金屬鈑金表面覆蓋件沖壓工藝研究

蘇立榮

隨著鈑金行業的快速發展，在鈑金設計的工序中，沖壓設計是鈑金加工中最重要的，而在沖壓設計之中，覆蓋件相應的模具設計是最重要的。一項研究發現，鈑金開發過程中的百分之八十都是要通過模具來完成。生產鈑金需要沖壓件和模具，在模具上的投入也是十分昂貴的。鈑金機械的設計研發周期較長，大部分的時間都是在研究表面覆蓋件的結構和制造，因此，縮短模具設計和制造時間，成為一個縮短設計周期的重要突破口。鈑金表面上的覆蓋部分沖壓件的材料厚度在毫米級別，結構尺寸比較大，而且對表面的質量要求也非常高，這就要求對模具有更好的設計。

汽車車身上的覆蓋部分起到了沖壓的作用，并且他和一般的負責沖壓的零件是不一樣的，其形狀大都為流線型，沖壓件的材料厚度在毫米級別，結構尺寸比較大，而且對表面的質量要求也是非常高，這就要求對模具有更好的設計。而在沖壓件模具設計的過程中關鍵的一點就是預測沖壓過程中可能出現的缺陷，在設計過程中進行有效的規避，不讓缺陷在工藝工程中產生。沖壓的坯料狀態不一，各個部分的受力以及要求的材料流動方向不一，得到一個合格的汽車覆蓋件必須通過多項工序完成，利用少量的工作流程可以使得制造價格變的便宜一些，而且也可以加速生產的效率，而降低生產工序的前提就是正確的分析各道工序。下表給出了幾種經典的車型的車身工序對比。

表1 工序數對比

早期的鈑金模具工藝，常見缺陷的規避以及處理是根據設計者的經驗設計，理論不夠完善、系統，從而導致沖壓件模具設計的周期過長，從而阻礙了汽車的蓬勃發展，很難在市場中占有首要地位。

我國科學家在1950 年提出了一種有限元的思想，但是由于當時計算機水平落后，有限元技術的發展也不盡人意。后來，電腦的產生推動了有限元技術的發展，直到現在，這種技術已經變得成熟起來。有限元技術和非線性理論應用在各種工況的模擬中，為各種設計和預測提供了方便，人們開始將有限元理論和非線性模擬用于沖壓設計中。有限元技術填補了沖壓工藝的理論設計的空白，用有限元模擬的數據說話使得設計向定量化方向發展。計算機輔助工程技術貫穿于沖壓的始末，還可以動態模擬整個沖壓過程，可以實時分析沖壓過程中材料流動和材料應力情況，觀察出現缺陷的位置，從而提前預知可能會產生的問題，為車身設計提供了堅實的論據。在仿真過程中，可以對材料的利用率、成形質量以及成本等方面做優化，對于提高品牌在汽車行業中的競爭力具有重要作用。

1 國內外研究現狀

1.1 板料成形有限元模擬技術

有限元技術的基本思想是近似的思想，利用有限單元逼近整體狀態，研究每一個單元從而推廣到結構整體。這種技術早期使用在結構強度的計算上，人們發現了有限元方法的便捷性和有效性，從而在大范圍內推廣開來。該技術最早由克勞夫在1960年提出，主要用來解決彈性力學的問題。將該技術運用在鈑金板料成形開始于1960 年前后，研究初期，常用的有限元單元是薄膜單元，有些學者將動力學理論和彈性力學理論相結合，有效的解決了針對變形工件的問題。1976 年的時候，Weifi 使用該技術解決了板料成圓形的時候膨脹的狀態問題，1978 年，Wang 和Budianshy 運用該技術解決了球狀沖頭分析膨脹，并且和實驗結果幾乎吻合，從而該技術也變得日趨成熟。

后來在80 年代末，動態顯示解法開始興起，被用來解決靜態情況下工件成型的過程。后來金屬生產公司研究了彈塑性薄膜單元，利用計算機輔助設計的表面數據做了一系列分析，主要研究的是工件呈方盒形狀，在拉伸延展過程中的靜力分析，得到的結果和實驗數據保持一致。1989 年，A.Honecke 運用有限元的技術分析了盒狀物體，得到的結果也和實驗的結果一致。此后，有限元模擬的發展的規模已經開始增加，由簡單的一維圖形增加到三維結構，從一般的薄膜單元再到后來的殼單元。

90 年代以來，金屬鈑金覆蓋件的主要組成部分—鈑金的設計制造技術發展迅猛，舉辦了第一屆板料成形三維數值仿真國際會議，會議成功舉辦并對板料成形有限元技術的發展起了極大的推進作用。各大汽車公司對該技術都極度關注，某些汽車公司開始使用有限元技術輔助設計生產制造過程。

