浅析汽车覆盖件冲压模具的结构优化

赵乃丰

【摘 要】随着国家经济的发展，汽车行业在近些年也取得了长足的发展。上汽通用五菱汽车股份有限公司是一家中外合资的股份制整车企业，主要从事汽车设计、制造、零部件研发等相关业务。随着汽车行业的整体发展，上汽通用五菱汽车股份有限公司也取得了一定的发展成果，并且在面对新时期、新目标时，对自身又做出新的技术要求，在汽车覆盖件模具开发方面对冲压模具结构进行了优化，从而提升了汽车覆盖件面对新材料、新工艺的应对能力。

【关键词】汽车覆盖件；冲压模具；结构优化

【中图分类号】U468.2 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）05-0082-03

汽车覆盖件是汽车白车身的重要组成部分，是汽车的主要结构部件，所以在工艺上承载了汽车的设计工艺和汽车制造工艺，是综合体现汽车设计的重要部件。新时期，钢铁价格逐渐上涨，众多材料供应商为了降低成本，对新材料、新工艺进行研发，这对汽车覆盖件冲压技术提出了新的要求。为了应对材料与技术上的变革，需要对汽车覆盖件模具结构进行优化。目前，最有效的优化方式是通过现代技术对模具进行模拟建造，从而对汽车覆盖件冲压模具进行数据分析，以达到对冲压模具结构的优化和降低成本的目的。

1 公司介绍

上汽通用五菱汽车股份有限公司于2002年11月18日正式挂牌成立，是由上海汽车集团股份有限公司、通用汽车（中国）投资有限公司、柳州五菱汽车有限公司共同组建的中外合资的汽车公司。随着公司规模不断扩大，产量不断增长，为了完善产业布局，在柳州以外也成立了分公司。上汽通用五菱汽车股份有限公司青岛分公司于2005年5月16日在山东省青岛市黄岛区工商行政管理局登记成立，公司主要从事汽车整车生产制造等相关业务。青岛分公司秉承了总公司的企业文化，致力于成为微小型汽车领域国内领先、国际上有竞争力的汽车公司，坚持企业核心价值观，不断开发技术，完善生产条件，为客户提供高质量的服务。

2 汽车覆盖件冲压模具

上汽通用五菱汽车股份有限公司作为一家致力于提升汽车品质，拥有完善的汽车零部件生产、加工、组装的汽车公司，在汽车覆盖件冲压模具开发方面也进行了深入研究。汽车覆盖件是指构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机和底盘的薄金属料制成的异型体表面和内部零件。它既是外观装饰性零件，同时也是受力剥离状的受力零件。汽车覆盖件冲压模具是将覆盖件原材料进行批量加工的专用模具，冲压模具的质量直接影响汽车覆盖件的质量，没有先进的冲压技术，先进的设计理念就无法实现，因此在生产汽车覆盖件时，冲压模具开发技术是整个覆盖件的关键技术[1]。

3 汽车覆盖件冲压模具结构优化

3.1 板料成型模拟研究现状

汽车覆盖件冲压过程其实就是一个将板料制作成型的过程，从力学角度而言，是将板料进行几何非线性、材料非线性、边界条件非线性变化的复杂力学过程。板料成型的数值模拟涉及力学、材料、数值方法、计算机科学、制造技术等学科，影响数值仿真技术的参数极其复杂，目前主要的研究方向是摩擦与接触、回弹分析和控制、材料屈服模型、坯料形状设计优化这四个方面[2]。摩擦与接触通常使用库仑摩擦定律确定冲压成型中的摩擦力，冲压成型过程中的摩擦力，受板材与模型表面相对运动、相对速度方向的影响。根据这一特点，林忠钦提出了修正的库仑摩擦定律，以润滑油黏度和表面粗糙度为参数，建立了一个新的摩擦模型。接触算法包括接触力算法和接触搜索方法。接触力算法包括罚函数法、拉格朗日乘子法和防御节点法，接触搜索方法主要包括主从面法、分级分域法和一体化算法[3]。回弹分析和控制影响覆盖件最终的成品形状，回弹量超过容差值就会造成造型缺陷，进而影响汽车组装和影响产品的质量。回弹预测方法主要有解析法、实验法和有限元数值模拟法。利用有限元模拟回弹具有速度快、成本低、不受试验条件限制的优点。回弹预测后，还需要根据回弹量对模具进行重新设计，完成回弹补偿工作，通常使用改变模具的几何形状进行补偿。材料屈服模型是对材料进行材料屈服准则分析，不同的材料屈服指数会在一定程度上影响分析精度。近年来，汽车工业中不断应用新金属材料，高强度钢、铝合金板、镁合金板已经应用到汽车钣金制造中，对新的汽车制造材料进行合理的材料屈服模型建立是目前新时期材料屈服模型的研究方向。坯料形状设计优化是工艺设计的重要环节，通过对坯料进行合理形状规划能够节省原材料、降低制造成本，还可以防止拉深件的破裂和起皱，能够有效地提高成型性能。但是，对坯料进行形状计算是非常困难的，通常使用的算法有滑移线法、几何映射法、势场方针法、比拟法等[4]。

