蔣 磊 李十全 王 龍 王大鵬 張雄飛 沈軍奇

（東風本田汽車有限公司新車型中心，湖北 武漢 430056）

汽車覆蓋件沖壓模具開發(fā)難度大、制造周期長，一般從設計開始到最終調(diào)試交付需要12～16個月，其中，對于成形工藝的設計校核、仿真驗證以及穩(wěn)健性優(yōu)化就需要耗費2～3個月。而成形工藝的設計又是整個沖壓模具設計的核心，因此，合理的成形工藝是降低沖壓模具開發(fā)難度，縮短沖壓模具制造調(diào)試周期的關鍵。在眾多汽車覆蓋件中，側(cè)圍外板是產(chǎn)品尺寸最大、形狀最為復雜、負角結構最多的零件，同時，也是成形難度最大、開發(fā)周期最長、制造成本最高的零件[1?2]。如何實現(xiàn)側(cè)圍外板成形工藝的快速穩(wěn)健是汽車覆蓋件沖壓模具開發(fā)所面臨的一大難題。

模面工程（die face engineering,DFE）技術是模具型面設計以及實現(xiàn)的一項技術。近年來，隨著CAD/CAE協(xié)同技術在沖壓模具開發(fā)中的廣泛應用以及有限元法（finite element method，F(xiàn)EM）的不斷完善，模面工程技術也日益進步。相關研究表明，運用模面工程技術能夠充分識別汽車覆蓋件的可制造性問題，并能快速確定成形工藝方案，提高汽車覆蓋件沖壓模具設計效率。趙夫超[3]等采用CAE技術全程驅(qū)動制件的模面設計，快速制作了側(cè)圍外板的拉延模面，從而獲得了較好的成形仿真效果；侯小剛[4]等通過實施模面工程技術，對側(cè)圍外板的工藝模面進行強壓、隆起及凹模型面研配補償?shù)染毣幚?，提升了模具的研配質(zhì)量；程鵬[5]等利用正交試驗與模面工程相結合的方式，優(yōu)化了鋁合金機艙蓋外板工藝模面關鍵截面參數(shù)，解決了鋁合金機艙蓋外板拉延開裂和起皺問題；蔣磊[6]等借助CAD與CAE互相回饋的模面工程技術，基于設計與仿真結果的響應，對產(chǎn)品結構和成形工藝進行同步優(yōu)化，從而在產(chǎn)品開發(fā)前期規(guī)避了相應的品質(zhì)不良風險，降低了后期修模工作量和試模次數(shù)。胡玉明[7]等在Dynaform軟件中基于模面工程技術快速構建了鋁合金側(cè)圍外板的工藝模面，并通過拉延筋和坯料線調(diào)整，緩解了鋁合金側(cè)圍外板門洞開裂現(xiàn)象。目前，基于模面工程的汽車覆蓋件成形工藝設計流程與方法已經(jīng)基本固化，但在斷面參數(shù)驅(qū)動工藝模面智能設計方面的研究相對較少，導致側(cè)圍外板這種高難度的汽車外覆蓋件成形工藝設計效率仍然較為低下。

因此，本文以某SUV車型側(cè)圍外板沖壓模具開發(fā)為例，通過對產(chǎn)品進行沖壓可行性分析，確定側(cè)圍外板全工序成形工藝方案，在應用傳統(tǒng)模面工程技術的基礎上，引入基于斷面參數(shù)的定制化設計理念，降低沖壓工藝設計試錯率，取消以往需要在成形仿真軟件中反復調(diào)整工藝模面的工作，從而為側(cè)圍外板沖壓模具短周期、低成本開發(fā)提供理論與實踐依據(jù)。

1 全工序成形仿真原理

基于模面工程的全工序成形仿真原理主要包括以下步驟：（1）產(chǎn)品工藝性分析，結合產(chǎn)品結構特點對產(chǎn)品各部位進行成形區(qū)域劃分，工序內(nèi)容相同或者近似相同的部位歸納至同一成形區(qū)域；（2）工藝模面斷面參數(shù)設定，利用多車型同類產(chǎn)品工藝模面數(shù)據(jù)提煉各成形區(qū)域典型斷面，并確定斷面參數(shù)取值范圍；（3）拉延序模面設計，首先確定沖壓中心和沖壓方向，然后基于斷面參數(shù)分別對各成形區(qū)域進行壓料面、工藝補充面以及拉延筋設計，并確定分模線和坯料線；（4）拉延序模面校核，將拉延序模面導入AutoForm軟件，求解驗證拉延序工藝可行性，并根據(jù)成形仿真結果優(yōu)化拉延序工藝模面；（5）后工序模面設計，依次為沖壓方向設定、修邊線展開、廢料刀布局、廢料流向設計、翻邊模面設計、整形模面設計、沖孔設計[8]和斜楔角度設計等；（6）后工序模面校核，在拉延序成形仿真的基礎上添加后工序有限元模型，求解驗證后工序工藝可行性，并根據(jù)成形仿真結果優(yōu)化后工序工藝模面。基于模面工程的全工序成形仿真原理如圖1所示。