圖1 在鈑金覆蓋件產品開發中的數值模擬

1.2 沖壓數值模擬研究現狀

國內外對于沖壓數值模擬研究的熱點，是利用有限元技術模擬沖壓和成形鈑金表面覆蓋件的整個生產過程。利用FEM 技術去模擬所需金屬鈑金模型廣泛受人們的關注，其中一般用到的方法是一步法和增量法。在整車的設計和開發過程中，常需要對問題進行再研究，因為汽車覆蓋件的壓制不能平穩地進行。該問題的解決方案是在造型完成后立即進行生產線檢查，并且在生產線完成后立即修改問題，直到生產線沒有問題。減少研發設計周期，同時降低成本。這個方法稱之為“一步法”。增量法與一步法思路相反。一步法的時間需求短，對一些中小尺寸的工件只需要20min，可正確預測毛坯材料。因此，在開始階段一般使用該方法。現在，基于一步法分析板料成形過程的軟件有瑞士的AutoForm/One-step 以及加拿大的Fast3D。

不同的鈑金材料由于體積大小不同，并且結構復雜，導致了在沖壓過程中，毛坯的受力狀態復雜，設計者無法有效判斷坯料沖壓過程。模擬過程通常采用增量仿真軟件。相比于基于一步法的仿真軟件，增量法的精度高，但是運行時間長，它可以模擬整個成型過程中板料的狀態。對于成形過程中，鈑金材料所可能產生的缺陷都會被軟件模擬出來，最后軟件會根據分析結果，給出評估報告以及坯料預測。當前常用的軟件可以將材料的流動方向，厚度和形狀的變化，板材可能產生的缺陷、回彈、殘余應力和應變等分析出來，并給出評估和預測報告，對沖壓模具設計、坯料選擇等生產過程具有指導意義。

在FEM 技術成熟的過程中，誕生出具有很多分析方法的有限元模擬軟件，比如美國的LS-DYNA 軟件，ETA 公司開發的DYNAFORM 等。在20 世紀90 年代末期，中國開發CAE 軟件與CAD / CAM 結合已達到國際先進水平。后來，吉林工業大學開發了一種新軟件，該軟件可以模擬工件在成型過程中受沖壓情況下的模擬。1990 年，熊火倫利用了ADINA 軟件完成一項新的模擬，該模擬成功的再現了鈑金表面覆蓋的制造流程。哈工大的郭剛建立一個新的系統，該系統可以有效的模擬大變形，并且他成功的對直壁的沖壓過程進行了分析。后來許委黎發現工件在拉伸過程中容易產生缺陷，并且成功模擬了這一問題。上海交通大學的唐炳濤提出一種新的算法，該算法可以用來模擬板材的成型過程，并就此開發了INVERSTMP。

國內汽車行業將有限元技術用于汽車開發過程中的時間較早，但是發展初期極為緩慢，大多數的汽車生產制造商的有限元理論不夠系統，將有限元理論用于鈑金表面覆蓋件的設計生產制造的能力不足，仿真水平較低。國內的合資企業，其生產制造加工在國內進行，但是其技術支持、設計等均在國外進行，與國內汽車企業的交流還是不夠。國內的制造階段，雖然做出了有限元仿真，但是其結果的真實性還有待驗證。國內各大廠商意識到有限元技術的重要性，開始組建自己的人才隊伍，結合本身的生產過程中的問題，利用FEM 技術去進行板料成型研究。

1.3 沖壓數值模擬研究方向

近幾年來，FEM 技術發展日趨成熟，對于沖壓過程中常見的缺陷已經有了較為成熟的研究，常見的研究方向有以下幾點。

1.3.1預測板料破裂

裂紋是在拉伸過程中最常見的缺陷類型，因為在拉伸過程中產生的徑向拉伸應力超過了薄板的極限。因此，可以利用FEM 技術給我們提供的應力應變云圖。根據成形極限圖（FLD），可以推斷出在拉拔過程中可能發生的破裂位置和危險位置。提供修改覆蓋面的方法或根據結果修改工藝參數，防止發生開裂。

1.3.2預測板料起皺

因為材料的不均勻導致的塑性變形，會使沖壓的過程中發生皺起，并且當板材不穩定時，皺紋表現為缺陷。在試驗過程中很難發現輕微的皺折，但是將板料放在光線充裕的地方，會很容易發現起皺的地方，從而影響總體的外觀。為了預測起皺的部位以及起皺的嚴重程度，可采用有限元模擬起皺過程，然后找到成因，調整工藝參數、模具結構以及其他方面，有效的消除褶皺。

1.3.3補償回彈

由于材料塑性以及加工過程中的溫度影響，加工完畢后常出現回彈問題，造成回彈的原因非常多，這使得利用有限元技術數值模擬出來的回彈也極不準確。一方面，可能施加一個不明確的應力場。這是因為應力場與許多參數有關，這些參數對結果有很大影響。另一方面，沒有明確的針對回彈的算法，計算回彈的算法大都是經過簡化的，簡化的處理會導致有些模型與本身具有很大的差距，導致錯誤，結果有限元模擬對回彈模擬的準確性不夠準確，但利用有限元技術高精度的模擬回彈過程具有很大的研究空間。

