（车辆工程专业论文）基于计算机仿真的汽车覆盖件冲压工艺研究.pdf

摘要 外= 史从闸述汽车覆盖件冲压生产的特点和覆盖件本身的要求开始，在分析、探讨 企心删川：变形及其主要影响因素、金属塑性变形屈服准则、塑性应力应变关系、板料 的7 1 1 ji i 成形性能与成形极限的基础上，借助有限元冲压仿真软件a u t o f o r m ，分别进 j ：j 褴， 袢，j f ir 艺的基本方案分析、拉延成形基础工艺参数研究、拉延件压料面及 j 。芝补允部分哎训研究。在此基础上，总结出覆盖件拉延工序计算机仿真分析的一般 步骤干。法，提拉延件设训1 合理性的量化评价方案，运用实例证明该评价方案直观、 动仃。通过以上研究，使得模具调试周期明显缩短，模具质量显著提高。 关键词：覆盖件，冲压1 艺，仿真，拉延件，合理性评价 a b s t r a c t t h ec o n f i r m a t i o no fa u t op a n e lf o r m i n gp r o c e s s i n gi s 、t h eb a s eo fd i e d e s i g n i n ga n dd i em a n u f a c t u r e p r o p e rf o r m i n gs c h e m ee s p e c i a l l y h o wt o d e s i g nd r a w i n gm o d e li st h em o s ti m p o r t a n td e t e r m i n a n to f t h ep a r t sq u a l i t y a n dw h e t h e rp r o d u c tm a n u f a c t u r ei ss u c c e s so rf a i l u r ed e p e n do ni t i nt h i sp a p e r , s t a m p i n gp e c u l i a r i t ya n dr e q u i r e m e n t so fa u t op a n e la r e d i s c u s s e d ，t h ea u t op a n e lf o r m i n gt h e o r ya n df o r m i n ga b i l i t yo fs h e e tm e t a l a l es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y ，b a s eo nt h e s e ，g oo ns t u d y i n gb a s i cs c h e m eo fa u t o p a n e lf o r m i n gp r o c e s s i n g ，b a s i ct e c h n i q u ep a r a m e t e ro fd r a w i n gp r o c e s s i n g a n dh o wt od e s i g nd i ef a c ea n do t h e rr e q u i r e ds u r f a c eb yu s i n ga u t o f o r mt o d o s t a m p i n gs i m u l a t i o n a c c o r d i n g t ot h e s es t u d y , g e n e r a ls i m u l a t i n g a p p r o a c ho fa u t op a n e ld r a w i n gp r o c e s s i n gi ss u m m a r i z e d ，a to n et i m e ，w e b r i n gf o r w a r dap l a ns ot h a tw ec a nj u d g et h er a t i o n a l i t yo fd r a w i n gm o d e l w e l la n dt r u l y a l lt h e s ee f f o r tc a nh e l pu sa c h i e v i n gt h ep u r p o s et h a tr e d u c e c o s t ，s h o a e np r o d u c t i o nc y c l ea n di m p r o v et h ec o m p e t i t i o na b i l i t yo fo u r c o r p o r a t i o n k e yw o r d s ：a u t op a n e l ，f o r m i n gp r o c e s s i n g ，s t a m p i n gs i m u l a t i o n ，d r a w i n g m o d e l ，j u d g m e n to fr a t i o n a l i t y i i 声明 p7 6 3 3 1 9 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知， 存本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人 已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构 学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论 文做山的贞献均已在论文中作了明确的说明。 