启飞汽车

摘要
 
    针对汽车覆盖件冲压模具设计的复杂性, 结合当前的CAE技术, 以汽车顶盖后横梁作为研究对象, 提出了一种覆盖件冲压模具快速设计方法。利用Auto Form软件对冲压过程中的拉深、翻边等工序进行模拟, 找到冲压模具设计中存在的缺陷。通过正交实验法对不同冲压模具设计的参数进行优化, 并通过仿真模拟的方式对参数优化结果进行模拟。通过上述设计, 为汽车覆盖件冲压模具设计提供了一种新的方法, 为汽车模具设计提供了参考。
    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。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: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。
 
一、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

 
二、全工序成形模拟
 
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900 mm×200 mm×80 mm。
 
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Auto Form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。
 

 
图2 汽车顶盖后横梁结构图

 
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Auto Form有限元软件中, 对变形拉力的数值模拟可采取2种方式:
    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15 mm, 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。
 
三、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。
 

 
图3 后横梁修边冲孔位置图

 
    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4 拉延件成形性能图

 
四、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, 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。
 
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
 

 
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Auto Form有限元软件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7 mm、压边力为700 k N以及模具间隙为0.6 mm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Auto Form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

 
五、结论
 
    1)运用Auto Form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Auto Form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。
 
作者：韩佳  马艳  来源：小型内燃机与车辆技术

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