大型汽車前圍板拉深工藝有限元模擬及模具設(shè)計(jì)

李 兵，王 敏，張 春，肖海峰

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

大型汽車前圍板拉深工藝有限元模擬及模具設(shè)計(jì)

李 兵，王 敏，張 春，肖海峰

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

針對(duì)大型汽車覆蓋件形狀復(fù)雜、成形過程變形復(fù)雜的特點(diǎn)，通過有限元分析和理論分析對(duì)某大型汽車前圍板拉深工藝進(jìn)行研究，提出通過優(yōu)化工藝參數(shù)和修改模型型面，最終得到合理的工藝參數(shù)和模型型面，指導(dǎo)并完成模具設(shè)計(jì)。

拉深成形；前圍板；有限元分析；模型型面；模具設(shè)計(jì)；汽車

汽車覆蓋件大部分為復(fù)雜三維空間型面，沖壓質(zhì)量要求高，沖壓過程變形復(fù)雜，影響成形質(zhì)量的工藝因素眾多，這就決定了汽車覆蓋件沖壓工藝和模具設(shè)計(jì)的復(fù)雜性[1-3]。本文以某大型汽車前圍板拉深工藝為研究對(duì)象，通過對(duì)其拉深成形工藝的有限元分析和理論分析、計(jì)算，優(yōu)化工藝參數(shù)、修改模型型面，避免缺陷的產(chǎn)生，得到合理的工藝參數(shù)和模型型面，指導(dǎo)并完成模具設(shè)計(jì)[3-5]。

1 零件工藝分析

汽車前圍板材料為DC06，材料沖壓性能較好，屬超低碳超深拉深級(jí)材料。零件的長、寬、高尺寸為1440mm×490mm×150mm，材料厚度1mm，如圖1所示。該零件尺寸較大，形狀較為復(fù)雜，基本上左右對(duì)稱，型面過渡不平緩，較激烈，必須用拉深工序才能得到該零件形狀。

圖1 零件圖

如圖2所示拉深件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了模面、工藝補(bǔ)充面、拉深筋、壓料面等。

圖2 拉深件

2 有限元模擬

2.1 有限元分析

利用CAE分析軟件對(duì)零件成形工藝進(jìn)行分析，首先建立有限元模型，即生成凸模、凹模、壓邊圈、毛坯，設(shè)置相關(guān)工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)有限元模擬[3-5]。著重研究壓邊力、摩擦系數(shù)對(duì)零件成形的影響。通過工藝計(jì)算設(shè)置工藝參數(shù)，設(shè)置摩擦系數(shù)為0.1，凹模圓角半徑為10mm。如圖3所示為壓邊力500kN、800kN、1000kN的成形極限圖。如圖 4所示為壓邊力800kN、凹模圓角10mm、摩擦系數(shù)分別為0、0.2的成形極限圖。

從圖中看出，在其他參數(shù)不變的情況下，壓邊力為1000kN成形效果較好，但均存在模型型面突變過大處，出現(xiàn)開裂、起皺缺陷；隨著摩擦力的增大開裂情況越嚴(yán)重，存在工件開裂現(xiàn)象；在繼續(xù)加大凹模圓角的情況下，成形結(jié)果還是開裂。通過對(duì)工藝數(shù)模的分析，開裂處最小圓角半徑為2.4mm，，并且型面過渡不平緩，一次拉深成形容易產(chǎn)生破裂缺陷，需要修改模型型面，在后續(xù)工序經(jīng)過整形進(jìn)一步達(dá)到尺寸和結(jié)構(gòu)要求。

2.2 優(yōu)化工藝參數(shù)和型面

使用CAD軟件對(duì)開裂處型面進(jìn)行修改，如圖5所示，主要是增大開裂處的圓角半徑，降低型面高度。修改之后的型面如圖6所示。

圖3 不同壓邊力下成形極限圖

圖4 不同摩擦系數(shù)下成形極限圖

圖5 型面修改處

圖6 修改后的型面

對(duì)修改型面后的模型進(jìn)行CAE分析，發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象明顯改善，達(dá)到成形要求，如圖7所示。并經(jīng)過多參數(shù)組合模擬分析，在優(yōu)化工藝參數(shù)后得到合理的工藝參數(shù)：摩擦系數(shù)0.1，凹模圓角半徑10mm，壓邊力100kN。本研究結(jié)果可有效指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)。

3 大型汽車前圍板模具設(shè)計(jì)

根據(jù)修改后的型面和優(yōu)化的工藝參數(shù)指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)，通過工藝計(jì)算以及對(duì)前圍板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，設(shè)計(jì)出汽車前圍板拉深模結(jié)構(gòu)。依據(jù)修改后的型面進(jìn)行分模，分別設(shè)計(jì)出拉深凸模、拉深凹模、壓邊圈三大模具工作部件。

