汽车覆盖件冲压模具设计研究

韩佳 马艳

（陕西国防工业职业技术学院 陕西 西安 710300）

引言

汽车覆盖件作为汽车的一个重要组成部件，具有材料薄、样式多等特性，成为当前汽车制造行业的研究重点。覆盖件的成形是一个非常复杂的力学过程，覆盖件的成形设计是一个难点[1-2]。采用传统的设计方式和计算方法，显然不能满足现有覆盖件成形设计的要求。随着现代信息技术的发展，仿真技术开始被广泛应用于各个领域。通过仿真技术，可以模拟覆盖件成形过程，修正各种影响覆盖件成形的参数，提高覆盖件设计的直观效果。CAE作为现代汽车设计制造中常用的一种技术，非常适用于汽车覆盖件成形设计，原因是该技术具有2个特点[3]：一是通过CAE技术，可检测和修正在覆盖件设计过程中出现的错误，提高覆盖件设计的准确性；二是通过CAE技术，可极大地缩短覆盖件的开发周期，加快新车上市的时间，提升车辆制造企业的竞争力。本文结合CAE技术和汽车覆盖件设计需求，以某车型顶盖后横梁覆盖件成形作为研究对象，提出一种覆盖件快速设计方案，并对该方案的可行性进行了验证。

1 汽车覆盖件冲压模具设计方案

根据覆盖件成形设计的要求，本文对某款车型顶盖后横梁覆盖件冲压模具的设计采用如图1所示的方案。

图1 后横梁模具成形设计方案

2 全工序成形模拟

2.1 模拟模具结构

本文所研究车型的顶盖后横梁结构如图2所示，拟完成对后横梁覆盖件中工艺参数的优化。

该顶盖后横梁的材料为BLC，外形尺寸约为900mm×200mm×80mm。

2.2 工序模拟参数设置

对后横梁覆盖件冲压工艺进行模拟的过程是：首先对工艺参数进行设置，然后通过AutoForm有限元软件的仿真，完成对覆盖件成形过程的模拟。从图1的步骤可以看出，对工序参数的设置主要包括拉延工艺、修边冲孔工序和翻边工序等[4]。

2.2.1 拉延工艺模拟

为保证拉延工艺模拟的有效性，需对多方面的参数进行设置，包括材料属性、模具之间的动静态摩擦参数、等效拉延筋等。在本工序设计中，主要对后横梁覆盖件的拉延筋参数进行设置。

拉延筋参数设置的主要目的是提供充分的变形拉力。在AutoForm有限元软件中，对变形拉力的数值模拟可采取2种方式[5]：

1）结合实际的拉延筋对成形过程进行模拟；2）采用等效拉延筋的方式对成形过程进行模拟。

考虑到参数调整的复杂性，本文采用等效拉延筋的方法，这样可提高仿真成形的效率，并提高后续的优化速度。具体的设置步骤为：

1）通过拉延边界轮廓线向外偏置15mm，同时通过修剪的方式得到2条不同的曲线；

2）通过功能节点和有限元软件中的DB模块对曲线进行定义；

3）得到等效拉延筋。

2.2.2 修边冲孔工序数值设置

在完成拉延工序设置后，还需进行修边冲孔工序的设置。通常在修边和拉延之间存在一个绕Y轴逆时针旋转10°的角度。所以在修边方向调整之前，会在过程处理选项卡中增加一个修边冲孔的工序。本文所用的零件修边曲线位置如图3所示。

翻边工序中，通过Form形成工序建立翻边工具，通过压力机滑块带动翻边整形刀对需要修剪的边件进行修边。

图2 汽车顶盖后横梁结构图

3 后横梁覆盖件初步成形分析

要完成对上述工序的模拟，还需对网格进行细分。本文采用4分网格的方式对90°的圆弧进行剖分。在完成细分后，通过check按钮检查工具的位置及运动关系是否正确，确认无误后，对上述工序进行模拟。通过模拟可以得到拉延成形的结果展示图，如图4所示。

