CAE在縱梁模具開發中的應用

唐敏，許素強，李樂，陳軒

陜西通力專用汽車有限責任公司 陜西寶雞 722405

1 序言

汽車零部件外形結構及材料的不斷更新變化給汽車零部件加工、模具設計開發增加了不少難度，單純依靠制圖軟件和人工測繪設計的模具，由于在實際加工過程中受材料力學性能以及承載模具的設備壓力穩定性等諸多因素的影響，使得縱梁板料在沖壓成型過程中出現裂紋、回彈和角度超差等一系列難以修復的質量問題。

載貨汽車的外覆蓋零件有70%的部件應用沖壓成型工藝加工，然而在通過模具沖壓板料得到所需產品外形的過程中，材料的力學性能發生了很大變化，因此成型后的回彈成為沖壓過程中比較難控制的因素[1]。為了提高燃油的經濟性和載貨汽車的承載能力，汽車零部件的材質向著高屈服強度、輕質量的設計理念發展，但隨著零部件材料屈服強度和抗拉強度的提高，沖壓過程中材料的回彈也隨之增大，使得成型后沖壓回彈的問題更加難以控制。

車架縱梁是重型載貨汽車的核心受力部件，對整車其他零部件起到支撐與承載作用，其加工工藝流程如圖1所示。目前80%的汽車車架縱梁孔位采用數控沖孔，沖孔后通過壓型模具彎曲成型，由于先加工孔位后成型，所以對成型模具的結構要求就比較嚴格，如果模具結構存在問題，縱梁沖孔壓型后會產生一系列的質量問題（見表1）。常規補償回彈變形的方法是通過試加工修模，但是這種方法不僅成本較高，需要投入很多試制材料并收集大量數據，而且修模效果不理想。

圖1 縱梁加工工藝流程

表1 模具結構引起的質量問題

2 板料沖壓成型回彈分析

車架縱梁外形如圖2所示，為一種“Z”字形U形梁，材質為700L，料厚8mm，外形尺寸長7400mm、腹寬300mm，距離槽鋼前端2000mm，腹面沿縱向產生45mm的高度變化，要求公差為45±2mm，端部翹曲≤5mm。目前采用“平板沖孔→壓槽鋼→折彎”的工藝來完成該縱梁的加工。本文通過設計制作壓型模具，一次性完成該縱梁的成型和折彎。由于該產品材質為700L，屈服和抗拉強度較大，因此在模具的設計過程中需要對成型后的回彈進行充分研究。

圖2 車架縱梁示意

分析同類產品加工數據，對于腹面帶折彎縱梁而言，如果能控制縱梁折彎區域高度差的變形程度，就可以很好地控制折彎高度區域的回彈。為了保證板料在彈塑性變形過程中的成型回彈，使產生變形的板料區域有效處于塑性變形狀態，降低變形區域板料的彈性恢復性能，就必須使壓型件在模具壓力卸載后只能產生極小的彈性恢復，在壓型工件產生回彈后，壓型高度差及其他壓型尺寸仍符合設計及使用要求。針對此產品的外形結構及加工工藝要求，設計制作模具，達到沖孔后的縱梁一次成型、無需校正的效果。

以該縱梁為研究原型，對縱梁成型回彈部分和回彈產生原因進行分析。依據此產品的加工工藝和同類產品生產過程中所測量的數據，把控制回彈誤差作為最終目的，運用CAE數值模擬的過彎法進行回彈補償，再利用有限元模擬軟件Dynaform進行反復修正和驗算，計算出合理的壓型模具輪廓[2]。最終，設計出模具圖樣，制作符合加工要求的模具進行該產品的試加工，驗證了過彎法能有效控制腹面帶折彎縱梁的回彈。

3 模擬回彈補償操作過程

采用有限元軟件Dynaform，以同類產品加工過程中收集的回彈成型值作為基礎數據。在設計產品模具尺寸的初始階段，縮小縱梁產生高度變形區的彎曲半徑，增大塑性變形區的折彎角度，讓板料變形區域產生過量彎曲，變形區域板料在原塑性變形的基礎上產生更大變形量。當模具壓力卸載后，變形區域產生少量回彈，回彈后的縱梁幾何尺寸剛好能滿足設計要求。

多步逼近的回彈補償過程是利用Dynaform軟件求解回彈量，依據回彈變化量運用過彎法的原則不斷改變模具成型面，修正后再重新計算回彈量值，通過3～4步循環計算和模具型面完善，讓縱梁回彈誤差逐步減小，最后計算出的工件外形、尺寸漸漸與目標工件（即產品設計尺寸）一致[3]，其計算流程如圖3所示。

圖3 回彈補償模擬計算流程

具體過程：①根據圖2縱梁產品圖樣，利用Solidworks軟件設計原始成型模具輪廓，同時將模具模型保存為IGS格式，導入Dynaform軟件中，然后在軟件前處理界面下進行建模[4]。②以回彈模擬的預測值為依據，采用等弧長的原則在最初設計的縱梁模型基礎上，用Solidworks把縱梁側壁產生高度差的收縮段的凸、凹模圓角做一定的減小，將側壁拉伸區域的凸、凹模圓角做適當的放大。依據1/2回彈量原則依次修改模具CAD型面，即將經過模擬計算的工件和目標工件進行比較，若回彈角為2d，則修改凸模圓角的時候就反向修正1d，例如回彈量為4mm，就將模具型面反向修正2mm。③將修改好的模具模型導入Dynaform軟件中重新建模并開始運算，運算后將工件再一次與目標工件對比，若誤差超出允許范圍，就繼續修正模具型面，重復循環修正模具型面并進行模擬計算，直到最終計算出的工件形狀尺寸與目標工件的設計要求一致。此縱梁成型模CAD型面經過3次模擬計算修改后，其模擬計算結果與目標工件基本一致，滿足設計要求。

4 設計制作模具驗證

以計算機模擬設計得到的最終壓型模具外形輪廓結構為依據，制作CAD圖形并編制加工數控程序，傳輸至生產車間進行模具各零部件的生產及組裝，加工完成裝入6000t壓力機。縱梁壓型模如圖4所示，模具由凸模、凹模、鑲塊和拖料板4部分組成。模具裝入壓力設備后調機，將符合圖樣及工藝要求的沖孔板料放入模具試生產。此產品的外形結構要求高度的回彈誤差控制在2mm以內，端部的回彈翹曲誤差控制在5mm以內。第一次試壓型的10件縱梁工件產品如圖5所示，利用便攜式三坐標機對工件進行測量，模擬變形值和實際值對比見表2。

圖4 縱梁壓型模

圖5 縱梁工件

表2 數值對比

由表2可以看出，通過模擬補償修正設計出模具，加工出的產品的壓型高度差及其他壓型尺寸誤差均符合公差要求，壓型后的“Z”字形槽鋼各項數據均滿足使用性能，消除了由于材料應力及外形復雜壓型回彈引起的產品尺寸誤差大的弊端。設計制作的模具通過試生產，簡單調試即可投入到大批量的生產中。

5 結束語

利用CAE求解分析復雜模具生產過程中的回彈力變化，可提前識別板料成型過程中各種應力變化造成的沖壓成型缺陷，在最初的模具開發階段就能對壓型回彈進行模擬控制和回彈分析，不用將模具制作成型后再進行試生產驗證和修模，有效降低了模具開發時間及因為驗證和修模所投入的費用，可廣泛應用于外形復雜、屈服強度高且回彈大的沖壓件模具的設計與制造。