1.3.4 成形性評價

鈑金覆蓋件的剛性可以事先通過使用有限元分析軟件來成形性進行預測，成形性更好，更好的沖壓部分的剛性，并且成形性直接受沖壓部的塑性變形的成形過程中的程度。在傳統的設計流程中，只依靠經驗，這并沒有依據。經過有限元仿真過程，材料的流動更具有合理性，動態的模擬材料的流動過程還可以直觀的了解材料的流動情況。

1.3.5 優化壓邊力

壓邊力是需要考量的一個很重要的因素，其數值決定著最后質量的問題，如果控制不好，會導致起皺甚至是破裂。利用FEM 技術并且利用一些優化方法，可以更好的優化該方法。在加工過程中會存在一些不合理的沖力使板材發生開裂或起皺，從而表明加工過程中存在不合理的部分，需要進行調整。

1.3.6 計算成形力

關于沖壓過程中，沖壓力的選擇，則是參考成形力的大小和壓邊力，更好的選擇沖壓過程中的壓力。傳統的設計則是通過經驗公式來確定壓邊力的大小，經驗公式沒有依靠成形的理論，沒有可靠的依據，簡化算法很難得到準確的結果，需要經過反復驗算，結合實際成形情況，才獲得可用于生產的結果。如果使用FEM 技術去完成仿真，則在大幅度減小財力物力的同時，可獲得更優的成形力。

1.3.7 確定毛坯尺寸及翻邊線

在整個制造過程中，鈑金毛坯尺寸的計算，可以在保證材料充分利用的同時，保證產品零件的質量與精度，傳統的設計公式，是在簡化模型的基礎上加入了經驗設計的因素，可用于結構簡單的零部件計算，但是當結構復雜時，利用早期的公式很難達到所要求的精度，同時還會使整個設計過程變得繁瑣。在利用FEM技術去仿真材料的流動，從而得到所需要的毛坯的長度，來提高金屬材料的使用效率，提高零件加工精度和加工質量。有限元模擬過程同樣可用于確定最優的翻邊線。

1.3.8 磨損計算

金屬鈑金模具的磨損處主要是模具和板材之間，這是因其粗糙度和在加工過程中產生的相對滑動所引起的。FEM 技術可以用來仿真工作過程中的損耗，確定他們磨損的程度，從而可以達到預測的效果來減少損耗，并且可以延長使用的時間，減少資金投入。

2 金屬鈑金表面覆蓋件沖壓CAE分析

因為覆蓋件的特點比較多，具有復雜的形狀，整體體積大和表面質量的要求高等特點，在拉延過程中要保持較高的精度，從而滿足裝配和功能性的需求。覆蓋件的表面大多是特別復雜的空間曲面的結構。在拉延過程中變形的過程是非常復雜的，并且由于應力分布的不均勻性，導致了板料在整個拉延過程中是一個非典型的拉伸，膨脹過程。所以說，拉延工序是覆蓋件的一個關鍵的工序，很多工藝直接決定了最后沖壓的質量比如模具的結構和拉延過程中的補充，而且這些條件也影響了最后的進度。使用CAE 技術完成在沖壓過程中的模擬，可以模擬力的設定，潤滑的問題，還有預測金屬的流動，應力的分布，模具受力導致的成型缺陷也是可以得到的。

DYNAFORM 是一款CAE 軟件，主要針對板料成型的模擬，該軟件是由美國工程技術公司開發的，基于LS-DYNA。作為專業板金成型分析CAE 軟件，軟件結合LS-DYNA 的具有強大的后處理功能的解析的功能。

該軟件使用的范圍也比較廣，但是主要還是針對的工藝過程期間的模具的設計，它可以大大減少設計的時間還有試用的周期。該軟件有良好的使用性能，同時也包含許多智能化的工具，可以很容易的解決諸如此類的板料成型過程中的問題。該軟件也保留了傳統的CAE 軟件的功能。該軟件采用LS-DYNA 作為核心求解器，LS-DYNA 是當前世界上比較常用的顯示動力分析程序，能夠計算許多復雜性的問題，可以用來求解許多動態的問題比如碰撞，爆炸和金屬成型等。

該軟件解決了模具開發過程中對設計的周期難以掌握的問題，它能夠在模擬的過程中，縮短調試時間，降低成本，并有效復現四個主要流程。首先是壓邊，然后是拉延，然后是回彈，最后是多步成型。模擬的這幾個步驟可以提前分析設計的合理性，并能夠對設計起指導作用。

該CAE 軟件能夠將覆蓋件表面的很多特點進行數據模擬出來，能夠對沖壓時發生的問題包括板件的裂紋生成，皺起生成，剮蹭痕跡，評估成型的性能，這些都可以對模具設計提供幫助。

3 結語

采用金屬鈑金的有限元理論，配合計算機輔助技術，金屬機械沖壓件的生產已經逐漸從實驗室走向生產線。鈑金成形過程中的有限元模擬技術，不僅可以用于模具的開發以及優化，還可用于金屬坯料的制造設計，用于產品制造的各個階段。利用板料成形的有限元技術，可保證生產出來的零件具有高精度和良好的沖壓性能。CAE 技術用于金屬鈑金覆蓋件的分析對于設計生產具有發展重要意義。