基于CAD／CAE技术的汽车覆盖件模具优化设计

38DIEANDMOULDTECHNOLOGYNO22012文章编号100149342012020038040基于CADCAE技术的汽车覆盖件模具优化设计刘鹏飞一汽海马汽车有限公司，海南海口570100摘要以某汽车前门防撞梁前支架零件为例，介绍了以CADCAE为设计平台的汽车覆盖件模具设计。采用CAE分析软件AUTOFORM对其进行成形工艺模拟优化，并以优化后的工艺数模为基础，通过NX进行三维拉深模具结构设计，使优化的结果真正体现在模具结构上，从而有效地消除成形缺陷，降低了模具调试次数，缩短了模具周期。关键词汽车覆盖件；模具结构；模具周期中图分类号TP3917文献标识码BOPTIMIZATIONDESIGNOFDIESFORTHEAUTOBODYMETALSHEETPARTSBASEDONCADCAETECHNOLOGYLIUPENGFEIABSTRACTTAKINGFRONTBRACKETSPARTSOFTHEFRONTDOORCRASHBEAMSFORSOMEAUTOASANEXAMPLE，THEDIEDESIGNFORTHEAUTOBODYMETALSHEETPARTSWASINTRODUCEDBYTHEPLATFORMOFCADCAETHEFORMINGTECHNOLOGYWASSIMULATEDANDOPTIMIZEDBYTHESOFTWAREOFCAEANALYSISAUTOFORM，ANDBASEDONTHEOPTIMIZEDTECHNOLOGYMODEL，THE3DSTRUCTUREDESIGNOFTHESTRETCHINGDIEWASDESIGNBYNX，ANDTHEOPTIMIZEDRESULTCANBETRULYREFLECTEDBYTHEDIESTRUCTURE，WHICHAVOIDSTHEFORMINGSHORTAGEEFFECTIVELYANDREDUCESTHEDIEDEBUGTIMESANDSHORTENSTHEDIECYCLEKEYWORDSAUTOBODYMETALSHEETPARTS；DIESTRUCTURE；DIECYCLE引言汽车覆盖件是指构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机和底盘的异形体表面和内部的汽车零件。与一般冲压件相比较，具有材料薄、形状复杂、多为空间曲面、结构尺寸大和表面质量高等特点。汽车覆盖件是汽车车身的重要组成部收稿日期201111一O7作者简介刘鹏飞1987一，男，助理工程师。分，其模具设计与制造周期几乎占据整车研发周期的23，是制约整车更新换代的主要因素。在全球化的竞争面前，汽车产品的市场生命周期越来越短_1。利用了先进的板料成形分析软件AUTOFORM，可对零件的冲压过程进行有限元模拟分析，进而指导工艺方案、优化工艺。模具技术2012NO2391基于AUTOFORM的冲压件成形仿真分析1IAUTOFORM在板料成形中的应用AUTOFORM软件是由AUTOFORM工程股份有限公司专门针对汽车工业和金属成形工业中的板料成形而开发的，用于优化工艺方案和进行复杂型面的模具设计。AUTOFORM的主要模块有用户界面、自动网格划分、一步成形、模面设计、增量求解、切边和液压成形，支持WINDOWS和UNIX操作系统。特别适合于复杂的深拉深和拉深成形模的设计、冲压工艺和模具型面设计的验证、成形参数的优化、材料与润滑剂消耗的最小化、新板料如拼焊板复合板的评估和优化2。AUTOFORM在板料成形过程中的分析流程如图1所示。