研究牛签名丝! ：毛 o t , 自5 年5 月8 同 学位论文使用授权声明 南京理： 大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以 借阅或上网公栖本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门 或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或 部分内容。对j 二保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究牛签名：整! ! 丛曲f 年妨g 同 南京理工大学硕士学位论文 基于计算机仿真的汽车覆盖件冲压_ t 艺研究 1 绪论 1 1 汽车覆盖件的特点、要求及其工艺性 1 1 1 汽车覆盖件冲压生产的特点 冲压是建立在金属塑性变形的基础上，利用模具和冲压设备对板料施加压力， 使板料产生塑性变形或分离，从而获得一定形状、尺寸和性能的零件的方法【1 。7 】。 它具有生产率高、操作简便、便于实现机械化和自动化的特点。采用精密复杂的 模具，能加工出用其他方法难于生产且形状复杂的零件，尺寸一致性好，材料利 用率高，零件重量轻。在大批量生产中，是一种先进的优质、高产、低消耗和低 成本的加工方法。由于冲压加工的这些优点，使得它在兵工、航空、电子、汽车、 电机电器、精密仪器以及轻工等领域中得到广泛的应用。 板料、模具和冲压设备是冲压加工的三要素。为了获得质优价廉的冲压零件， 必须提供优质的板料、先进的模具和性能优良的冲压设备，还应该掌握板料的成 形性能和变形规律。目前，世界各国不断研制出冲压性能良好的板料，并不断改 善模具加工设备，设计研制高质量模具，生产出了对冲压生产具有关键作用的高 效率、高精度和高寿命的大型复杂模具，从而使冲压生产与模具工业进入了一个 崭新的阶段。 图1 1 国产某款车型后行李舱外板 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薄金属板料制 成的异形体表面和内部零件。轿车的车前板和车身、载重车的车前板和驾驶室等 基于计算机仿真的汽车覆盖件冲压工艺研究 都足巾覆盖件和一般冲压件构成的。覆盖件组装后构成了车身或驾驶室的全部外 部干内部形状，它既是外观装饰性的零件，又是封闭薄壳状的受力零件。覆盖件 的制造是汽车车身制造的关键环节。覆盖件一般由0 7 m m 至1 5 m m 的冷轧薄钢 板冲j l i 而成，具有结构尺寸大、形状复杂、板料薄、表面质量要求高等特点。图 1 1 为典犁的汽车覆盖件。 1 1 2 汽车覆盖件的分类及要求 汽车覆盖件按功能和部位分类，可分为外部覆盖件、内部覆盖件和骨架类覆 音锃件一i 类。外部覆盖件和骨架类覆盖件的外观质量有特殊要求。内部覆盖件的形 ：佚仆仆更复杂。 按l + 艺特征覆盖件可分为： ( 1 ) 列称于一个平面的覆盖件。诸如发动机罩、前围板、后围板、散热器 罩和水输罩等。这类覆盖件又可分为深度浅呈凹形弯曲形状的、深度均匀形状比 较复杂的、深度相差大形状复杂的和深度深的几种。( 2 ) 不对称的覆盖件。诸如 ，t fj 的内、外板，翼子板，侧围板等。这类覆盖件又可分为深度浅比较平坦的、 深度均匀形状较复杂的和深度深的几种。( 3 ) 可以成双冲压的覆盖件。所谓成双 冲蚍指左右件组成一一个便于成型的封闭件，也指切开后变成两件的半封闭型的 褴i 赫件。( 4 ) 具有凸缘平面的覆盖件。如车门内板，其凸缘面可直接选作压料面。 ( 5 ) j 盏弯成型的覆盖件。 覆盖件有其臼身的要求： ( 1 ) 覆盖件的表面质量要求 役一箍什表而上任何微小的缺陷都会在涂漆后引起光线的漫反射而损坏外形的 炎州，圳此覆盖件表面不允许有波纹、皱折、凹痕、擦伤、边缘拉痕和其他破坏 表仃哭感的缺陷。覆盖件上的装饰棱线和筋条要求清晰、平滑、左右对称和过渡 均匀，覆盖件之问的棱线衔接应吻合流畅，不允许参差不齐。总之覆盖件不仅要 满足结构上的功能要求，更要满足表面装饰的美观要求。 ( 2 ) 覆盖件的刚性要求 件拉逛过程中可能会由于材料的塑性变形不充分，而使覆盖件的一些部位刚 性较? j ? 。若j 冈0 性差的覆盖件装车，在行驶过程中受振动后不但会产生空洞声， 会造成覆盖件的早期损坏。另外塑性变形不充分、刚性差的拉延件在修边后 - l p 较人。蜘i 果在修边后还需要进行翻边，则可以依靠翻边来改善覆盖件的刚性。 ( 3 ) 覆盖件的形状和尺寸要求 覆揣件形状复杂、立体曲面多，一种是覆盖件本身的立体曲面，是考虑造型 基于计算机仿真的汽车覆盖件冲压工艺研究 卜及j l 炎观的需要；另一种立体曲面是由两个或两个以上相互配合的覆盖件共同 构成i l o ，黾口：= 吒= 0 时，材料受单向拉应力作用。