圖1 基于模面工程的全工序成形仿真原理

2 產(chǎn)品工藝性分析

側(cè)圍外板作為車身上最重要的外覆蓋件，與前風擋、翼子板、頂蓋、車門、后三角窗、加油口蓋、尾門、尾燈、后保、裙邊飾板以及輪眉飾板等多個零件存在搭接或配合關系，結構強度與尺寸精度要求較高[9]。圖2為東風本田某SUV車型側(cè)圍外板幾何模型，產(chǎn)品外形尺寸長、寬、高為2 973 mm×316 mm×1 286 mm，料厚t=0.65 mm，材質(zhì)為JAC270D-45/45，等同于寶鋼DC54D+ZF，屬于一種熱鍍鋅鐵合金鍍層板，合金鍍層中鐵含量通常為8%～15%，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和焊接性能。根據(jù)產(chǎn)品結構特點，對成形區(qū)域進行分類，將結構相近和成形工藝相似的區(qū)域統(tǒng)合為一類，從而得到如圖2所示的11個成形區(qū)域，依次為前風擋區(qū)域A、頂蓋區(qū)域B、尾門區(qū)域C、尾燈區(qū)域D、后保區(qū)域E、輪轂區(qū)域F、裙邊與前立柱區(qū)域G、前門區(qū)域H、后門區(qū)域I、三角窗區(qū)域J、加油口區(qū)域K。在這11個成形區(qū)域中，D區(qū)域為簡單翻邊結構，F(xiàn)和G區(qū)域為普通修邊結構，H、I、J和K區(qū)域為單純整形結構，成形工藝相對簡單，采用常規(guī)的“過拉延+修邊+翻邊+整形”即可完成成形。A、B、C、E區(qū)域存在多級小圓角臺階狀的復雜負角翻邊結構，需要采用大整形量的過拉延成形工藝，且后工序的側(cè)翻邊、側(cè)整形型面起伏大、成形過程中線長變化不可控，極易產(chǎn)生開裂或起皺缺陷，工藝設計難度較大。分析可知，側(cè)圍外板成形工藝性合理與否主要取決于A、B、C、E這4個難點區(qū)域，而在全工序成形工藝中，拉延工藝又屬于重中之重。因此，以下分別對A、B、C、E區(qū)域基于模面工程的斷面參數(shù)的快速確定進行詳細闡述。

圖2 某SUV車型側(cè)圍外板幾何模型

3 工藝模面斷面參數(shù)設定

3.1 A區(qū)域工藝模面斷面參數(shù)設定

A區(qū)域由大曲率圓弧A面和多級臺階安裝結構面構成。A面部分需要在拉延序一次成形到位，安裝結構面為負角造型，且小圓角特征較多，需要在拉延序先將負角結構以翻邊線為旋轉(zhuǎn)軸，向外旋轉(zhuǎn)一定角度，并將臺階面展開，使其在沖壓方向下保持5°～10°的拔模角，然后在后工序利用斜楔機構進行一次或多次側(cè)翻邊、側(cè)整形，從而最終獲得與產(chǎn)品結構一致的形狀。車身覆蓋件在拉延成形后一般都會產(chǎn)生一定的內(nèi)縮式回彈，為了避免因拉延件向內(nèi)收縮而導致零件與后工序模具型面干涉，在進行拉延工藝模面設計時需設定1 mm的拉延放大量。綜合考慮材料利用率最大化和模具改修裕度，將修邊線與凸模圓角切點之間的距離設定為3～5 mm。后工序的側(cè)翻邊、側(cè)整形斜楔機構工作角度和產(chǎn)品安裝結構面的第一、二立壁近似平行，在后工序成形時，第一、二立壁以及兩立壁之間的臺階的成形以翻邊為主，其余特征的成形則以整形為主。對于翻邊而言，為了保證A面和棱線品質(zhì)，在成形過程中原則上不允許發(fā)生拉伸變形，因此，對于A區(qū)域安裝結構面的第一、二立壁以及兩立壁之間的臺階在拉延序和翻邊、整形序的截面線長應盡量保持不變，或使拉延序的截面線長略小于翻邊、整形序的線長。A區(qū)域工藝模面詳細結構與尺寸參數(shù)圖3所示。

