質量。圖9b所示為材料變薄率，此區域變薄率不超過25%，為伸長變形，在壓料力足夠的情況下沒有發生起皺現象，在拉延工藝面上設計的凸筋起到了吸料和存料的作用。從分析結果來看側整形工序是安全的。

圖10a為成形性能圖，其結果與側整形相似。圖10b所示為材料變薄率，材料變薄率在0～25%范圍內，從分析結果看整形工序也是安全的。

5 試模情況

根據以上分析結果，并按優化后的工藝參數設計出模具結構。圖10、圖11和圖12分別是頂蓋拉延工序、側整形工序及整形工序模具結構簡圖。模具結構設計時要參照仿真優化得到的工藝參數，如拉延模板料毛坯尺寸、拉延筋大小、拉延模壓邊力大小、后工序壓料力大小、回彈量等。采用數值模擬技術可以方便設計人員在試模前發現問題，對工藝參數進行調整或預留方案，可以大大減少鉗工工作量。

將CATIA與AutoForm連接起來，對頂蓋成形過程進行全工序分析模擬，將分析結果用在模具設計與制造中。除了CAE分析回彈情況比實際小，其余分析結果與實際一致，如拉延工序實際下料尺寸與CAE分析的板料尺寸相同，試模用主機壓力和壓邊力大小與分析情況很接近，以下就重點部位的CAE分析情況與生產情況進行了對比:

(1)拉延工序第一次分析，圖1c圓圈處(即頂蓋后部拐角處)發生開裂，修改工藝面，放大轉角圓角后，再次分析沒有開裂，這一點在試模生產中也得了驗證。

(2)拉延工序第一次分析，圖1c中的D處有起皺趨勢，因為該處形狀平坦，材料流動不大，需在拐角處加大進料阻力，修改拉延工藝面，增加了如圖2b所示的工藝凸包，再次分析后，該處材料變薄率提高，在試模生產中該處沒有明顯起皺。

(3)在側整形工序的第一次分析中，圖1c中的D處有起皺，該處為重要的安裝面。分析得知，主因是該處拉延型面平坦，但產品形狀落差大，造成側整形時進料速度相差太大，為此修改拉延工藝面，如圖2b處加了兩條凸筋，為拉延后側整形時安裝凸臺“貯存”材料，防止側整形時局部起皺。按修改后的方案進行全序模擬，在側整形工序該處沒有明顯的起皺現象。經過多次成形，最終壓出的零件是合格的。

6 結語

生產實踐證明，模擬的結果與工藝參數是可靠的，頂蓋后部這一重點位置沒有起皺、裂紋，試模得到的制件形狀、尺寸精度和表面質量均能滿足技術要求。通過前期CAE模擬，縮短了模具開發周期，保證了沖壓件的品質，有效降低了模具成本。

［1］王峰，錢順峰.轎車頂蓋沖壓工藝［J］.模具制造，2012(2):36 －39.

［2］陳濤，李光耀，孫光永.覆蓋件沖壓仿真參數化建模方法［J］.中國機械工程，2008，19(10):2292 －2296.

［3］向小漢，湯耀年.汽車沖壓零件材料成本控制的應用與探索［J］.模具工業，2012，38(1):45 －49.

［4］趙迎祥，李飛舟.基于Autoform的轎車引擎蓋板沖壓成形仿真的研究［J］.機械設計與制造，2010(11):94－95.