1引言

　　汽車覆蓋件多為空間自由曲面，具有結(jié)構(gòu)尺寸大，形狀復(fù)雜，材料薄等特點(diǎn)，大多采用薄板沖壓成形。成形過(guò)程涉及幾何非線性，材料非線性和復(fù)雜的接觸摩擦問(wèn)題。傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方法難以預(yù)先估計(jì)板料成形過(guò)程中板料的成形性和模具設(shè)計(jì)的正確性。模具設(shè)計(jì)和制造多是通過(guò)試模法進(jìn)行逐步修改，直到滿足要求為止。這種方法生產(chǎn)周期長(zhǎng)，效率低，消耗大量人力物力，而且對(duì)工人技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)要求比較高。隨著有限元技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，基于數(shù)值模擬的技術(shù)(CAE)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用不斷深入，尤其是板料成形分析軟件的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，使沖壓模具設(shè)計(jì)和加工定量化，因此，加快了沖壓工藝方案的確定，最終得到理想的沖壓參數(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動(dòng)化，節(jié)省物質(zhì)資源，減少對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴，降低對(duì)技術(shù)工人的要求。

　　2數(shù)值模擬軟件AUTOFROM

　　采用的模具CAE技術(shù)為板料成形分析軟件AutoForm。AutoForm軟件是由德國(guó)AutoForm工程股份有限公司專門針對(duì)汽車工業(yè)和金屬成形工業(yè)中的板料成形而開(kāi)發(fā)的，用于優(yōu)化工藝方案和進(jìn)行復(fù)雜型面的模具設(shè)計(jì)，在工藝切口和修改凹模圓角方面有其獨(dú)到優(yōu)勢(shì)。特別適合于復(fù)雜的深拉延和拉深成形模的設(shè)計(jì)，沖壓工藝和模面設(shè)計(jì)的驗(yàn)證，成形參數(shù)的優(yōu)化，材料與潤(rùn)滑劑消耗的最小化，新板料(如拼焊板、復(fù)合板)的評(píng)估和優(yōu)化。

　　AutoForm的主要模塊有用戶界面、自動(dòng)網(wǎng)格劃分、一步成形、模面設(shè)計(jì)、增量求解、切邊、液壓成形。AutoForm使用了許多現(xiàn)代模擬技術(shù)：應(yīng)用新的隱式有限元算法保證求解的迭代收斂;采用自適應(yīng)網(wǎng)格、時(shí)階控制、復(fù)雜工具描述的強(qiáng)有力接觸算法、數(shù)值控制參數(shù)的自動(dòng)決定和使用精確的全量拉格朗日理論等保證求解快而且準(zhǔn)確。AutoForm對(duì)模擬結(jié)果融合了許多有效的解釋：可以實(shí)時(shí)地觀測(cè)計(jì)算結(jié)果;可觀測(cè)應(yīng)力、應(yīng)變和厚度分布、材料流動(dòng)狀況;可計(jì)算工具應(yīng)力、沖壓力;可實(shí)現(xiàn)材料標(biāo)記、法向位移的標(biāo)識(shí);可生成對(duì)破裂、起皺和回彈失效進(jìn)行判定的成形質(zhì)量圖以及成形極限圖;還可進(jìn)行動(dòng)畫顯示和截面分析等閉。

　　3 AUTOFORM的覆蓋件拉延模具設(shè)計(jì)

　　汽車覆蓋件模具CAD/CAE/CAM的設(shè)計(jì)流程圖，如圖1所示。

　　圖1覆蓋件成形模擬及模具設(shè)計(jì)流程

　　在通用的CAD軟件中進(jìn)行產(chǎn)品造型，然后通過(guò)IGES、STL等格式文件導(dǎo)入CAE軟件中進(jìn)行分析，CAE分析優(yōu)化完成后提取模具的幾何信息用數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入CAM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加工昀。以某汽車覆蓋件為例，用CAD/CAE協(xié)同設(shè)計(jì)進(jìn)行拉延模設(shè)計(jì)，在Windows平臺(tái)下采用NX4.0和AUTOFORM軟件實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)方法。