由式( 2 8 ) 可 1 褂s 【，o ，一l ls 。= 毛= 一q ，也就是说，当单向拉伸时在拉应力作用方向上为伸 上 k 变形，其余两方向上为压缩变形，且为伸长变形之半，翻孔变形材料边缘属此 1 类。州对单向雎缩变形，即c r 3 0 ，且c r 3 = 0 时，由式( 2 8 ) 可得q = s 2 0 ，s 3 = 一2 6 1 = 一2 s 2 ， u j 当材料受两向等拉时，拉应力方向上为拉伸变形。而在材料厚度方向为压缩变 形，其仇为伸艮变形的两倍。平板材料胀形时的中心部分就是双向等拉应力状态。 ( 5 ) 当仃。 o - ： q o 时，由式( 2 8 ) 可得最大拉应力q 方向上的变形一 定址伸k 变形。而在最小拉应力盯，方向上的变形一定是压缩变形。在两向拉应力 作川f 的胀形变形，拉应力方向上的变形是伸长变形，而厚度方向是压缩变形， 使材；i i i 变薄。 ( 6 ) j 。10 口。 c r 2 吒时，由式( 2 8 ) 分析可知，在最小压应力以( 绝对 们- 取i1 人) 疗向 ：的变形一定是压缩变形。而在最大压应力仃，( 绝对值最小) 方向 n 变形定是伸氏变形。 2 4 硬化与硬化曲线 利料在实际塑性成形过程中，随着变形程度的增加，其变形抗力( 即每一瞬 川的删服应力盯。) 是不断增高的，与此同时，强度极限仃。和硬度也将提高，而塑 。r 嘲jf 降，这利，现象就称为加工硬化。材料不同、变形条件( 变形温度、速度) 不j 1 i j i ，其加工硬化的程度也就不同。材料的加工硬化对塑性加工的影响很大，不 仪使需要的变形力增大，而且限制了毛坯的进一步变形，甚至要在后续变形工序 之l 时增加中间退火工序以消除硬化。但是硬化有时也有有利的一面，例如提高抗 j _ 部颈缩火稳的能力，使拉伸变形趋向均匀，成形极限增大。因此在对变形毛坯 进彳力分析、确定各种工艺参数和处理生产实际问题时必须研究材料的硬化现 象及其规律，进而了解材料性能的变化对冲压成形过程的影响。 材料的变形抗力随变形程度变化的情况可用硬化曲线来表示。硬化曲线一般 基于计算机仿真的汽车覆盖件冲压工艺研究 j 以通过对材料进行拉伸、压缩或板料胀形试验等多种方法获得。 7 i | i 1 4 - ：产中经常采用指数曲线，其表达式为 o r = 占占” ( 2 9 ) j 川rn 为板料的应变硬化指数，b 为硬化系数，s 为等效应变。 2 5 板料的冲压成形性能与成形极限 2 5 1 板料的冲压成形性能 板料对冲压成形工艺的适应能力称为板料的冲压成形性能 4 3 - 5 2 l 。板料在成形 过群i u j 能山现两种失稳现象，一种称为拉伸失稳，即板料在拉应力作用下局部 现缩颈或断裂；另一种称压缩失稳，即板料在压应力作用下出现起皱。板料在 ，人稳之前j 以达到的最大变形程度叫做成形极限。成形极限分为总体成形极限和 局d r ；j 一27 | ! ；极限。总体成形极限反映板料失稳前总休尺寸可以达到的最大变形程度， 如极限拉深系数、极限胀形高度和极限翻孔系数。这些极限系数通常作为规则形 状板料零中 二工艺设计的重要依据。而局部成形极限则反映板料失稳的前局部尺寸 j 以达到的最大变形程度，如复杂零件成形时，局部极限应变即属于局部成形极 限。，i 旧1 复杂零件变形的不均匀性，板料各处变形差异很大，因此必须用局部成 形极米描绘零件| 二各点的变形程度。成形极限越高，则板料冲压成形性能越好。 扳料冲压成形性能包括抗破裂性、贴模性和定形性等几方面的性能。其中板 荆的贴模性是指板料在冲压成形中取得与模具形状一致性的能力。成形中发生起 皱、塌陷干| i 鼓包等缺陷，均会降低贴模性。而定形性是指零件脱模后保持其在模 内既得形状的能力。影响定形性的主要因素是回弹，造成零件脱模后较大的形状 和j t 寸碳箍。板料的贴模性和定形性是决定零件形状尺寸精确度的重要因素，但 是，k 【前冲压生“中主要用抗破裂性作为评定板料冲压性能的指标。 ，i l j 覆盖件成形常常是拉深、胀形、翻孔、弯曲的组合，它有三种典型的破 裂形式： ( 1 ) 口破裂一由于板料所受拉应力超过材料强度极限引起的破裂。 ( 2 ) 破裂由于板料伸长变形超过材料局部延伸率所引起的破裂。 ( 3 ) 弯曲破裂一由于弯曲变形区的外层材料的拉应力过大引起的破裂。 拉深什的底部破裂是由于材料强度不足引起的，属于口破裂。翻孔破裂是由 j 利料延伸率不足而出现的，属于7 破裂。而弯曲引起的破裂称弯曲破裂，胀形 什的做裂虽然也是由于材料强度不足引起的，属于口破裂，但它与拉深掰破裂不 f - q 、 二破裂总是现在变形区，而拉深破裂却产生在零件侧壁传力区，因此板料 1 协柬邝l 人。 坝 ：。学位论文基于计算机仿真的汽车覆盖件冲压工艺研究 托深嗣i 胀形时对盘破裂的抵抗能力不同。把拉深时抵抗口破裂的能力叫做拉深成 形 ，i ：能。把胀形时抵抗口破裂的能力叫做胀形成形性能，两者的区别在于：拉深 成形性能0 i 仪与变形区材料变形状况有关、同时还受传力区变形状况的限制，而 胀形成形性能只与变形区的材料变形状况有关。弯曲时抵抗弯曲破裂的能力叫做 弯曲成形性能。而习惯上把伸长类翻边( 内凹内翻孔与内凹外翻边) 时抵抗口破 裂的能力叫做扩孔成形性能。 起锻烛压缩火稳在薄板冲压成形中的主要表现形式，薄板在冲压成形时，为 使金j 越产f 一颦，陀变形，模具对板料施加外力，在板内产生复杂的应力状态。