圖3 A區(qū)域工藝模面斷面圖

3.2 B區(qū)域工藝模面斷面參數(shù)設定

B區(qū)域與A區(qū)域類似，同樣由大曲率圓弧A面與多級臺階結構安裝面構成，故其工藝模面斷面參數(shù)亦與A區(qū)域大同小異，差異主要集中于二次沖擊線防止方面。由于B區(qū)域負角法蘭長度相對于A區(qū)域較短，成形深度和工藝補充面均少于A區(qū)域，沖擊線更容易流入外觀面。通常解決車身覆蓋件沖擊線的策略為增大成形深度以及設計更多的工藝補充面，這種方法雖然在一定程度上可以遏制沖擊線向產(chǎn)品外觀面滑動，但是往往會帶來開裂風險上升和材料利用率降低等其他問題。為了實現(xiàn)品質(zhì)與成本的平衡，對于B區(qū)域二次沖擊線的防止，本文提出一種線長控制法，對凸模觸料點與工藝補充面第二立壁之間的板料線長加以控制，使其大于凸模觸料點與翻邊線之間的產(chǎn)品截面線長，并在此基礎上驅(qū)動工藝補充面結構與尺寸參數(shù)設計。B區(qū)域工藝模面詳細結構與尺寸參數(shù)圖4所示。

圖4 B區(qū)域工藝模面斷面圖

3.3 C區(qū)域工藝模面斷面參數(shù)設定

C區(qū)域由大面積曲率較小的A面以及長法蘭構成，拉延成形時A面部分的變形以拉延應變?yōu)橹?，當負向應變超出臨界值時即會導致外觀面產(chǎn)生畸變，從而帶來面品缺陷以及回彈等問題。因此，在設計C區(qū)域的拉延工藝模面時，一方面應在不影響材料利用率的前提下適當增大拉延深度，以致負向應變的產(chǎn)生；另一方面應使工藝補充面盡量貼近產(chǎn)品面，減少后工序整形量，并嚴格控制翻邊、整形工序的線長變化，以降低后工序?qū)貜椀倪M一步加劇。C區(qū)域工藝模面詳細結構與尺寸參數(shù)圖5所示。

圖5 C區(qū)域工藝模面斷面圖

3.4 E區(qū)域工藝模面斷面參數(shù)設定

E區(qū)域由小區(qū)率A面和大覆蓋區(qū)域的安裝結構面構成，安裝結構面與A面之間通過深度為20～25 mm的負角立壁以及半徑為R0.5的小圓角翻邊線銜接為一體。由于立壁深度較大、翻邊線圓角較小，在進行過拉延設計時必須儲備足夠的材料，以用于后工序整形時在材料急劇拉伸時進行線長補充。因此，E區(qū)域的工藝補充面設計可以考慮設定半圓型儲料筋，在設定儲料筋之后工藝補充面截面線長L0與產(chǎn)品截面線長L應滿足(L?L0)÷L0=3%～6%的等式關系，以防止工藝補充面線長過長在整形工序發(fā)生多料所導致的失穩(wěn)起皺。E區(qū)域工藝模面詳細結構與尺寸參數(shù)圖6所示。