　　3.1零件特點(diǎn)及網(wǎng)格劃分

　　產(chǎn)品，如圖2所示。采用NX4.0依據(jù)圖紙進(jìn)行三維CAD數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建。零件材料DC56，料厚1.5mm，外形不規(guī)則，曲面比較明顯，拉伸面比較深，側(cè)面垂直平面與曲面的轉(zhuǎn)角處以及垂直與側(cè)面封閉的面形成的區(qū)域鏈接部分，圓角半徑很小，平面度要求高，零件有3個(gè)長(zhǎng)腰孔，一個(gè)不規(guī)則孔，一個(gè)六邊形孔，整個(gè)零件精度要求比較高。

　　圖2某汽車覆蓋件三維圖

　　為盡量減少可能產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤和丟失，在UG軟件中抽取出零件表面并以.iges格式文件導(dǎo)出，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的IGES數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，將幾何模型讀入AUTOFORM軟件，用BT殼單元對(duì)幾何模型進(jìn)行離散。進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立零件的有限元網(wǎng)格模型。

　　3.2沖壓方向的確定

　　沖壓方向的確定是拉延工序設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。它表示拉深件在模具中的空間位置，它不但決定能否拉延出合格的覆蓋件，而且影響到工藝補(bǔ)充部分的多少、壓料面的形狀以及拉延后各個(gè)工序(如整形、修邊、翻邊等)的設(shè)計(jì)方案。該零件在拉延模中確定的沖壓方向，如圖3所示。

　　圖3沖壓方向

　　3.3創(chuàng)建壓料面與工藝補(bǔ)充部分

　　為了實(shí)現(xiàn)拉延，對(duì)零件以外增加而又在后續(xù)工序中切掉的部分，主要起工藝補(bǔ)充的作用，工藝補(bǔ)充是零件能夠成型的必不可少手段，它不僅決定了零件能否成形，要求拉延成型時(shí)材料變形充分，又不能拉裂導(dǎo)致零件的報(bào)廢或因起皺而導(dǎo)致零件不光滑、不平整，這就要靠工藝補(bǔ)充來(lái)進(jìn)行控制。壓料面是工藝補(bǔ)充的另—部分。建立壓料面時(shí)，要保持原零件部分壓料面與工藝補(bǔ)充部分壓料面的光順。使材料在拉延過(guò)程中便于向凹模內(nèi)流動(dòng)，并防止毛坯在壓料過(guò)程中就產(chǎn)生起皺現(xiàn)象：確定的工藝補(bǔ)充數(shù)學(xué)模型，如圖4所示。

　　圖4工藝補(bǔ)充數(shù)模圖

　　3.4建立拉延筋

　　如果汽車覆蓋件形狀比較復(fù)雜，拉延成形難度大，在拉延模設(shè)計(jì)中，廣泛采用在壓料面中設(shè)置拉延筋，調(diào)節(jié)各部位的進(jìn)料阻力，減少凹陷波紋等缺陷產(chǎn)生。考慮到此零件形狀較簡(jiǎn)單，先不設(shè)置拉延筋，待進(jìn)行沖壓成形有限元模擬后若出現(xiàn)起皺或成形不良現(xiàn)象再根據(jù)隋況設(shè)置。

　　4數(shù)值模擬過(guò)程及結(jié)果分析

　　該覆蓋件要經(jīng)過(guò)拉延、切邊、翻邊、整形、沖孔等工序。對(duì)幾何精度、表面光潔度要求較高，因此在全套模具設(shè)計(jì)中拉延工序最為重要，也是難度最大的。工藝設(shè)計(jì)不當(dāng)常常會(huì)產(chǎn)生拉裂、起皺等缺陷，給模具調(diào)試造成較大的難度。采用AUTOFORM仿真軟件模擬板料成形的全過(guò)程，及時(shí)預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的拉裂、起皺缺陷，為完善模具設(shè)計(jì)方案或修模提供依據(jù)。如圖5所示，建立的成形模擬的幾何模型。根據(jù)所構(gòu)建的模型，并結(jié)合實(shí)際工藝參數(shù)進(jìn)行了成形模擬仿真。

