汽车后侧门覆盖件的CAE分析和模具设计

向浩

摘 要：采用CAE软件对汽车后侧门覆盖件的工艺进行了分析，详细阐述了汽车后侧门覆盖件的CAE模具设计流程，以及在设计中应注意到的影响因素。在汽车覆盖件冲压模具设计中采用CAE软件技术，能得到较为准确的设计结果，从而提高汽车覆盖件模具的设计质量和设计效率。

关键词：汽车覆盖件；CAE；模具设计；载荷

中图分类号：TG385 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.24.065

对于汽车覆盖件而言，可采用更薄的材料和更多的样式，甚至可设计出具有空间曲面的外形，它比以往的上冲压件具有更优质的特性，且内部结构设计更加复杂，工艺零件质量要求更高。传统的上循环设计工艺对设计人员有较高的要求，设计效率较低，且传统的计算方法很难满足现有模具设计的要求。覆盖件成形是复杂的力学过程，涵盖了线性和非线性过程。在理论和实际设计中，覆盖件成形过程一直是设计难点之一。在覆盖件成形仿真过程中，可提前模拟各种参数数据对成形过程的影响作用，且在覆盖件板材成形的过程中可得到所需要的载荷，效果比较直观。因此，CAE技术非常适合用于汽车覆盖件设计。一方面，采用该技术可检测并修正模具设计中的错误，从而提高模具设计阶段的准确性；另一方面，采用该技术有利于缩短设计周期，从而提高加工企业的市场竞争力。

1 汽车后侧门的拉延成形

汽车侧门板属于浅拉伸件的一种，汽车覆盖件的质量会决定其品质。覆盖件的生产标准为光滑、平顺、形状明确、整体刚度较高，覆盖件上没有褶皱、凹凸和拉痕等问题。汽车侧门覆盖件成形是通过拉延成形的，即用模具将板料拉延成形，拉延是非常重要的冲压工艺之一。在产品结构比较复杂时，可采用拉延成形技术。其他冲压工艺不能替代拉延工艺的原因是拉延工艺能大大提高生产效率，且生产的零件强度、刚度、精度高。本文采用拉延方法制造汽车后侧门覆盖件。

考虑到汽车后侧门覆盖件成形时，凸模表面与毛坯大面积接触会形成较浅的拉深深度，在一定平面上的拉应力较小，工艺零件材料变形不足，进而导致材料应有的刚度不足，本设计采用胀形变形的方式，并考虑到了门窗处材料正常拉延成形的效果。

2 汽车后侧门模具分析

在具体应用拉延模具设计时，应保证有适当的拉深间隙，凸模和凹模的直径应根据具体参数设置，并在合适的位置使用合适的压边力，胀形的增加可逐步提高拉延筋的个数。汽车覆盖件后侧门的拉延深度不足时，可使用拉延力度较大的方法促进成形。一方面，应保证覆盖件没有磨痕；另一方面，应提高成形质量。一定要注意工艺件的拉延方向，从而实现较好的拉延效果。在处理后侧门拉延深度时，应合理设计工艺补充面的深度，且保证模具中的材料能正常流动。在材料完全进入模具后，要确保材料的无缝对接。

车门外板在拉延成形时会遇到许多问题，且这些问题会直接对拉延效果造成不利影响。在具体的拉延成形仿真中，可通过模拟该过程发现其中的问题，并找到解决办法，从而不断改进设计思路，减少设计中的失误，避免因设计问题而导致的冲压变形。此外，材料质量、成形数据的计算结果等会影响模具的质量。