由于 板 尺、，其它两个方向尺寸相比很小，因此厚度方向是不稳定的。引起汽车覆 梳件冲压成形时产生起皱的外力大致可分为压缩力、剪切力、不均匀拉伸力及板 、阳i 内弯曲力四种。因此失稳起皱按引起起皱的外力分类相应地有四种形式： ( 1 ) 压应力引起的失稳起皱 网简形零件拉伸时法兰变形区的起皱，曲面零件成形时悬空部分的起皱，都 槭j 。这种类型。成形过程中变形区坯料在径向拉应力盯 0 ，切向压应力盯， 1 时，板料宽度方向比厚度方向容易产生变形，即板料不易变薄或增厚。在拉 深变形i ir ，加大r 值，板料宽度方向易于变形、毛坯切向易于收缩不易起皱，有 利j 摊高变形程度和保证产品质量。同样，材料r 值大，板料受拉时，厚度不易 变薄，囚而也不易产生拉裂现象。 - | 于板料平面上各个方向也存在塑性各向异性，因而板料的塑性厚向异性程 立川r 表示。 i = + 2 r 。s + ) ( 2 1 1 ) 4 ( 6 ) i “i 耳参数破 扳材经轧制后，在板平面上也出现各向异性，因此沿各不同方向，其机械物 州! e l ：能均1 ij 刊，冲压成形性能就受到影响。尤其在沿轧制4 5 。方向与轧制方向形 成l p 枷0 差异，例如由于板平面各向异性，使拉深零件口部不齐，出现凸耳。方 盯肚愈i 必显，则凸耳的高度愈大。凸耳会影响零件的形状和尺寸精度。 1 r = = i 、r o + r 9 0 一r4 5 ) ( 2 1 2 ) 上 ( 7 ) 表面粗糙度 扳料冲压成形时，如果表面粗糙度过大，则变形时的摩擦力较大，容易形成 j _ j 集，h 对成形性能不利。但是，板料表面过于平滑则模具和板料之间的润滑 剂 m 窬易被成形时的压力挤走。因而，用于冲压成形的板料表面要具有适当的粗 糙度，这样就。j _ 以使润滑剂储存在表面的波谷中。 i * i r j 。p j 一，颧l j 。学位睑史基于计算机仿真的汽车覆盖件冲压工艺研究 2 5 3 成形极限图的概念及作用 j 1j 以试件的某些总体尺寸变化到某种程度( 如发生破裂) 而确定的总体成 彤一陀能指标或成形极限，不能反映板料上某一局部危险区的变形情况，在6 0 年 代l t l 驯提成形极限图的概念。成形极限图( 简称f l d ) 是板料在不同应变路径 卜的局部火稳极限应变瓯和邑( 名义应变或称工程应变，即延伸率) 或s ，和岛( 真 实、v 变) 构成的条带区域或曲线。它全面反映了板料在单向和双向拉应力作下的 ，抬b 成形极限。f l d 的提出，为定性和定量研究板料的局部成形性能建立了基础， 这州复杂形状冲雎件的成形研究具有重要的现实意义。 h2 1 为s p c c 成形极限图，以d 为纵轴，d ，为横轴，曲线下方为成形区， 1 线| 力为破裂区。成形极限图可以通过试验确定，也可由板料生产厂家直接提 供数圳。 o 鬓 + h 器。 破裂区 旧o 4 ，* 一 惴 y 口2 成形区 - q 4- i 2o 20 4 表面工程主应变6 2 幽2 1s p c c 成形极限图( f l d ) 成形极限幽可以用来评定板料的局部成形性能，成形极限图的应变值越高， 板利的局部成形性能越好。将成形极限图与应变分析的网格法结合起来，可以分 析解决许多生产实际问题。 ( 1 ) 在模具的调试中解决制件局部的拉裂问题。 “1 局部应变值出现在破裂区，则可用减小长轴应变或，或加大短轴应变瓯绝 划仙的办法、使局部应变进入成形区。可以采用调整压边力、改变润滑条件、改 变毛! 八寸、调整凹模圆角半径以及是否采用拉延筋等方法，来调整拉深材料进 入川模的变形阻力，以达到调整局部应变的目的。即减小长轴方向的变形阻力， 以a 小应变占，划于双向拉应变( 成形极限图中右半部分) ，应加大短轴方向变 基于计算机仿真的汽车覆盖件冲压工艺研究 形j ，以加大麻变民，而对压拉应变( 成形极限图中左半部分) ，应减小短轴 力一j 变形阻力，使短轴方向压缩应变易于产生，达到增加最的绝对值的目的。例 如，划舣拉应变，可在短轴应变方向减小凹模圆角半径、加大毛坯尺寸、或进一 步加扎_ i 正筋以达到加大短轴应变目的，从而提高局部成形性能。 ( 2 ) 合理选用材料。 如粜n ，f l 。危险点的应变值处于图2 1 的破裂区和成形区之间的临界区，说明 该处变形很危险，制品成形别废品率很高。如果制件危险点的应变值处于远离斜 线部分( 即成形极限曲线) 以下位置，说明过分安全，板料成形性能没有充分发 扬i ，j + 换用成形性能较差而较便宜的材料。 基于计算机仿真的汽车覆盖件冲压工艺研究 3 覆盖件冲压工艺的基本方案分析 3 1 覆盖件冲压工艺方案分析胸资料准备 覆盖件抖压工艺基本方案分析是在模具设计制造之前的技术准备工作，客户 或j i 讯i 5 _ i i 卜、生产者必须提供以下资料： ( 1 ) 生产纠领，即生产批量。 ( 2 ) 产品图( 最好也有产品数模) ，其中应包括产品名称、产品编号、公 ，j 二标准、材料名称、材料厚度，及材料的机械性能。图3 1 为把手产品图。 ( 3 ) 冲压线资料，其中应包括冲压线机床资料、送料高度、模具闭合高度。 ( 4 ) 覆盖件的验收标准。 ( 5 ) 模具设计技术条件，其中包括结构要求、材料要求等。 