　　圖5成形模擬的幾何模型

　　(1)凹模與壓料圈閉合時(shí)毛坯的形狀，此階段成形沖壓件凸緣處，如圖6所示。從圖6中可見(jiàn)毛坯光順，沒(méi)有皺紋，說(shuō)明壓料面的形狀設(shè)計(jì)合理，壓料面的形狀對(duì)拉延成形十分有利。

　　圖6凹模與壓料圈閉合時(shí)板料的形狀

　　(2)拉延過(guò)程中的板料—狀態(tài)，如圖7所示。從圖7可見(jiàn)，毛坯變形均勻，沒(méi)有出現(xiàn)大的皺紋，沒(méi)有破裂現(xiàn)象發(fā)生。通過(guò)觀察拉延過(guò)程中每瞬間的狀態(tài)，可判斷材料的流動(dòng)趨勢(shì)，對(duì)確定沖壓工藝參數(shù)(如毛坯的大小，拉深筋的形狀、位置等)起到十分重要的作用。

　　圖7拉延中間過(guò)程板料的形狀

　　(3)拉延結(jié)束時(shí)，拉延件的成形性云圖，如圖8所示。藍(lán)色表示變形充分，形成性好;綠色表示變形不充分;紅色表示拉裂趨勢(shì)。從圖中可以看出零件凸緣兩個(gè)凸角處會(huì)容易發(fā)生拉裂，其它大部分區(qū)域成型性良好。

　　圖8拉深結(jié)束拉深件成形性云圖

　　(4)拉深件的厚度變化云圖，如圖9所示。分析每一點(diǎn)厚度的變化率，即板料厚度變化值與料厚的比值。如圖所示修邊線以內(nèi)的區(qū)域變薄率小于21%非常安全，不會(huì)破裂，變薄率最大為20.4%(在凸緣凸角處)。由圖9可以看出，零件材料厚度有變化。而拉延模只是初成形工序，所以在制作拉延模時(shí)，為了避免或減少拉延件的拉裂(此區(qū)域厚度變薄)，可以在容易拉裂的區(qū)域通過(guò)修改拉延件的數(shù)學(xué)模型，稍微放大該處的圓角半徑，問(wèn)題就可以解決。

　　圖9板料厚度變化云圖

　　(5)覆蓋件分析結(jié)果的成形極限圖(FLD)，如圖10所示。FLD綜合反映了板料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)生塑性失穩(wěn)斷裂破壞的情況。根據(jù)有限元模擬結(jié)果顯示的FLD圖，可以迅速找出破壞的區(qū)域，采取相應(yīng)措施改變局部受力狀態(tài)，提高其成形性能。由圖10可以看出絕大部分的點(diǎn)都在曲線的下方，且有一定的距離，說(shuō)明沒(méi)有破裂的情況發(fā)生，處于安全變形區(qū)，但仍有少量點(diǎn)在曲線上方附近(靠近曲線)，說(shuō)明此處存在破裂可能，分析后此處為凸緣凸角處，主要原因?yàn)榻遣繎?yīng)變較大，表明在現(xiàn)有工藝條件下圓角半徑不合理，通過(guò)修改模具結(jié)構(gòu)，破裂問(wèn)題可以解決。

　　圖10成形極限圖

　　5結(jié)束語(yǔ)

　　結(jié)合實(shí)例，介紹了汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)過(guò)程。通過(guò)CAD和CAE技術(shù)集成進(jìn)行仿真分析，在有限元分析軟件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了覆蓋件模具設(shè)計(jì)及優(yōu)化，有效解決了模擬后的模具形狀參數(shù)化調(diào)整問(wèn)題，不但節(jié)省了大量時(shí)間，而且也能保證模擬順利進(jìn)行，提高了設(shè)計(jì)可靠性。