圖6 E區(qū)域工藝模面斷面圖

4 拉延序工藝模面設計

CATIA創(chuàng)成式曲面設計模塊（generative surface design,GSD）擁有非常完整的曲線操作工具和曲面構造工具，所構造的曲線和曲面最高可達到G2連續(xù)，因此，十分適合進行沖壓工藝模面設計。將側(cè)圍外板產(chǎn)品數(shù)模導入CATIA軟件的GSD模塊，首先確定沖壓中心和沖壓方向，結合側(cè)圍外板拉延成形受力狀態(tài)以及模具結構設計布局需求，確定沖壓中心坐標為（X:1 820 mm,Y:?650 mm,Z:570 mm）。在設定沖壓方向時，應盡量保證產(chǎn)品各區(qū)域無成形負角[10]，使盡可能多的產(chǎn)品型面能夠一次拉延成形，同時還需要兼顧滑移線、沖擊線、面畸變等外觀品質(zhì)缺陷，材料利用率的最大化以及后工序工藝可行性。綜合考量，確定該側(cè)圍外板拉延序沖壓方向為繞X軸旋轉(zhuǎn)18°。沖壓方向確定之后即可進行壓料面設計，側(cè)圍外板的壓料面一般以雙曲面或多曲面為主，在滿足產(chǎn)品各部位成形深度均勻一致的情況下進行隨形設計，壓料面與XY平面的夾角一般以10°～15°為宜，最大不得超過20°，進、出料方向兩側(cè)壓料面與XY平面的夾角差異應控制在5°以內(nèi)[11]。然后即可展開工藝補充面和拉延筋設計，按照上述側(cè)圍外板各區(qū)域工藝補充面截面參數(shù)依次進行相應的曲面造型設計，從而得到連接成一體的完整的工藝補充面，工藝補充面要求達到G1及以上的曲率連續(xù)。最后是坯料線設計，坯料線長、寬尺寸可按照產(chǎn)品截面線長的95%～97%再加上拉延成形的材料流入量、殘留量估算得出，并考慮可連續(xù)落料排樣來設定坯料形狀[12]。最終設計完成的側(cè)圍外板拉延序工藝模面如圖7所示。

圖7 側(cè)圍外板拉延序工藝模面

5 拉延序工藝校核

5.1 拉延序成形有限元模型構建

先在CATIA軟件中將側(cè)圍外板拉延序工藝模面以IGS格式文件導出，凸模、凹模、壓邊圈、坯料線、沖壓中心、沖壓方向需分別單獨導出，然后依次導入AutoForm軟件，其中，凸模、凹模、壓邊圈導入至“Tool Surface &Additional Geometries”工作臺，坯料線和沖壓中心導入至“Curves &Points”工作臺，沖壓方向?qū)胫痢癈oordinate Systems”工作臺。之后，即可進行工序規(guī)劃、落料規(guī)劃、工具體設定以及網(wǎng)格劃分，利用AutoForm網(wǎng)格生成器可快速自動生產(chǎn)有限元網(wǎng)格模型。再獲得有限元模型之后，還需要對工藝參數(shù)進行設定，主要工藝參數(shù)為：沖壓速度V=235 mm/s，摩擦系數(shù)μ=0.15，壓邊力B.H.F.=2 200 kN，氣墊行程Cs=200 mm，型面附件間隙g=0.1 mm。拉延序有限元模型與成形工藝參數(shù)與圖8所示。

圖8 側(cè)圍外板拉延需有限元模型與成形工藝參數(shù)

5.2 拉延序有限元分析結果

汽車外覆蓋件成形仿真結果的主要評價項目包括開裂、起皺、剛性、面畸變、沖擊線和滑移線。開裂可以通過成形性進行定性評估，起皺可以通過起皺因子進行定量判斷，剛性主要由主應變來表征，面畸變可以利用次應力和虛擬油石打磨進行量化評價。側(cè)圍外板拉延成形仿真結果評價如圖9所示，其中，圖9a～f為側(cè)圍外板從壓邊圈閉合到距離下死點5 mm的變形情況，在整個拉延成形過程中，制品獲得了充分的塑性變形，且未發(fā)生波紋或起皺等缺陷。圖9g為側(cè)圍外板成形性云圖，所有成形區(qū)域均處于安全限度以內(nèi)，無極限減薄與過度增厚趨勢，表明制品獲得了良好的成形質(zhì)量。圖9h為側(cè)圍外板起皺因子云圖，最大起皺因子為0.001 6，未超出汽車外覆蓋件起皺因子需小于0.002的判斷標準，說明側(cè)圍外板產(chǎn)生起皺缺陷的風險較低。圖9i為側(cè)圍外板主應變云圖，產(chǎn)品面區(qū)域主應變均大于3%，對于汽車外覆蓋件，當主應變在3%以上時，即可認為制品具備了足夠的剛性。圖9j為側(cè)圍外板次應力云圖，最大次應力為1.215 MPa，最下次應力為?17.790 MPa；圖9k為側(cè)圍外板虛擬油石打磨云圖，最大面凹為0.069 mm。根據(jù)企業(yè)內(nèi)部標準，為抑制面畸變、降低A面發(fā)生凹陷缺陷的風險，汽車外覆蓋件次應力應控制在?50～50 MPa，虛擬油石打磨面凹應控制在-0.08～+0.08 mm，綜合圖9j、k可知，側(cè)圍外板次應力和面凹均符合判斷標準，說明制品發(fā)生面畸變的可能性較小。圖9l為側(cè)圍外板沖擊線和滑移線分析結果，沖擊線和滑移線均未流入A面區(qū)域，說明沖擊線和滑移線未對外表面質(zhì)量造成不良影響。

