車身覆蓋件拉延模面優化與成形仿真

陳學健，黃昭明

（1.阜陽職業技術學院 工程科技學院，安徽 阜陽 236031；2.河海大學 文天學院，安徽 馬鞍山243031）

基于沖壓計算機仿真驅動的拉延模面設計是當今國際汽車模具行業發展和競爭的技術核心之一，它決定了沖壓件的成形性、表面質量和尺寸精度.由于拉延件成形過程的復雜性，設計人員很難預料其設計是否成功.因此，他們希望能在模面設計階段作定量分析，使問題在模具加工前得到解決［1］.

覆蓋件拉延模面設計主要是指工藝補充面和壓料面的三維設計.這類設計從原理上涉及復雜的計算數學和力學問題以及沖壓成形的工藝理論［2-3］.針對目前覆蓋件拉延模面設計的模面設計效率低、精度差及成功率低等缺點［4-5］，應用提出的覆蓋件拉延模面優化方法對某車身覆蓋件進行仿真，通過優化后制件的極值厚度的變化來反饋優化方法的有效性.

1 拉延模面設計流程概述

拉延模面的作用是控制坯料在凸、凹模之間的流動，使毛坯產生塑性變形，完成成形過程.首先在零件準備階段確定沖壓中心和沖壓方向；然后分析需要翻邊和整形的特征區域，從而添加Form設計階段對翻邊、整形的特征進行翻邊、整形刀的編輯，最后才能進行拉延模面的設計.模面設計流程如圖 1所示［6］.

圖1 拉延模面設計流程

2 拉延模面初步設計

圖2為某車身覆蓋件產品左、右件，形狀特征較復雜，采用拉延成形時，沿制件長度方向兩端的板料流動和不均勻變形會造成較大的制件減薄程度差異采用成形極限圖約束，兩端特征變形區域1、2處板料的厚度為評價指標，分析拉延模面主要因素對成形質量的影響，應用模面優化方法對模面進行優化，并在有限元分析軟件中進行拉延過程模擬驗證.

圖2 某車身覆蓋件CATIA三維數模

覆蓋件的材料為寶鋼深沖冷軋鋼板DC04，厚度為1.20 mm.該制件為左、右對稱件且拉延深度較小，可以采用左、右件合并、一模雙件的形式進行拉延模面設計.依據Auto-Form模面設計流程，應用CAE軟件全程驅動設計方法，通過模面設計準備、零件準備、壓料面設計、工藝補充面設計等幾個關鍵過程，可獲取優化前的拉延模面.

3 拉延仿真分析

3.1 料片展開與排樣

在AutoForm中進行最小料片展開有三種方法［7］，分別為基于一步法快速成形模擬分析計算進行展開、利用料片生成器求解最小料片輪廓以及利用切邊線優化模塊優化料片輪廓.其中第二種方法實質也是基于一步法求解，該方法求解精度比較低.第三種方法是基于精確的全工序模擬的增量模擬方法，該方法求解精度比較高，一般用于帶有復雜幾何形狀的制件.

求解最小料片輪廓可以為拉延工序提供試算料片輪廓［8］.圖3是計算結果顯示展開的料片形狀為最小料片，圖中包含的相關曲線有排樣輪廓、料片輪廓、成形料片、凹模入口線和滑移線.計算排樣的方式有三種，即自動、半自動和手工.可以設定料片間的搭邊值以及開卷的搭邊值.圖4為展開料片的排樣結果，其中料寬A為986.00 mm、步距B為363.11 mm、軋制方向向右等.輸出參數包括料片的材料利用率為84.91%、面積為 0.304 0×106mm2、質量為 2.845×103g，卷料的面積為 0.358 0×106mm2、重量為 3.351×103g.

圖3 展開的相關曲線

圖4 料片排樣結果

3.2 拉延模擬與分析

拉延模擬類型為單動拉延、增量法模擬類型、料片厚度為1.2 mm以及凹模參考側.完成模擬類型設置后進行模具運動過程設置，先關聯一步法展開的排樣輪廓作為料片，料片形狀為矩形，尺寸為363.11 mm×986.00 mm；再由材料庫導入零件材料DC04.通過AutoForm軟件建立的拉延工序的有限元模型如圖5所示.

圖5 拉延工序的有限元模型

圖6 模面優化前的數值模擬結果與厚度分析圖

單動拉延工具的運動過程包含重力、閉合、拉延3個工步，初始狀態下凹模、壓邊圈與凸模之間持續經過500個單位時間，壓邊力3 Mpa，模面優化前的數值模擬結果與厚度分析圖如圖6所示.圖中模擬結果顯示零件區域大部分均成形不足、局部起皺.零件區域的厚度最大為1.436 mm、最小為0.617 mm.依據材料的減薄量應控制在4%～20%之間或控制材料的最小厚度在0.4 t以上（其中t為板料厚度）［9］，判定其成形精度不符合設計要求，需要進行拉延模面優化或拉延過程優化.

4 拉延模面優化及仿真

為了研究拉延模面優化對制件成形質量的改善效果，應用凸筋高度線、補充面角度、截面線方向以及工藝補充面細節優化方法對模面進行優化，以此考察拉延制件成形質量的優化效果.

4.1 拉延模面優化

凸筋高度線的優化：將優化前的自定義截面線更改為補充面最大凸筋模板，優化凸模分模線寬度及截面線形狀，優化后生成的工藝補充截面線如圖7所示.

補充面角度優化：通過更改優化補充面角度可以減小該處開裂風險.把凸模圓角從10°改為15°，拔模角從7°改為12°，凹模圓角從6°改為8°，新生成工藝補充面，圓角優化前后截面線對比如圖8所示.

截面線方向優化：如果零件邊界有相關特征需要在工藝補充面上有相對合理的延伸時，可以優化截面線的方向，但截面線不能交叉，否則工藝補充面會發生重疊，分模線也會出現重疊，此時進行分模線光順不起任何作用.

工藝補充面細節光順優化：通過優化分模線、筋高度等方法也無法進一步改善時，可以通過細節光順功能進行優化.應用該功能添加一個細節特征，通過在工藝補充面上輸入需要優化區域的邊界線，對該部分工藝補充面進行光順優化.左端四次優化前后的拉延模面如圖9所示.

圖7 光順后的工藝補充面截面線

圖8 圓角優化前后的截面線

圖9 左端四次優化前后的拉延模面

4.2 優化模面結果與仿真分析

優化后，再次進行拉延模擬計算，其數值模擬結果與厚度分析如圖10所示.優化后的拉延制件無成形性問題，拉延件的最大厚度為1.291 mm、最小厚度為0.931 mm，且最大厚度點在零件區域外，對比優化前拉延件成形質量有明顯改善.

圖10 模面優化后的數值模擬結果與厚度分析圖

5 結語

（1）對初步設計的拉延模面進行拉延模擬與分析，顯示零件區域大部分成形不足、局部起皺.零件區域的厚度最大為1.436 mm、最小為0.617 mm.

（2）對模面凸筋高度線、補充面角度、截面線方向以及工藝補充面細節逐步進行優化，獲得的拉延模面無成形性問題，優化后制件的最大厚度為1.291 mm、最小厚度為0.931 mm，且最大厚度點在零件區域外.

（3）所應用的模面優化方法可以改善拉延制件的成形質量，提高拉延模設計成功率，縮短拉延模具的開發周期.