3.2 冲压模具结构分析及优化研究现状

传统的冲压模具结构设计要根据各企业的冲压设备、设计规范和准则，结合模具设计的经验，并没有特别关注模具的受力和变形情况。目前，国内的低碳钢冲压模具受力情况恶劣，模具设计比较保守，设计方向过于注重安全系数，而没有对模具结构进行研究，对模具本身进行结构优化设计[5]。在实际冲压工作中，模具的使用情况比较恶劣，在使用过程中非常容易导致模具产生微小的变形，模具磨损等情况，从而影响冲压效果，进而影响整体车辆组装效果。汽车冲压模具组件尤其是汽车覆盖件冲压模具通常体积较大且结构复杂，目前针对模具的结构分析还存在一定的难度，主要有以下几个关键问题：{1}在建模方面，冲压模具尺寸大、结构复杂，在进行有限元模型的精度和求解规模的平衡上存在一定的困难；{2}在冲压成型过程中，变形板料和模具的接触情况比较复杂，冲压模具实际受的负载信息难以获得；{3}在模具型面确认方面，由于冲压模具造价较高，实验耗时长、耗资巨大，目前为止没有可行的测量方法；{4}在实际生产过程中，模具的使用情况和受力情况较复杂，会对生产造成影响。因此，在进行覆盖件冲压模具结构分析时，需要对模具的受力情况、变形情况和新材料、新技术重点关注。在实际研究过程中，需要将冲头速度保持在冲压机床的额定速度上，这样可通过对每一步的冲压过程进行分步计数，从而能够对每一步的冲压负载进行计算，以了解整个冲压机床工作时的模具受力情况和变形情况。在这个过程中，需要对冲压原件进行几个形状的提取，形成数据。通过三维技术进行模拟，对冲压模拟的有限元分析进行预处理，主要是划分网格，利用常用的前处理软件hyper mesh进行处理，再通过冲压模拟程序PAM STAMP进行冲压模拟，并且通过模拟冲压过程，对节点进行负荷施压，对有限元的求解进行分析，对没有冲压過程中的施压做出解决预案。通过对覆盖件进行模具冲压过程模拟，能够对冲压过程中模具的变形特点、受力特点做出模拟，从而对模具变形做出应对，根据实验结果可以对模具结构进行优化，完善覆盖件结构优化设计[6]。

3.3 冲压模具结构优化

目前，国内进行汽车覆盖件生产的拉延模具，承载结构是栅格式结构。在传统的模具结构设计过程中，普遍都遵循现有规则、准则和经验，缺少对模具受力和变形的关注，而且对新材料、新技术并不了解。为了增强汽车覆盖件冲压模具面对新材料、新技术的应对能力，需要对汽车覆盖件冲压模具进行结构优化，从而让覆盖件冲压模具能够满足新材料的冲压需求，满足新技术的设计需要。汽车覆盖件模具结构优化技术是基于CAE技术，目前德国“大众”“奔驰”，日系“三菱”“丰田”，美国“通用”“福特”等国际知名汽车制造公司都应用了CAE技术对汽车覆盖件冲压模具进行模拟实验，从而获得了良好的效果，减少了试模次数，缩短了模具制造周期，降低了模具制造成本，加快了新车型的开发进度[7]。并且，通过大量结合计算机应用技术、CAD建模技术、数值计算、CG技术、CAM技术，能够对汽车覆盖件冲压模具结构优化提供计算机数据支持，从而对冲压模具结构优化提供技术支持。通过CAD建模技术对冲压模具进行计算机建模模拟，从而可以根据CAD建模对冲压模具结构进行模拟，对冲压模具各种形状信息进行建模，再通过计算机对各项研究数据进行计算，应用CG技术对冲压过程进行模拟，通過CAM进行模具辅助制造，从而对冲压模具实现计算机模拟，为冲压模具结构优化提供数据支持，并且可以根据模型模拟效果，对模具结构提供切实可行的优化方案，能够在一定程度上减少试模次数，并且由于能够通过计算机获得准确的模具运作数据，能够加速模具生产，减少生产误差，并且能够对模具使用情况进行模拟，从而调整模具优化方向[8]。在进行模拟实验时，可以通过对冲压过程进行节点式过程模拟，对模具每一步的负荷做出计算，从而预估出实际模具的磨损情况，对模具进行优化。通过对模具进行运作函数统计，综合模具的结构、质量、体积、惯性矩、质量分数、体积分数、结构柔度、Von Mises应力、频率、位移、频率响应速度、屈曲因子等，并且通过这些函数对模具进行函数约束，可以根据约束函数制定冲压模具标准函数[9]。

4 结语

上汽通用五菱汽车股份有限公司通过对汽车覆盖件模具进行计算机模型模拟，加以科学地计算，对汽车覆盖件冲压模具进行结构优化，提升了汽车覆盖件制造水平，提升了公司的生产水平。

参 考 文 献

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[3]肖艳东，许淑军，李建明，等.汽车覆盖件冲压模具的结构优化浅析[J].城市建设理论研究：电子版，2015，

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[4]刘源.高强度钢板冲压模具强度分析与结构优化[D].长沙：湖南大学，2015.

[5]卓芳.大型汽车覆盖件成形参数优化及模具结构优化设计研究[D].重庆：重庆大学，2016.

[6]丁云鹏.面向汽车覆盖件模具铣削工艺过程优化研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2016.

[7]吉宏选，陈文琳，牛彤，等.汽车防撞梁外板冲压工艺设计[J].精密成形工程，2016，8（3）：57-60.

[8]傅旻，孔垂有，张勇，等.汽车覆盖件成形中拉延筋的设计与数值模拟[J].机械设计与制造，2014（2）：239-

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[责任编辑：钟声贤]