3 汽车覆盖件模具制作CAE分析流程

目前，各行业都已运用了计算机辅助技术。机械设计流程的核心是CAE技术。该技术具有很多特点，比较典型的包括：侧重于计算能力的提升，采用专业的数学结构，可确保工艺零件产品设计的可操作性；在设置参数时，可不断调整设计结构，快速找到工艺件的最佳配置方案；采用虚拟流程，仿真实现不同的结果，从而发现成形流程中的不足。本设计采用计算机软件仿真，能直观地分析覆盖件冲压成形过程，分析过程包括确定冲压方向、设计压料面和设置延筋等。具体分析过程分为以下4步：①在PRE三维建模软件中建立成形前的曲面模型，然后将零件模型传到仿真软件中，并重新设定零件的连接方式和连接间隙，设定依据来源于冲压设备的拉延类型。②根据设计结构具体分格，形成有效的网格模型。如果未设计完全补充面，则可采用软件补充漏掉的部分。部分计算机仿真软件的网格化功能无法满足求解器的要求，因此，在网格划分完毕后，首先应检查网格的质量。③定义成形工具，设计参考模型，选择恰当的模型和设计流程，并计算相应数据；利用计算机软件仿真成形过程，提前估计模具的外形，逐步形成外部尺寸，并得到网格单元模型，从而为下一步分析做好准备。④如果存在金属流动不畅、金属壁面褶皱等情况，则可设置拉延筋提高零件的冲压质量，即确定精度较高的数学模型，并根据具体的参数设定拉延过程，但采用该做法比较费时、费力。为了提高拉延效率，可建立计算效率较高的数学模型，采用相同的约束因素来延缓拉延过程，目前，这种做法是比较实用的，应用非常广泛。本设计中，采用了同比同效拉延筋的方法，并根据得到的参数调整设计，包括如何在拉延过程中减少误差、确定时间步长等。

4 模具CAE仿真过程

为了提高模具拉延成形的效率，对模具的重点区域进行了重点设计和重点分析。对模具外表面的要求为：不能出现褶皱、视觉效果流畅，压料面平顺、光滑和尽量简单化。要想保证压料面各部分进料阻力均衡、稳定，就要合理地设计工艺悬着压料面和拉伸方向。根据上述分析和设计原则，本次设计中的模具表面为曲面，模具的曲率和零件的曲面率一致。实际应用的材料为36号材料，编号为A009。A009材料强度较高，能满足各种厚度板料的加工需求。仿真结果分析：在设计初期确定了拉延筋结构，并用仿真软件对仿真过程进行了初步分析，得到仿真结果后进行了仿真结果分析，得到了拉延筋的形象图，可明显地看到在零件边缘有破裂。在本次设计中发现，减弱压边力后，零件的破裂程度降低，但会导致零件边缘表面出现褶皱。因此，要想同时保证产品边缘没有明显的破裂和褶皱，就需要不断修改压边力的数值。在不断修改的过程中发现，问题主要发生在产品边缘地带。虽然破裂和褶皱是因压边力不一致而产生的，但在调整压边力时候不能单纯地只调整这一个因素，还需要考虑到模具内、外结构，冲压方向等因素。因此，如果要想解决上述问题，就要修正拉延筋，将圆弧处改为二级拉延结构，并在直边处只设置一级拉延，从而解决产品边缘破损的问题。本次设计主要以胀形为主，因此，在具体设计过程中可创造比较流畅的成形条件。重新仿真后发现，采用上述解决办法在材料成形后，基本上没有出现破裂和褶皱现象，产品具有良好的外形，在产品的重点区域不存在较大的问题。

5 汽车模具的设计过程

设计完成后要进行仿真实验；实验结束后，会开展具体的模具设计流程，并在后续的成形过程中逐渐修改相关数据。汽车侧门的模具分为3种，即凸模具、凹模具和压边模具。凸模具的外侧形状决定了汽车侧门板的外部尺寸，进而决定了模具的成形质量；凹模具是通过凹模圆角拉延成形的；压边圈的作用是将物质压入模具中，其运动方式为自上而下，在下降至最底端后始终保持最下端的状态，凸模具随之向下运动，下降至底端后，拉延毛坯顺着凹模的一角进入模具中，然后快速拉延成需要的外形。在上述流程结束后，凸模具、压边圈不断向上回动，最终顺利弹出。

6 结束语

综上所述，汽车覆盖件拉延成形是一个复杂的过程。本文以CAE技术为主导，仿真了覆盖件拉延成形的全部过程。汽车覆盖件模具CAE分析改变了传统工艺，使模具设计不断改进，冲压工艺逐渐被定量。从冲压工艺上讲，可经过众多试验得到重要的冲压参数，进而实现了模具的自动设计，从而降低了各种资源的消耗。实践证明，汽车覆盖件设计中使用CAE技术，可以有效提高设计效率和质量。

参考文献

[1]刘细芬，黄华艳，张洪锐.基于CAE技术的汽车覆盖件拉延模具设计[J].机械设计与制造，2010（4）.

[2]张正法.应用CAE技术对汽车覆盖件模具进行优化设计[D].乌鲁木齐：新疆大学，2009.

[3]陈世平.基于CAE技术的汽车覆盖件模具设计[J].科技与生活，2010（17）.

[4]杨云凌.基于CAE技术的汽车覆盖件冲压工艺分析[D].青岛：青岛理工大学，2013.

〔编辑：张思楠〕