产品名称：把 声萋群蓉i 群 辱半弭一玷 痔斗 =怍式- 厂斗丁 = = 一半娑姆 j 上! 3 x 4 5 。 _ _ 卜中r 中t _ 一 6 0 1 9 6 一f 一黔 + * ”：。；一赫嚣；嚣一萎i m l li 。l l ：l l t l l 3 2 根据生产纲领提出工艺方案 图3 1 把手产品图 覆盖件的冲雕_ 二艺方案编制依据是产品的生产纲领【5 钔。工艺方案应保证产品 的商质量、生产的高效率和降低成本。 1 9 基于计算机仿真的汽车覆盖件冲压工艺研究 ( 1 ) 小批量生产的覆盖件冲压工艺方案 划r j 产晕小于1 0 0 0 件的小批量生产，此时的生产稳定性极差，限期生产 形状改变司1 能性大，模具选择只要求拉延和成型工序使用冲模，模具寿命在5 万 f l ：。ll 他i2 序，如落料、修边可在通用设备上剪裁，如激光切割机，翻边使用简 易胎儿，冲孔用通用冲孔模或钻床手工钻孔。如果过多地选用冲模，虽然对保证 质i l m 蕊，但对提高生产效益并无意义，且会使成本骤增。小批量生产的拉延模， j 7 采川j 锋坫合金和h t 2 0 0 、h t 2 5 0 灰口铸铁制造，也可采用焊接骨架结构作基体， 表而使川环氧树脂。小批量生产的拉延模设计原则是低费用和短周期制造。 ( 2 ) 中批量生产的覆盖件冲压工艺方案 当月广量大于1 0 0 0 件，且小于1 0 0 0 0 件( 卡车) 或3 0 0 0 0 件( 轿车) 是被 视为赴中批最生产。其生产特点是比较稳定地长期生产，生产中形状改变时有发 + r 。模贝选扦除要求拉延模采用冲模外，其他工序如果影响质量和劳动量大也要 ? 1 4 t z 选用冲模，模具寿命要求在5 万件到3 0 万件。拉延模常用h t 2 0 0 、h t 2 5 0 灰u 铸铁制造，表面火焰淬火处理。模具结构采用导板导向，机械取件，固定或 。c 动定似坯料，壁厚中等，设计中要适当考虑合理性。 ( 3 ) 大批量生产的覆盖件冲压工艺方案 ”1 川产餐大于1 0 0 0 0 件( 卡车) 或3 0 0 0 0 件( 轿车) ，且小于1 0 0 0 0 0 件时， 心j 人批嘬生产。生产：处于长期稳定状态，形状改变可能性小，工艺难易程度困 州i ：，r 艺力案要为流水线提供保证，每道工序都要使用冲模，拉延、修边冲孔和 翻边模付安装在一条冲压线上，工序间的流转，5 0 年代基本是人工送料和取件， 川k 化刚家实现机械化和自动化，6 0 年代以后开始进入全自动化时期。多工位压 眯| 1 1 现，更加提高了生产效率和工件质量。在冲压生产线上，一般都配有各种 送料装。甜、取件装置、翻转装置、废料排除装置和传送带。与早期的由压力机驱 动的同步冲压生产线不同，现代的冲压生产线自动化系统，压力机以单次行程规 范l ：作，i hf l 动化系统控制着生产线上各台压力机在何时冲压和各工序间的工件 运动。从祭条牛产线上传出的工件是按一定的节拍连续不断地运动，从而明显地 提“，生产效；钙。浚系统还可以保证工件表面的高质量要求，大幅度减少压力机 操作人员，解决了安全及下料的难题，最大限度地提高了设备利用率。大批量生 ，的冲模，结构要求功能齐全，对于容易损坏的模具，不但要求快速更换易损冲 头，而h 要制造备模，以使模具修复时冲压生产线照常运转。 3 3 确定最佳工艺方案 臼：利用经验对冲压件的工艺性分析后，结合产品图进行必要的工艺计算，并 2 0 南京耻t 人学坝i + 学位论文基于计算机仿真的汽车覆盖件冲压工艺研究 在分析冲压工序类型、冲压次数、冲压顺序和工序组合方式的基础上，提出各种 可能的冲压工艺方案、然后通过对产品质量、生产效率、设备条件、模具制造和 寿命、操作、安全以及经济效益等方面的综合分析、比较，并使用计算机仿真软 件对十h 关方案进行计算机仿真，确定出适合于本产品生产的最佳工艺方案。确定 最佳_ t ：艺方案应考虑全面，以下是根据长期经验积累的总结。 3 3 1 确定最佳工艺方案应考虑内容 ( 1 ) 确定冲压工序类型 覆盖件冲压工艺由一些基本的工序 组成：拉延、修边、冲孔、翻边、整形， 成形等，按需要和可能有工序合并，如 修边冲孔、翻边修边、翻边整形等。 通常冲压件可以从产品图上直观地看出 冲爪该零件所需工序的类型。如图3 1 所示的把手，只需要落料、冲孔、弯曲 工序。在某些情况下，为了保证零件的 质量要求，常常需要改变一些冲压工序。 例如图3 2 所示的零件如采用落料、冲 7 l 、成形工序，则出于变形不均匀，成 形后零件产生较大的翘曲和皱折。为避 免或减轻翘曲程度，使零件平整、光洁， 可以采用拉延、修边、冲孔工序。为了 何利于变形，有时也需要增加一些附加 的冲雎l 序。如图3 3 所示为侧围拉延 数模，由于中间两侧窗口部分较深，外 部利料流入比较困难，因而在拉延前必 须增加落料工序，落出图3 4 的形状， 在窗口部分成形时材料由里向外流动， 补偿了外部材料的不足，可以有效地防 l l ：窗u 部分破裂。象这样预先冲出的孔 常称为变形减轻孔，在冲压拉延件和成 形件时经常采用这类变形减轻孔或者工 艺切口。 图3 2 双排座右中门内板中部加强板 图3 3 侧围拉延数模 图3 4 侧围落料示意图 基于计算机仿真的汽车覆盖件冲压工艺研究 ( 2 ) 确定冲压次数和冲压顺序 列，挑次数是指同一性质的工序重复进行的次数。