基于Dynaform 的汽车离合器盖冲压工艺设计

文/蒋件生·桂林福达股份有限公司

本文分析了凸缘类离合器盖的冲压工艺，并结合Dynaform 的数值模拟技术，对冲压工艺中存在的毛坯尺寸、修边线、冲压成形、冲压回弹等难点工艺问题进行了分析。通过对数值模拟的成形极限图、材料FLD 曲线、产品的截面、优化修边设置过程及试模数据的统计对比。总结了一套运用CAE 技术辅助开发汽车离合器盖冲压工艺的范例。

汽车离合器作为汽车传动系统的关键传动部件，其工作特点是通过以离合器盖为支点，以膜片弹簧为杠杆组成的弹簧系统来切断和连接整个汽车的动力传输。离合器的工作状况直接影响到整车的使用体验。本文所涉及的离合器盖，材质为热轧碳素钢板08Al，厚度T=6.0mm。形面复杂，精度尺寸要求高，如图1 所示。

图1 汽车离合器盖示意图

该零件外观要求较高，表面要求光滑平整，没有皱折、拉伤拉毛等外观缺陷。凸缘处要求平整，平面度要求小于0.3mm。各凸台成形要到位，高度公差小于0.4mm。另外，各成形凸台上还设计有各种用途的冲孔特征。

工艺规划

汽车离合器作为汽车传统的传动部件，经过多年生产总结，其零部件的冲压工艺在行业内已基本成熟。对于小型号凸缘类离合器盖的生产，一般采用三道冲压工序，即落料冲窗口、成形、冲孔系。但针对该零件的具体特性，我们对其冲压工艺设计如下，OP10：落料、冲窗口→OP20：成形→OP30：切边→OP40：精整→OP50：冲孔系。

与其他小型号产品相比，我们增设切边和精整两道工序。主要考虑该型号产品尺寸较大，材料较厚，边线尺寸要求较高，难以准确计算落料边线尺寸，使成形后边线轮廓尺寸满足产品的设计要求。另外，由于凸缘连接圆角R2，远小于1.5T 的成形圆角的经验数据。如果强制一序成形到位，很容易造成拉伤、拉毛等冲压外观缺陷。所以在工艺设计上，先采用大圆角成形，再改小圆角精整到产品设计要求。

工艺设计

根据工艺规划内容，在三维环境下对规划内容进行设计数据的建模，如图2 所示，其中OP30 切边和OP50 冲孔系属于常规冲裁模，不参与工艺CAE 分析。本文着重介绍基于CAE 数值仿真环境下对OP20 成形模面设计、OP40 精整工序回弹分析和OP10 落料工序坯料尺寸计算进行设计分析。

成形分析

冲压成形工序的仿真分析是所有工序分析中最重要的分析。其他工序的分析都是以成形工序的结果为基础。离合器盖属于典型的厚板冲压成形零件，和常规薄板冲压零件相比，在材料、速度、网格及结果判定标准方面有其自身的CAE 技术要求。

⑴材料模型。由于厚板零件的成形，其弯曲半径与板厚之比一般都比较小，弯曲部位的应力状态为三向应力状态，如图3 所示。所以在选取材料模型时，需要考虑材料的厚向异性。在Dynaform 中的36#、37#、39#材料模型比较适合厚板类的冲压成形分析。在材料截面单元方程和积分点的选取上，根据图4 中各类工艺工况下厚度方向的应力分布特点，如果只是单纯的分析成形工序，可选用2#单元方程BT 壳单元，5 个积分点。但如果后续还需要分析回弹等工序，必须选用16#单元方程全积分单元，7 个积分点。因为2#单元方程计算速度快，是16#单元方程的5 倍。但16#单元方程能够捕获合理的应力分布，计算结果精确，对于回弹分析尤其适合。

⑵速度。由于离合器盖成形以翻边工艺为主，在冲压速度设计上，不宜设置过大，一般不大于2000mm/s。

图2 工艺规划

图3 弯曲点应力分布

图4 冲压成形厚度方向的应力分类

⑶网格。网格划分主要是处理曲面上最少网格的划分，最小网格的划分原则如图5所示，在精确计算的分析模型中，检查工具网时一个圆弧面上至少划分有4 个网格。

⑷判定标准。成形失效的判定准则是冲压工艺能否通过成形性评估的评判标准。对于成形开裂失效的判定，主要从成形极限图、FLD 曲线和减薄率这三方面判断。如果成形极限图开裂和FLD 超过材料的抗拉强度，那么零件的成形开裂缺陷一定存在。如果前两者安全，但厚料成形减薄率大于30%，也有可能开裂。

对于厚板成形皱折的判定，主要在到底和到底前一帧观察零件表面有无皱折或波浪的情况存在。如果明显存在上述情况，那么零件的成形起皱缺陷一定存在。如果皱折或波浪的情况不明显，再看零件截面厚度的变化。若其截面厚度变化大于5%，零件也有可能发生皱折。