前圍板拉深板屬于單動(dòng)拉深模結(jié)構(gòu)，上模座和凹模為一個(gè)整體，并布置在上模，凹模整體尺寸參考?jí)哼吶Φ某叽纾L、寬方向和下模一致。高度要滿足整個(gè)模具閉合高度的要求。設(shè)置合理的壓板槽位置。在上模設(shè)計(jì)排氣裝置，上模座設(shè)計(jì)減重孔，端頭部分設(shè)計(jì)導(dǎo)向裝置導(dǎo)板，并在相應(yīng)部位設(shè)計(jì)調(diào)整塊、加強(qiáng)筋、壓板槽、起吊結(jié)構(gòu)等，如圖8所示為凹模整體結(jié)構(gòu)。

下模座和凸模在下，分別制造、裝配在一起，下模部分設(shè)計(jì)減重孔，端頭部分設(shè)計(jì)導(dǎo)向裝置導(dǎo)板，凸模上設(shè)計(jì)有導(dǎo)板，并在相應(yīng)部位設(shè)計(jì)限位螺栓、鐓實(shí)塊、快速定位、加強(qiáng)筋、壓板槽、起吊結(jié)構(gòu)等，如圖9所示。

圖7 優(yōu)化參數(shù)后的成形極限圖

圖8 拉深模上模裝配圖

圖9 拉深模上模裝配圖

壓邊圈在下模座之上，在整個(gè)模具中部，設(shè)計(jì)有導(dǎo)向裝置導(dǎo)板，設(shè)計(jì)有定位板、調(diào)整塊、鐓實(shí)塊、頂桿接桿等。壓邊圈的壓料力由機(jī)床提供，機(jī)床通過頂桿施加于壓邊圈。壓邊圈運(yùn)動(dòng)時(shí)通過導(dǎo)板導(dǎo)向，導(dǎo)板一般裝在凸模上，在壓邊圈的有關(guān)部位設(shè)計(jì)導(dǎo)滑面。壓邊圈向上運(yùn)動(dòng)時(shí)必須有行程限制，一般設(shè)計(jì)為等高套和限位螺釘。壓邊圈上還設(shè)置了給坯料定位的定位器以及調(diào)整墊塊和鐓實(shí)墊塊，如圖10所示。將單動(dòng)拉深模的三大部分裝配在一起，加上其他輔助裝置，形成模具的整體結(jié)構(gòu)，如圖11所示。

圖10 拉深模壓邊圈

圖11 總裝配圖

4 結(jié)論

（1）利用有限元分析和理論分析方法對(duì)某大型汽車前圍板成形工藝進(jìn)行研究，預(yù)測產(chǎn)生的開裂、起皺等缺陷，分析產(chǎn)生缺陷的原因，優(yōu)化了工藝參數(shù)和模型型面。此方法有利于提高工藝設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性。

（2）利用優(yōu)化的工藝參數(shù)和模具型面，并根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，有效指導(dǎo)了模具設(shè)計(jì)，使模具設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性得到提高。本研究應(yīng)用于模具設(shè)計(jì)，實(shí)踐證明模具設(shè)計(jì)效率高、準(zhǔn)確性高、實(shí)用有效。

[1]胡 平.汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì) [M]． 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011．

[2]林忠欽．車身覆蓋件沖壓成形仿真[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]劉細(xì)芬，胡義華，黃華艷.數(shù)值模擬技術(shù)在汽車覆蓋件拉延模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].熱加工工藝，2011，40（13）：178-184.

[4]馬國英，黃彬兵，蘇春建，等.汽車翼子板拉深成形模擬及工藝參數(shù)優(yōu)化[J].鍛壓技術(shù)，2015，40（3）：21-24.

[5]陳文琳，李志杰，王少陽.汽車前圍板沖壓數(shù)值模擬及工藝參數(shù)優(yōu)化[J].精密成形工程，2011，3（3）：15-19.

FEM simulationand die design of drawing technology for large automobile front panel

LI Bing,WANG Min,ZHANG Chun,XIAO Haifeng
（School of Materials Science and Engineering,Hubei University of Automotive Industry,Shiyan 442002,Hubei China）

Aiming at the complex shape and deformation of large automobile panel during drawing process, the finite element analysis and theoretical analysis have been adopted to study the drawing process of some large automobile front panel.The reasonable process parameters and model surface have been obtained by optimizing the process and modifying the model surface.The die design has been guided and completed.

Front panel;Drawing forming;Finite element analysis;Model surface;Die design

TG386

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.06.022

1672-0121（2016）06-0087-03

2016-09-12；

2016-10-29

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51205116）；湖北省教育廳科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目（Q2015183）；湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目（T201518）

李 兵（1981-），男，碩士，講師，從事先進(jìn)塑性成形工藝、計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真研究。E-mail：libing42158823@163.com