对于拉延件，可根据它的形 状年兀尺、j 以及板料许可的变形程度，计算出拉延次数。弯曲件或冲裁件的冲压次 数也足根据具体形状和尺寸以及极限变形程度来决定。 冲m 顺序是指各冲压工序的先后顺序，主要根据工序的变形特点和零件的质 砒。i t ；求等安排的，一般可按下列原则进行； ( a ) 所有的孔，只要其形状和尺寸不受后续工序变形的影响，都应该在平 板毛坯上冲山，因为在成形后冲孔模具结构复杂，定位困难，操作也不方便，先 冲j | l l i 4 l 有时还能够作为后续工序的定位孔使用。 ( b ) 凡所在位置会受到以后某工序变形影响的孔，包括拉延件上的所有孔 ( 托延件的底部孔径要求不高和变形减轻孔除外) 都应在有关的成形工序完成后 可冲。 ( c ) 两孔靠近或者孔距边缘较小时，如果模具强度足够，最好同时冲出，否 ! ) ! | j 心先冲大孔和一般精度孔，后冲小孔和高精度孔。或者先落料后冲孔，力求把 l u 能，生的畸变限制在小范围以内。 ( d ) 多角弯曲件主要从材料变形和弯曲时材料移动两方面安排弯曲的先后 j l l l ) ij ：，一般情况下，先弯外部弯角后弯内部弯角。 ( e ) 对j ：形状复杂的拉延件，为便于材料变形和流动，应先成形内部形状， j f 拉延步 6 形状。 ( f ) 祭形或校平工序，应在冲压件基本成形以后进行。 ( g ) 山于覆盖件本身较大，旋转或翻身比较困难，在考虑各道工序的冲压 力+ 应使工序件在各个工位之间尽量少旋转和少翻身，在确定送料方向时主要 考虑一人操作及定位的方便。 ( 3 ) 确定工序的组合方式 一个覆盖件通常需要经过多道工序才能完成，由于汽车覆盖件具有生产批量 火、八i j 犬、精度要求高等特点，编制工艺方案时必须尽可能考虑将冲压工序组 介征起，这样不但可以减少模具数量及操作工位，还可以避免多次冲压的定位 误露，提高冲压件精度。 3 3 2 评判工艺方案优劣的基本原则 ( 1 ) 产品质最稳定可靠。即能够满足产品图规定的尺寸、精度和外观质量 等投求篮求，不产生废品。 f 2 ) 工序设置合理。在保证产品质量前提下，加工经济。 基于计算机仿真的汽车覆盖件冲压工艺研究 ( 3 ) 排样合理。排样省料，即材料消耗工艺定额较少；对有高强度要求的 冲i d b ，排样时应使弯曲方向尽可能垂直于材料的轧制方向。 ( 4 ) 模具加工较易，使用寿命高，有利于维修。 ( 5 ) 操作方便，安全。 3 4 绘制综合工序图 役蒜什工序图是根据产品图和覆盖件冲压工艺要求画出的，其作用如下： ( 1 ) 川该图描述零件的可加工性、成形性。 ( 2 ) 阐述每一工序的d n m 内容和范围，各工序间的衔接关系以避免设计及 后续工程的错误。 ( 3 ) 阐述数据基准。 ( 4 ) 指求南于改变冲压方向而转基准点后工艺模型的检查点c p 点。 ( 5 ) 用做制作断面图的n c 数据。 ( 6 ) 指示零件公差及预期的回弹值和克服回弹的措施。 刘j ：形状简单、尺寸较小的零件，可以在每副模具图的第一页右上角画出工 j f l ：冈，+ 如罔3 5 所示。而对于形状复杂的覆盖件，必须绘制综合工序图，如图 3 6 所卅i 。一副完整的覆盖件综合工序图应清楚地表达以下主要内容： ( 1 ) j “品名称、产：品编号、材 利私称、材料厚度，及产品数模所表 小的i ( 一般产品数模为单层面，料 n ；：及利厚方向用一根起始于数模表面 的线段表示，线段指向即为料厚方向， 线段k 度为料厚的1 0 0 倍绘图单位， 刈若料厚为0 8 m m ，则料厚线长度为 8 0 m m ) 。 ( 2 ) l ：序雩、工序内容( 文字 说1 9 j ) 、模具名称、使用设备。 ( 3 ) 各工序冲压方向、送料方 阳、填具巾心、数模旋转参考点及旋 转乃l m 干旋转角度。 严品名件： 厢1 i 骨；吓加强板壶座 r g 编 ：9 3 9 0 4 8 3 6 e d s s 一0 5 3 7 材 料0 8 己b 1 3 2 3 7 l26 b7 0 8 图3 5 简单零件工序件图 ( 4 ) 坐标线，( 车身坐标线) 明确零件装配状态，指示基准点坐标。 ( 5 ) 川于模具制造的协调孔，即c h 孔。 陔陋标孔应设置在零件的形状相对平坦的地方，而这个地方是后工序均被保 m 糸胖i 人坝l ：一学何论文基于计算机仿真的汽车覆盖件冲压工艺研究 f 7 “内地方，以便于它们将可用于整个全工序的模具制造过程。该坐标孔应取两个， 川如f 方式沣明：i l 位标出距基准线定位尺寸，或列表注明其坐标位置。 ( 6 ) 用于模具制造的检查点，即c p 点。 检布点用来检查所做模型的精度，当加工斜楔模具时，如需以某侧边为基准 时，可利用形状上的c p 点为加工算出加工基准线。 般应根据制件的尺寸，确定c p 点的数量，但至少取4 个点，所取的点在 制什i - 的位置尽量平衡；在有c a m 加工的制件中，其c a m 工作零件附近应保证 争少柏。一个c p 点；对车身坐标系而言，c p 点选取的位置尽量多的落在一个坐 书j i 、 | ；| f 内。 ( 7 ) 拉延工序应画出拉延凸模轮廓线、拔模斜度、工艺补充面形状、压料 而：j | ! ；状、拉延筋或拉延槛形状及中心线、压印标记位置、坯料尺寸 ( 8 ) 阶梯处拉延的形状描述和工艺补充。