从图4所示的拉延成形性能图可以看出，该顶盖后横梁拉延件的安全区域超过50%；而灰色区域为30%，主要分布在直边部分，说明在该区域的拉延成形还不充分，存在拉深程度不足的问题；同时，在拉延边缘交替区域存在蓝色和紫色的部分，说明该区域的拉深存在起皱的趋势。

总结上述的工序模拟结果可知，本文所设计的工序在模拟中暴露出以下2个问题：

1）部分区域的材料很容易出现变形的问题；

2）部分区域容易出现回弹问题，并且在边缘部分存在起皱的倾向。

上述2个问题的出现，与拉延筋工序阶段的参数设置有很大的关系，需对拉延筋工序进行改进。

图3 后横梁修边冲孔位置图

图4 拉延件成形性能图

4 拉延筋工序工艺参数改进与确定

要解决拉延筋工序出现的问题，需结合拉延筋工序的参数，对不同的影响参数进行优化。研究认为[6]，在覆盖件成形拉延筋工序中，造成成形件回弹的因素很多，回弹问题并不是单一参数可以控制的，需要多个参数共同优化。本文选择压边力、拉延筋的尺寸和摩擦因子的大小、模具间隙等因素进行优化。通过正交实验的方式，对这些参数进行优化，得到一组最优组合参数。

4.1 正交实验方案设计

根据上述选择的4个因素，建立表1所示的正交实验组合方案。

表1 正交实验因素

4.2 结果与讨论

为验证上述方案的可行性，选择正向回弹量、负向回弹量作为评价对象。同时，为方便分析，对上述参数进行组合，采用AutoForm有限元软件[7-8]对这些组合数据进行16次模拟。结果表明，当摩擦因子为0.15、拉延高度为7mm、压边力为700 kN以及模具间隙为0.6mm时，正向和负向回弹量最小，所以选取该组数据为最优组合参数。

将上述的最优参数输入到AutoForm拉延筋工序模拟中，可得到优化后的成形件性能，如图5所示。

从图5可以看出，通过上述的优化后，绿色安全区域从原来的50%扩大到了90%以上，不存在蓝色和黄色的区域，说明不存在起皱的趋势。由此可知，经参数优化后的后横梁覆盖件成形性能较好，相比于传统的单参数优化，性能有很大提高。

图5 最优组合参数验证

5 结论

1）运用AutoForm有限元软件可实时模拟不同的设计工艺。

2）通过对影响参数进行优化，可及时对成形过程进行优化，极大地减少了开发过程中存在的问题，提高了开发效率。

3）通过试验验证了AutoForm有限元软件在覆盖件成形设计方面应用的可行性，为汽车模具的快速开发提供了参考和借鉴。

1 孙子祥.汽车覆盖件模具设计应用CAE技术分析[J].科技创新导报，2014，11（22）：39

2 向浩.汽车后侧门覆盖件的CAE分析和模具设计[J].科技与创新，2015（24）：65-66

3 龚运息，卢映秋，马杰.基于CAE技术驱动的汽车前门外板覆盖件拉延模设计[J].制造技术与机床,2017（2）：150-154

4 荆永新，赵鑫，苏磊.典型汽车覆盖件冲压工艺及模具设计技术研究[J].科技风，2016（15）：140

5 李钦生，杨海卉，袁帮谊.汽车覆盖件多工位复合成形工艺研究及模具设计[J].锻压技术，2015，40（6）：98-101

6 张智霞，章志兵，柳玉起，等.基于模板的汽车覆盖件交互式模具设计系统的研究[J].精密成形工程，2014，6（6）：127-132

7 吴琼兴.汽车覆盖件用铝板成形特性及应用[J].模具工业，2017，43（1）：48-52

8 郭鹏远，陈鸣鸣.基于CATIA的汽车覆盖件模具设计[J].汽车工艺师，2017（5）：30-31