图5 曲面网格质量

图6 离合器盖冲压成形模型

厚度为6mm 的离合器盖属于典型的厚板冲压成形件，厚板成形一般不采用压边圈来压料和脱料，而采用背压垫来实现成形板料的锁紧和成形后的脱料功能。由于效率和精度问题，在实际生产中厚板冲压成形很少采用CAE 数值仿真进行工艺评估。但随着计算机技术的发展，CAE 对冲压成形工艺中开裂、皱折、回弹变形等常规冲压缺陷的评估，以及对于成形吨位的计算，均能给出比较准确的评估。表1 统计了同类零件的数值模拟和实际开模结果的反面对比。

按上述分析，对本案例确认好的工艺类型，将工艺的三维数据导入Dynaform 分析软件，建立分析模型，如图6 所示，其他过程设置可以按系统默认值。

建立模型后按工艺设计要求输入工艺参数，提交运算后得到该零件的成形极限图，并结合材料的FLD曲线图，以及材料的减薄率等特征，我们可以判断该零件的加强凸台处存在很大的开裂风险，需要对成形模面进行优化。对比优化前后的成形模面与数值仿真见表2。优化模面后的数值模拟结果中，成形极限图未有破裂，FLD 曲线上只有局部边界点超越了材料的抗拉极限曲线，不影响零件的整体成形性能，可按优化后的模面作为成形模具。

表1 数值模拟开裂、折皱与试模结果对比

表2 成形模面优化前与优化后的数值模拟对比

回弹分析

金属板材经模具施力后产生塑性变形，后模具分离压力卸载，金属材料塑性变形后内部积累的残余应力得以释放，使板材产生局部变形，这是金属板材冲压回弹的关键因素。回弹后零件厚度方向的应力分布状态较为复杂，其分布状态如图4所示。应力无法抵消，回弹也无法消除，但可以预测改善。在预测回弹趋势的基础上进行反向补偿，Dynaform 有限元分析软件可较好地预测冲压回弹问题。

为准确描述这类计算模型的应力分布，在Dynaform软件分析中必须选用16#单元方程全积分单元，积分点必须采用7 个积分点进行全工序模拟计算。另外，由于离合器盖成形的回弹，主要以凸缘部分的惯性释放为主。所以在弹性约束的选取上，需选择惯性释放。结果分析见表3，表中通过零件的截面线变化来判定回弹状态的特性。

经对比分析，尽管在具体数值上，数值模拟结果与实际检测存在一定差异，但回弹趋势与补偿方向还是能给予比较好的指导作用。我们可以根据计算结果结合生产经验，在实际调试过程中适当调整补偿量，同等情况下，经数值计算可以节约调试时间。

表3 模面回弹补偿前与补偿后对比试模结果

表4 数值模拟修边线与试模效果对比

坯料计算

由于该零件成形型面比较复杂，成形过程也不是单纯的一种变形形式。对其成形前落料坯料的计算，既不能按单纯的拉深计算，也不能按单纯的折弯计算。而是一个拉深、胀形、局部挤压和弯曲的综合体。材料的流动形式也复杂难测，传统的手工计算误差结果与实际开模尺寸相差很大，需要经多次试模，反复修改。但在CAE 数值仿真环境下，通过迭代计算，对这个传统难题给出了比较好的解决方案。

首先，需要在三维环境下将产品成形零件所需要达到的理想边界线进行三维数据的建模。并将三维模型导入Dynaform 分析软件，导入状态如图7 中“目标线”所示。

图7 坯料计算模型

在已经完成优化后的成形分析模型上，再次按成形工序的分析要求建立数值分析模型。完成设置后提交“坯料&修边线优化”计算任务，并按提示必须依次对应地选取坯料线、修边线和目标线的对应关系。完成选取后，再设定计算参数。一般迭代次数设置为5 次，精度误差按工艺公差确定。工艺设置完成后提交计算，便能得到比较接近理想坯料的原始坯料线。

按工程使用经验，用首次计算的坯料线为计算基础，经三维软件简化后再次提交仿真软件计算，逐步提高计算的误差精度，更容易计算出逼近开模尺寸的坯料线。因为如果首次计算的精度误差设置的太小，可能导致运算无法收敛而报错。所以首次计算的精度误差不能设置太小，一般按一倍料厚设定，再逐步提高计算的精度误差。这种计算方法已在同类零件中得到验证，效果较好。表4 为该同类零件两次迭代计算效果对比首次试模结果。

结束语

通过Dynaform 数值模拟技术有助于提高冲压工艺设计的准确率，降低模具的调试成本。在模型设计中，采用36#材料模型可以比较准确地预测厚板成形的开裂、皱折等冲压工艺缺陷。对于厚板的回弹分析，可以预测回弹趋势，但对于数值的精确计算还需要继续探索提升。对于修边的优化分析，坯料外轮廓为板料线，内轮廓为修边线，结合三维软件的修整技术，分别经两次建模，两次迭代计算，修边线的数值计算精度可以精确到0.5T。