在断面上表示，并在平面指出补 允部分的范围。 ( 9 ) 允诈的吲弹。表示出允许值，回弹方向和范围。 ( 1 0 ) 弯曲( 翻边) 线及加工方法和范围( 在平面和断面图中体现) 。 ( 1 1 ) 整形、成形的方法与范围( 在平面和断面图中体现) 。 ( 1 2 ) 成形圆角，指拉延、整形的圆角。 ( 1 3 ) 在其他后续成形工序中，凸模、凹模、压料器的分界。 ( 1 4 ) 修边工序应画出修边线、废料刀位置、刃口切入尺寸、废料滑出方向。 ( 1 5 ) 冲7l _ 1 序应使用阴影线标出冲孔位置，并标出冲孔尺寸及公差，对需 婴剩筷f 由孔应标 h 冲孔斜楔方向。 图3 6 油底壳综合工序图 基于计算机仿真的汽车覆盖件冲压工艺研究 3 5 使用仿真软件a u t o f o r m 对相关方案进行计算机仿真 随0 j ：汽年上业的飞速发展，传统的冲压工艺设计方法已不能满足现今模具制 造行、门需要，有限元分析软件( 例如a u t o f o r m ) 中板料成形模块，为覆盖件冲 胍1 i 已i i 力、案准确、快速的制定提供了有力的保证。本文的研究中，主要使用板料 p 州川皑元分析软什a u t o f o r m 的增量法对拉延件的工艺性进行分析，为此有必 要刈a u t o f o r m 有一个全面的了解。 3 5 1a u t o f o r m 的特点 a u t o f o r m 是专r j 针对汽车工业和金属成形工业中的板料成形而开发的，融入 了| | j = 抖范围内的许多汽车制造商和供应商的诀窍和经验，用于优化工艺方案和进 行复杂，性而的模具设讣。适合于汽车制造商、汽车模具制造商和冲压件供应商， 进行产 开发、工艺规划和模具研发，其目标是解决“零件可制造性、模具设计、 j 桃化调试”。其特点如下： ( 1 ) 它提供从产品的概念设计直至最后的模具设计的一个完整的解决方案， 其1 婴模块有u s e r i n t e r f a c e ( 用户界面) 、a u t o m e s h e r ( 自动网格划分) 、o n e s t e p ( 步成形) 、d i e d e s i g n e r ( 模面设计) 、i n c r e m e n t a l ( 增量求解) 、t r i m ( 切边) 、 h y d r o ( 液压成形) ，支持w i n d o w s 和u n i x 操作系统。 ( 2 ) 特别适合于：复杂的深拉延和拉伸成形模的设计，冲压工艺和模面设 7 门验，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、 复介板) 的评估和优化等方面的研究。 ( 3 ) 伙速易用、有效、可靠：最新的隐式增量有限元迭代求解技术不需人 2 加i 述模拟过程，与显式算法相比能在更短的时间里得出结果：其增量算法比反 算法彳丁史加精确的结粜。即使是大型复杂制件，实践证实也是可行和可靠的。 ( 4 ) a u t o f o r m 带来的竞争优势：因能更快完成求解、友好的用户界面和易 于卜r 、刈复杂的工程应用也有可靠的结果等，a u t o f o r m 能赢接由设计师来完 成模拟，小需要火的硬件投资及资深模拟分析专家，其高质量的结果亦能很快用 求汁仆，在缩短产品和模具的开发验证时间、降低产品开发和模具成本、提高产 i 贡城l ：效果显著；对冲压成形的评估提供了定量的结果，给企业带来明显的竞 了r 侈e 芗，和1 1 j 场神i 遇。 基于计算机仿真的汽车覆盖件冲压工艺研究 3 5 2a u t o f o r m 的前处理与后处理 从数据输入到后处理结果的输出，a u t o f o r m 融合了一个有效开发环境所需 n ，j j ，i 仃模块，其图形用户界面经过特殊裁剪更适合于板成形过程：从前处理到后 处州! 的全过程与c a d 数据的自动集成，网格的自动自适应划分；所有的技术工 艺参数都已设置且易变更，设置的过程易于理解且符合工程实际。 a u t o f o r m 软件与其它c a d 软件的数据接口可以通过i g e s 、v d a 等数据标 冲：转换，并实现了与c a t l a 数据的直接转换。并具有以下特点：其偏移( o f f s e t ) 功能能很伙地从l n l 模( 或凹模) 生成凹模( 或凸模) ：能很方便地定义拉延筋和修 边轮廓等功能曲线：复杂形状的落料件和组合毛坯件的自动网格划分；对称件可 以1 2 扪述；能直接地将落料轮廓、拉延筋线和修边轮廓从c a d 带入模拟中。这 u s 1 f | j 大大简化了c a d 数据的输入。 蜞m 格，卜成器( a u t o m e s h e r 模块) ，网格自适应功能非常强，可以将l g e s 和v d a 曲m 转化成a u t o f o r m 能够识别的文件格式，在定义网格大小、最大表面 谈麓值后能很快完成高度复杂自由几何曲面的自动网格划分。对c a d 数据进行 尖f 恻祭( 自动倒圆) ，即在划分网格后检查工具几何模型的自由边界、棱边和副 f j l 九须人工二f 预及修改即可对棱边倒圆，在尖角处自动产生指定半径倒圆， 效率高。