00优化工艺参数图1板料成形过程分析的流程12模拟前准备图2所示为某汽车前门防撞梁前支架零件，零件厚度为08MM，材料为ST14。通过分析可知，欲成形此零件需要经过多道工序才能完成。根据该工件的特殊形状尺寸，工艺路线定为拉深一修边、冲孔复合一剖切3道工序，采用3套模具完成整个成形过程。拉深成形工序是汽车覆盖件冲压成形的关键工序，拉深过程中毛坯的变形复杂，质量问题多，在工艺设计中必须进行多方面细致的考虑，尽量避免在成形中出现问题。下面主要结合AUTOFORM数值模拟软件进行拉深工艺分析，以达到优化成形工艺的目的。图2汽车前门防撞梁前支架数模13零件的预处理为尽量减少可能产生的数据错误和丢失，首先在UG软件中抽取数据并导出IGES格式文件，通过标准的IGES数据转换接口导入AUTOFORM软件中，采用BT壳单元对几何模型进行离散划分网格，建立零件的有限元网格模型_3。然后在GEOMETRYGENERATOR模块下的进行定义对称轴和零件之间的距离实现对称布局；在MODLBNDRY和TIP界面下，分别填补内孔和选择冲压方向；在BINDER和ADDNDM界面中进行工艺补充和创建压料面。工艺补充模型如图3所示。1231工艺补充面2过渡面3压料面图3工艺补充模型14工具设置在PROCESSGENERATOR模块中，根据零件的特性进行凸模、凹模压边圈和拉深筋等设置。AUTOFORM提供了等效拉深筋的设定即虚拟拉深筋。等效拉深筋具有描述简单、降低操作人员对拉深筋建模和划分网格的难度和计算速度快等优势。设定完参数，进行模拟运动检测，检查没有问题便进入如图4所示的仿真初始状态。40DIEANDMOULDTECHNOLOGYNO220121凹模2坯料3压边圈4凸模图4仿真初始状态15模拟分析与优化仿真的过程为凹模首先向下行，之后上模和压边圈的压边部分与毛坯接触将毛坯压住。上模继续下行与凸模接触，拉深过程开始，上模行至下死点时，拉深结束。薄板拉深成形过程中主要的失效形式是起皱和破裂。而影响其成形的工艺参数有压边力、拉深筋、摩擦因数和坯料尺寸等。由于因素较多，在实际模拟中各个参数的确定及各参数之间的选择组合的过程是比较繁琐的。一般根据经验进行分析，确定需要修改的参数，并反复模拟分析，最终达到最佳的优化效果。图5为拉深模拟完成后的板料初次成形极限图。从图5中可以直观地看到在压料面边缘出现起皱、工艺补充面和零件内部的存在起皱趋势以及零件内部存在变形充足的情况。这些缺陷可以通过调整压边力和拉深筋阻力来优化工艺。调整工艺参数后重新进行计算，经过反复多次的调整才得到的最终优化结果如图6所示。可以看见经过参数优化后的成形极限图，在零件和补充面上都是安全的，仅在压边圈边缘有一些起皱和成形不充分的情况。但因为在后期的这些区域也会被切除，故对零件不产生影响。在优化后便可以转到NX的建模模块中，进行虚拟筋与真实筋的转换。之后再导人AUTOFORM中进行分析，分析结果如图7所示。可以看见真实筋模拟的情况与虚拟筋还是有所差别，但是总体上并没有影响到成形零件。采用板料成形数值模拟技术能够准确地计算材料在冲压成形中的流动情况，从而准确地得出应变分布和板料壁厚减薄的情况。这就为判断给定模具和工艺方案产生拉裂的可能性提供了科学依据，进而可以很好地预测出给定条件下工件可能产生的起皱和破裂，并通过修改模具或工艺参数予以消除。图5初次成形极限图图6优化后成形极限图、R1RR图7转化为真实筋的成形极限图2基于NX的拉深模具结构设计21NX60在汽车覆盖件模具设计的应用汽车覆盖件模具结构的设计在NX系统中模具技术2012NO241主要通过DIEDESIGN模具设计模块来实现。NX的DIEDESIGN模具设计模块提供了一组工具用于模具的结构设计，模具结构的典型部件有修边镶件、翻边镶件和废料刀等。