汽车冲压模具设计：汽车覆盖件冲压数值模拟分析及参数优选

wlr6688 2019-11-15

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摘要：汽车覆盖件由于其尺寸大、厚度薄和形状复杂，在冲压生产过程中易产

生各种质量问题。为快速评估设计中的质量问题，及早将设计缺陷消灭在萌芽状态之中，本文以典型汽车后围零件为例，进行了基于DYNAFORM软件的冲压过程的模拟分析，得出了FLD图、应力分布图和板料减薄图，通过这些分析结果评估了设计质量，及时更正了不合理的设计。并通过优选工艺设计，得到了最佳冲压工艺参数，有效地指导了生产。

1 引言

汽车覆盖件属薄板冲压件，因其面积大、厚度薄、变形复杂，给实际加工带来很多困难。以往汽车件冲压模具生产多是通过试差法进行逐步修改，直到满足要求为止。这种方法使生产周期长，效率低，消耗大量人力、物力，而且对工人技术水平和经验要求都比较高。而今，随着有限元技术和计算机技术的高速发展，尤其是冲压模拟软件的开发和应用，使得冲压模具设计、加工定量化。结合经验，加快了冲压工艺方案的确定，最终得到理想的冲压参数，实现设计自动化，节省了物质资源；减少了对经验的依赖，降低了对技术工人的要求。

目前，由于模拟软件可广泛应用于钣金，冲压模具领域等而受到企业青睐[1~3]，而且很多高校都在进行这方面的研究[4~6]。但是，我国起步较晚，对大型汽车覆盖件方面的数值分析报道较少。本文针对大型覆盖件进行模拟分析应用研究。

2　数值模拟分析步骤

本研究采用DYNAFORM软件进行数值模拟分析。该软件具有强大的前处理功能，保证在数据导入与导出时不丢失；并具有精确的分析计算模块和完善的后置处理功能，LS-DYNA为核心的计算模块能为计算结果提供精确的数据；图形化后处理模块可以直观地反映出应力、位移、厚度的变化情况。

数值模拟分析流程图如图1所示。（前置和后置两部分在框图里分别标示出来）分为前置处理和后置处理两个主要部分。在前置处理模块DFE中，首先读入用户提供的数学模型，软件DYNAFORM可以直接读入UG、CATIA和Pro/E等数学模型（框图里的UG、CATIA和Pro/E去掉，避免重复）。然后对数学模型进行有限元的划分、检查、修改、重分和优化，再进行数学模型的边界、单元法向一致、锁模等检查，根据工艺和实际加工确定冲压方向，创建凹模和压料面，进行工艺补充，并在压料面上创建拉延筋。之后，对凹模和工艺补充部分进行展开获得毛坯的初始形状，优化后划分网格。最后定义凹模、凸模、压料面、毛坯等部件，定义拉延力，摩擦系数，拉延筋的等效数学模型，再进行模拟分析，然后根据分析结果进行工艺参数的优化，确定工艺方案。(下图应插入一个文本框中,否则不好移动，也不能修改，将箭头改一下，太大)

3　拉延模拟分析的前置处理

以典型汽车覆盖件中的后围零件为例进行拉延模拟分析。首先将零件数字模型的IGES格式文件导

入DYNAFORM中，如图2所示。（所有图都太大．改成图２这么大．图要跟在文字后面，图片以后都设置成四周型，否则移不动你的图，）

该零件板料为SPCN4-N，厚0.6mm，长度大于1434mm，属于复杂薄料成形，有一定的成形难度。根据生产编制工艺路线为拉延→切边校形→冲孔、侧冲→翻边（注意排版时箭头要串位）。最终零件的质量如何，关键在第一步的拉延工序。在拉延模拟分析前先进行网格划分，共划分5275个单元，然后进行模型边界检查、锁模检查和法向一致性检查等一系列的网格划分的合理性检查，最后将冲压方向调整为Z轴，且绕Y轴旋转4°方向，以保证与机床冲制方向一致。

考虑到冲压成形时板料的流动方向和流动速度均衡原则，以及易于成形和加工的原则[8]，建立压料面和工艺补充面（颜色为绿色），取凹模圆角半径rd=10mm。利用DYNAFORM的BSE功能，从CAD数模和工艺补充部分估算出毛坯的初始形状，修改后最终得到矩形毛坯和尺寸。在压料面上创建等效拉延筋，拉延筋形状为圆形，半径为5mm。采用Single-action拉延方式，自上而下分别是凹模，毛坯，压料面和凸模，如图3所示模具组合图。

工作时凹模下行，和压料面接触后，压住毛坯一起向下运动，直到凸凹模充分闭合，整个过程中凸模处于静止状态。根据冲压手册，取压料面顶出气压为3MPa，计算得压边力约为62000N。取摩擦系数为0.1，板料采用3-PARAM材料模型，设置冲压速度和合模速度，进行模拟分析，结果如图4所示。

4拉延模拟分析的后置处理及参数优选

4.1 冲压模拟结果分析

从图4中的FLD图得出板料在冲压结束后出现严重的拉裂现象(红色显示区)，从动态显示文件d3plot得知，出现拉裂的最初位置在难成形工艺补加区，如图5所示。（图５箭头串位了，文字重写）主要是板料在此处经过弯曲—反弯曲变形后，容易使板料所受屈服力超过了板料本身的屈服极限而出现破裂。为了维持产品形状，减少工序数，必须将此处工艺补加部分进行优化，提高板料流动补给能力。同时，压边力和拉延筋设置过大，限制了板料的流入，需要优化。毛坯的四角处因产生较大的压应力而起皱，亦影响了板料的流入，因此也需要优化。

4.2 冲压参数优选

通过以上分析，需要增加工艺补充部分的过渡圆角半径，由原来的R=10mm改为R=15mm，其余部分改为R=12mm，将凹模圆角增加到rd =15mm，并将凹模口线平滑过渡，便于板料的流入，如图5所示。同时，降低拉延筋等效拉延力数学模型为60%，增大润滑，减小板料流入阻力。将板料进行四个角变成90×130mm处理，如图6所示，（此图怎么少右侧？）根据应力与应变的关系，有利于板料流入时压应力向拉应力转化，提高成形性。