圖9 側(cè)圍外板拉延成形仿真結果

6 后工序工藝模面設計

結合側(cè)圍外板產(chǎn)品結構特點、關鍵成形工藝、沖壓設備布局以及拉延序成形仿真結果確定后工序需要三個步驟方能完成制品的最終成形，工序排布如下：第二道工序為“修邊+側(cè)修邊+整形+沖孔”，記為OP20；第三道工序為“翻邊+側(cè)整形+側(cè)沖孔”，記為OP30；第四道工序為“修邊+側(cè)翻邊+沖孔+側(cè)沖孔”，記為OP40。對于工序間制品傳遞采用機器人搬送的汽車覆蓋件，一般要求全工序沖壓中心保持統(tǒng)一，因此，OP20、OP30、OP40沖壓中心仍舊設定為（X:1 820 mm,Y:?650 mm,Z:570 mm）。綜合考慮工序之間的傳遞可行性、模具結構設計需求確定后工序沖壓方向為：OP20繞X軸旋轉(zhuǎn)12°，OP30繞X軸旋轉(zhuǎn)10°，OP40繞X軸旋轉(zhuǎn)10°。后工序工藝模面設計內(nèi)容主要包括修邊線展開、廢料刀布局、廢料流向、翻邊成形面、整形成形面、斜楔擺放角度和工作角度等，設計完成的后工序工藝模面如圖10所示。

圖10 側(cè)圍外板后工序工藝模面

7 后工序工藝校核

7.1 后工序成形有限元模型構建

以側(cè)圍外板拉延序成形仿真結果為基礎，繼續(xù)導入后工序工藝模面，然后依次進行OP20、OP30、OP40成形有限元模型構建，并根據(jù)計算結果對修邊刃入量、沖孔刃入量、壓料板行程、壓料力及斜楔行程等工藝參數(shù)進行設定，得到如圖11所示的后工序成形有限元模型。

圖11 側(cè)圍外板后工序有限元模型

7.2 后工序有限元分析結果

對側(cè)圍外板全工序成形有限元模型進行求解計算，得到OP20、OP30、OP40成形仿真結果分別如圖12a～c所示。由成形仿真結果可知，側(cè)圍外板各工序在成形過程中均勻變形，并且成形充分，無開裂、起皺等缺陷，說明制品整體成形質(zhì)量良好。

圖12 側(cè)圍外板后工序成形仿真結果

8 方案驗證

以成形性校核通過的全工序沖壓工藝模面為基礎，展開側(cè)圍外板沖壓模具結構設計，并進行模具制造和調(diào)試驗證，試模參數(shù)與成形仿真工藝參數(shù)保持一致，從而得到與成形仿真結果基本吻合的側(cè)圍外板試模樣件，樣件無開裂、起皺、面畸變、沖擊線及滑移線等缺陷，強度、剛度以及面品均達到了可以批量生產(chǎn)的標準。調(diào)試穩(wěn)定的側(cè)圍外板拉延模如圖13a所示，所生產(chǎn)的全工序成形零件如圖13b所示。為了驗證側(cè)圍外板零件尺寸精度是否合格，利用檢具和藍光掃描設備對零件進行了全型面掃描，得到如圖13c所示的掃描結果，掃描結果顯示零件所有區(qū)域尺寸偏差均在±0.5 mm以內(nèi)，滿足側(cè)圍外板尺寸公差要求。

圖13 側(cè)圍外板拉延模與方案驗證

9 結語

（1）運用以關鍵斷面參數(shù)驅(qū)動設計為核心的模面工程技術，實現(xiàn)了側(cè)圍外板拉延工藝模面的快速設計和全工序成形工藝方案的快速穩(wěn)健，解決了側(cè)圍外板沖壓模具在開發(fā)階段需要不斷修改設計以及在調(diào)試階段需要反復修模的問題。

（2）通過采用先設計拉延序工藝模面，并校核驗證成形仿真結果收斂后再進行后工序工藝模面設計的流程，提高了側(cè)圍外板全工序工藝模面的設計效率，改善了拉延序和后工序工藝模面需要疊加修改的弊端。

（3）利用全工序成形仿真結果指導側(cè)圍外板實際試模，從而實現(xiàn)了二者的高度吻合，表面基于模面工程的全工序成形仿真可以有效提高汽車覆蓋件產(chǎn)品質(zhì)量，并能促成沖壓模具的短周期開發(fā)。