m1 二软件接触算法的特点，对工具采用曲面片( f a c e t ) 离散，对毛坯采 川嘲格t 弘儿剖分，自动检查孔、尖角和根切截面，因而可大量节省有限元模型前 处删的u , j i h j 。a u t o f o r r n 能根据计算的需要自动重新定义网格，生成成形件的适应 阽邓蜓j i 网格，采用的标准是几何和应变梯度。a u t o f o r m 的自适应网格划分产生 忆：一 l 确的几何分辨率和准确的结果。 a u t o f o r m 对模拟结果有恰当的表达方法： ( 1 ) 可以实时地观测计算结果，以便在计算初始阶段即可发现模型设置方 错以，避免浪费时间。 ( 2 ) u j 观测应力、应变和厚度分布、材料流动状况，可计算工具应力、冲 爪力，川实现材料标记、法向位移的标识，可生成对破裂、起皱和回弹失效进行 判定佝成形质量图以及成形极限图，在成形极限图上可标识变形临界区域、标识 菜 n 元的廊变路径。 ( 3 ) i t j 以进行一些特殊评估：几何体和结果的截面显示；状态改动后的后 期l d 小：川l i 弹评伊i 用的实际模型定位。 h 形显示支持o p e n g l 图形标准，能真实上色，能显示几何体的阴影图及伴 仃选定结果变量后的彩色分布图，动画能力和阴影图的实时旋转使后处理变得更 容易并使用户分析结果更方便快捷，弹击鼠标可显示零件的有关数据，数据结果 基于计算机仿真的汽车覆盖件冲压工艺研究 的输等。 动态翦辑和动态截面：用户界面的动态剪辑和动态截面支持板料和模具接触 m j n 0 准确评估，而乩模具闭合时板料的成形状态能很方便地观看和理解，这利 咖认模具在形状的任何改变后材料的流动和板料成形情况。 ： i _ 移线和冲击线的评价：通过在模具表面上定义滑移线和冲击线来评估它们 仵扳= f ： 由运动情形及其对制件质量的影响，并能自动确定板料和这些线的接触 。陆彤以及接触区域内材料的流动轨迹。 3 5 3a u t o f o r m 板料成形模块 ( 1 ) o n e s t e p 用来快速评价零件的可制造性 o n e s t e p 采用仅基j ：产品的一步成形算法，目标是对产品进行反复优化的多 次模拟。凶+ 先输入零件的c a d 数据，并进行孔洞和间隙填充以及棱边的倒圆处 删，进行一些i ：艺参数设置，可很快得到最小毛坯形状、裂纹和皱纹等成形缺陷， f l d ，反映伸k 量和厚度变化等质量目标的成形结果。它讨论产品可制造性、可 以实现毛坯反算，并对零件的可制造性快速评价。 ( 2 ) o n e s l e p b j n d e r 用来快速评估拉延件的成形性 它采f | 1 j 基于掩延什的一步成形算法，目标是对模具和工艺方案进行反复优化 的多次模拟，讨论模具的概念设计。即为增加成形性评价结果的精确性，可继续 输入i lr l 模轮廓线年i 翻边线，并考虑生成一个模面，通过考虑工艺补充部分，来增 加计筛结果精度。而且通过生成整副模具和完成增量模拟所需的输入，就可从 o n e s l e p 过渡到i n c r e m e n t a l 来更全面检查拉延成形障碍。它可解决在产品设计 阶段的一期成形性评价和不同模具概念设计方案的评估。 ( 3 ) l n c r e m e n t a l 用来进行可视化调试 i n c r e m e n t a l 采用基于拉延件的增量算法，目标是对模具和工艺方案进行反复 优化的多次模拟或为了确认模具和工艺方案而进行的有选择性的模拟，全面讨论 模j i 荆ii 艺设讣。 它使川许多现代模拟技术，如应用新的隐式有限元算法保证求解的迭代收敛； ? 1 州l i 效心的考虑利于求解回弹；采用自适应网格、时阶控制、复杂工具描述的强 仃j 接触茆法、数值控制参数的自动决定和使用精确的全量拉格朗日理论等保证 求解帙f mh 准确。采用新的切割算法来增加精度，可以确定任意一个非z 方向为 修边线的作方向，这就允许了斜楔修边和冲孔操作的模拟；它也可以在冲切线 剧对板料网格再划分，所以非常小的孔也可以精确切出。此外也可以算出考虑 扳、材料删化和修切线长度后所需要的冲裁力。 “ ：州1 人。产坝何沱文基于计算机仿真的汽车覆盖件冲压工艺研究 它吲时融入了许多工程应用技术，如压料圈压紧后工件状态的决定，基于前 述结果的后续运算( 继续开始) ，成形过程中的工艺切口，切边操作，最终制件的 弹汁钟；可用任意数值的力和位移控制工具工具的摩擦，采用位置相关和压 边力通时变化的压料圈，考虑了拉延筋和间隙调整块的模具模型，考虑了加工硬 化： = | | 施变率效应的各向异性材料模型：等效拉延筋阻力模型可以考虑板料经过拉 延筋时的弯阳、反弯曲效应，拉延筋的几何模型考虑了其压入深度；具有包括美 、1l 奉及欧洲的上百种材料的广泛的材料数据库，该软件的材料参数库开放性 姒，可以 j 行建立适应用户需要的参数库。 它i _ 以模拟整个冲压过程：板料的重力效应( 这对由于板料重量而下垂或变 形人，州零件是非常重要的) ，压料圈成形，拉延成形。压料面和凸模的几何形状 仃时会在拉延的初始阶段诱发大型皱纹的扩展，a u t o f o r m 可模拟压料圈下的皱纹 以及拉延过程中这些皱纹的变化，虽然这些皱纹一般都随着拉延的进行而消失。 而h ，往定义毛坯材料及性质的同时，可以定义工艺切口和工艺孔。在模拟