文/孫立民·一汽吉林汽車有限公司技術(shù)部沖壓技術(shù)室

CAE技術(shù)在高難度成形件工藝策劃方案中的應(yīng)用

文/孫立民·一汽吉林汽車有限公司技術(shù)部沖壓技術(shù)室

CAE（Computer Aided Engineering）是一種用計(jì)算機(jī)來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品或零件的性能、功能和安全性進(jìn)行仿真的技術(shù)。CAE是一種工具，它能對(duì)各種形式的方案用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)進(jìn)行分析，并提出最優(yōu)解決方案。

我公司新開(kāi)發(fā)的某款車型的后橫梁（圖1）是一個(gè)成形難度很大的沖壓件（材質(zhì)為ST14，厚度為1.0mm）。在產(chǎn)品前期的設(shè)計(jì)評(píng)審過(guò)程中，中外雙方的沖壓工藝專家一致認(rèn)為該零件的沖壓成形難度極大。由于該零件的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、匹配等方面的制約，產(chǎn)品設(shè)計(jì)又不能進(jìn)行相應(yīng)的更改，這給此沖壓件的沖壓工藝規(guī)劃方案設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大難度。該沖壓件成形的難點(diǎn)關(guān)鍵在兩端頭部位，如圖2所示，A部位開(kāi)裂，B部位起皺，C部位疊料。此零件在樣車試制時(shí)采用的是簡(jiǎn)易快速成形模具拉延成形，其表面質(zhì)量存在的缺陷與上述判斷基本吻合（圖3）。

圖1 某款車型的后橫梁

圖2 沖壓成形難點(diǎn)

圖3 表面質(zhì)量缺陷

韓國(guó)CAE模擬分析情況

負(fù)責(zé)白車身沖壓件工藝性評(píng)審的韓國(guó)某公司專家對(duì)該零件進(jìn)行了成形性模擬分析，擬定了不同的幾種方案，但效果都不理想。上述幾種缺陷一直消除不了，特別是角部開(kāi)裂的問(wèn)題比較嚴(yán)重，韓國(guó)專家對(duì)該件沒(méi)有好的解決方案。一次拉延，矩形料片的開(kāi)裂（紅色部分）現(xiàn)象非常嚴(yán)重（圖4）。一次拉延，落料料片局部開(kāi)裂（紅色部分）未解決（圖5）。二次拉延結(jié)果（圖6）：局部改變?cè)煨停謨纱卫?，角部的開(kāi)裂（紅色）和上部的疊料（藍(lán)色）、起皺（淺藍(lán)色）仍未消除。成形過(guò)程中，料片有嚴(yán)重的疊料趨勢(shì)（圖7），最終導(dǎo)致拐角處（圖2，C處）疊料及起皺（圖2，B處）嚴(yán)重。

圖4 一次拉延矩形料片結(jié)果

吉林汽車CAE技術(shù)應(yīng)用攻關(guān)概要

為解決這個(gè)難成形件的技術(shù)難題，我們利用AutoForm4.2軟件進(jìn)行CAE模擬攻關(guān)，采用如下解決方案及措施。

底角開(kāi)裂問(wèn)題解決方案

首先解決底角（圖2，A處）開(kāi)裂問(wèn)題，具體方案如下：

圖5 一次拉延落料料片結(jié)果

圖6 二次拉延結(jié)果

圖7 成形過(guò)程情況

（1）改造兩端頭幾何形狀，使其首次拉延成形容易，二次整形不開(kāi)裂。如果不對(duì)兩端頭形狀進(jìn)行改造，用原產(chǎn)品形狀造型拉延，其最終結(jié)果如圖4所示。因此，如何合理地改造端頭形狀進(jìn)行拉延成形是保障圖2A部不開(kāi)裂的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)反復(fù)模擬，我們對(duì)端頭部位進(jìn)行了局部變形，如圖8所示。

圖8 改造后結(jié)果

圖9 確定合適的毛坯尺寸及形狀

圖10 采取措施后結(jié)果圖

圖11 矩形毛坯底角部位開(kāi)裂現(xiàn)象

圖12 常規(guī)各拉深階段圖解

（2）確定合適的毛坯尺寸及形狀。拉延板料的尺寸形狀對(duì)下底角部的成形也有明顯影響，經(jīng)過(guò)多次試運(yùn)算，找到了比較合適的板料毛坯尺寸（圖9）。通過(guò)采取以上主要措施，再加上拉延筋參數(shù)的反復(fù)優(yōu)化，初步解決了下部底角開(kāi)裂的問(wèn)題，如圖10所示。當(dāng)拉延板料為矩形毛坯時(shí)，一次拉延后，底角部位有開(kāi)裂現(xiàn)象出現(xiàn)，見(jiàn)圖11。

上部起皺、疊料問(wèn)題解決方案

按常規(guī)的拉延方法，拉延件的幾何形狀決定了在拉深過(guò)程中注定要產(chǎn)生起皺、疊料（圖2B、C處），從圖12的各拉深階段圖解中可以看到這些現(xiàn)象。具體解決辦法如下：

（1）非常規(guī)拉延法。為減輕拉深階段的板料起皺問(wèn)題，在拉延過(guò)程中采用了非常規(guī)拉延，在凹模內(nèi)增加壓料塊（Pad）， 即在拉深階段，壓料塊（Pad）始終與凸模（Punch）將板料（Blank）緊緊夾住，控制其起皺及疊料趨勢(shì)，效果非常好，見(jiàn)圖13。非常規(guī)各拉深階段圖解見(jiàn)圖14。從圖中我們可以看出，與不增加壓料板（Pad）的各階段圖像比較可以看出差別明顯，后者的成形效果好，見(jiàn)圖15。為更好解決（B部）的起皺問(wèn)題，我們給產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門提出增加吸料凹坑的設(shè)計(jì)變更申請(qǐng)（ECR）。

（2）上翻邊整形法。凸模先升起一定距離，拉延件放置其上，在上模將件壓緊后，二者一起下行，上翻邊刀塊將兩端改造后的局部形狀最終整形到位，原理見(jiàn)圖16。

圖13 非常規(guī)拉延

圖14 非常規(guī)各拉深階段圖解

后橫梁工藝策劃方案的確定

在做了大量的CAE模擬分析工作后，后橫梁的沖壓成形方案確定如下：落料（BL）→拉延（DR）→修邊（TR+PI）→整形（REST）→沖孔、側(cè)沖孔（PI+C-PI）。

圖15 非常規(guī)拉延成形效果

結(jié)束語(yǔ)

后橫梁端頭成形具有典型性，現(xiàn)在為考慮整車車身的剛度、強(qiáng)度需求，很多零件的搭接匹配都有類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。后橫梁端頭成形的CAE模擬分析案例，可以起到拋磚引玉的作用，為類似零件的工藝方案設(shè)計(jì)提供了一種比較好的解決方案。從另一個(gè)角度也說(shuō)明，先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助分析（CAE）技術(shù)，是沖壓技術(shù)工作人員必須掌握的技藝。

孫立民，沖壓技術(shù)主管、高級(jí)工程師。專業(yè)方向：汽車覆蓋件沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)。

圖16 上翻邊整形法原理圖