也可以通过的标准建模功能完成，但这种方法，每一部件将有众多特征，难于管理和编辑。而采用DIEDESIGN模具设计功能，可通过一个特征来进行描述，且模具的结构部件具有相关性，当参数或产品零件模型发生更改后，模具结构部件将相应进行更新。22拉深模具的主体结构的设计拉深模的主体结构主要是指凸模、凹模和压料圈。由于汽车覆盖件大多为三维曲面，模具的型面设计将以经过AUTOFORM优化后的三维工艺数模为基础来建立，从而使优化后的参数与模具型面设计可以实现无缝链接。23标准件A凹模现将已经完成了工艺优化的数模为原型，进行三维拉深模具结构设计。把工艺数模通过IGS导人到NX中，利用NX的DIEDESIGN模具设计模块进行凸模、凹模和压料圈的初步的3D结构设计。例如UPPERDRAWDIE拉深凹模_命令是设计凹模结构的主要方法。UPPERDRAWDIE拉延凹模选项指定所有构建一个完整的拉深凹模必须的几何数据，并创建拉深凹模。输出的拉深凹模为一个有单个实体组成的UPPERDRAWDIE特征，这个实体和输入的几何体相关，当父几何体有变化时子几何体也会随之更新_5。同样，DRAWDIEPUNCH拉深凸模命令和LOWERBINDER压边圈命令与拉深凹模命令原理一样，通过这些命令可以建立凹模、凸模和压料圈的初步3D模型，如图8所示。B凸模C压边圈图8凹模、凸模和压边圈的31模型组成覆盖件模具的零件除工作零件外，有许多标准件和很多重复度很高的标准结构。把这些标准件和标准结构参数化，并用UG的特征建模功能预先建立数字化模型，待设计模具时采用装配或输入的方式添加到工作特征和模具中。这样不仅可以大大提高设计效率，给设计人员提供更灵活的设计空间，而且还以简化工作零件的特征，更好地实现参数化设计。覆盖件模具的标准件往往按其实现的功能分类，常见的标准件如图9所示。AMWP导板B平衡块C定位板图9常见的标准件243D模具结构总装配设计利用装配模块加载标准件之后，最后进行模具的辅助设计，主要包括拉深到底标记、通气孔、减轻孔和加强筋等。这些辅助设计将在已完成的3D实体模具上进行。图1O为最终完成下转第48页48DIEANDMOULDTECHNOLOGYNO220124结论剪切速率，体积A热流道剪切速率，体积时间3368S图8剪切速率1通过以上分析可以看到，对于本文研究的汽车线槽产品，所建立的热流道系统各项指标均可以满足线槽零件注塑成型的要求。与普通浇注系统的相比，热流道系统在充填时间、注射压力、冻结时间和锁模力等方面都更有优势，有利于节约能源，提高生产效率和制品质量。2模拟结果表明，合理的浇注系统是获得高质量线槽的重要保证。数值模拟是优化浇注缩放100B普通浇注系统1S5215系统设计的便捷方法，大大缩短新产品的开发周期和费用，提高塑料制品的生产效率和质量。参考文献1陈志新，黄凡基于MOLDFLOW和ANSYS的注塑模具变形模拟分析J机械设计与制造，2009333352李雯雯，卢军，刘洋MOLDFLOW软件在注塑模具CAE中的应用J工程塑料应用，2009，37958603周华民，刘芬，李德群塑料注塑成型应力与翘曲的集成模拟J塑性工程学报，2008，1523033上接第41页的3D拉深模结构图。3结论1上模2压边圈3下模图10总装配爆炸视图深工艺只能靠经验控制的局限，并且与NX相结合，将经过AUTOFORM优化后的工艺数模有效链接到拉深模的3D实体设计中，实现了同步高效的覆盖件工艺设计和模具结构设计。Z参考文献3采用目前最为先进、实用的数值模拟软件AUTOFORM进行拉深工艺分析，突破了传统的拉1杜亭，戴隆明，章志兵