CAE在汽车冲压件生产工艺中的优化应用

1、16模具工业2009 年第 35 卷第 7 期CAE 在汽车冲压件生产工艺中的优化应用秦家爱 , 仲梁维(上海理工大学机械工程学院 , 上海200093)摘要:汽车冲压件在设计过程中采用快速冲压可行性分析 ,结合有限元软件和 CAD 软件的造型功能 ,通过合理地分析、排样 , 达到节省材料、降低生产成本的目的 , 采用一步成形法有限元技术与增量有限元技术相结合的方法 ,分析设计出合理的工艺方案 ,并在生产实际中得到有效应用。关键词:排样;冲压可行性;生成成本;CAE 技术中图分类号: TP391. 72文献标识码:A文章编号:1001 - 2168()2009 07 - 0016 - 04Op

2、timization a pplication of CAE technology inprocessing automotive sta mpingsQIN J ia-ai ,ZHONG Lia ng-wei( Colle ge ofMec ha nical Enginee ring , TheUnive rsity of Sha nghaiforScie nce a nd Tec hnology ,Sha nghai 200093 , China )Abstract : Rapidforming a nalysiswasappliedin the designof a n a utomot

3、ivep a rt .The mate rialwassa ved a nd the p roduction cos tswe rereducedbas ed on a reas onable layout designa nd by usingtheFEM s oftwa re a nd the modeling f unction ofCAD s oftwa re .A p rocesspla nwasdevelop ed using aone-s tep forming method a nd the inc re me ntalfiniteele me ntmethoda ndhasb

4、ee nin effective application .2Key words : la yout design ; feasibilityof s ta mping ;p roduction cos t ;CAE tec hnology1引 言汽车工业是一个国家国民经济的支柱产业 , 是工业化程度的标志 , 钣金冲压件在卡车中总重量超过 1/ 2 ,在轿车中达到 3/ 4。随着经济全球化和一体化的不断发展 , 汽车制造企业之间的竞争日趋激烈 , 汽车冲压件更新换代的步伐不断加快。汽车冲压件设计制造中焦点问题是如何在保证质量的前提下达到成本最低; 同时进一步缩短冲压件的开发周期 ,也是汽车冲

5、压件成为竞争取胜的决定因素。随着计算机技术的不断发展 , CAE(计算机辅助工程) 技术目前已经在各大汽车模具厂广泛用于产品模拟分析、冲压件成形过程分析。通过提前对产品可能出现的成形缺陷进行研究 , 预示汽车冲压件成形的可行性。通过计算机数值模拟技术 , 达到在设计阶段对冲压件质量进行预测 , 控制成本 , 提高产品工艺设计的合理性 , 减少因为设计的错误而造成返修。应用于汽车冲压件分析的主流软件是增量收稿日期:2009 - 01 - 25 。作者简介: 秦家爱 ( 1974 - ) , 女 , 安徽舒城人 , 工程师 , 主要从事冲压 CAE 软件的技术支持工作 , 地址: 上海徐汇区肇嘉浜

6、路 777号 908 室 , ( 电话), ( 电子信箱) xiaoqin-99 sina . com。求解软件 , 由于增量求解软件在前处理阶段花费大量的时间 ,计算速度相对较长 ,它非常适合冲压工艺最后验证阶段使用。一步成形技术可以在冲压件设计和早期工艺设计阶段发挥设置简单、求解速度快的优势 ,如果把一步成形法和增量求解法相结合 ,就能达到兼顾精度、提高效率的目的 ,目前这类方法在汽车工业界被广泛地采用。2 降低成本措施及可行性分析2. 1 降低成本降低汽车冲压件生产制造成本包括降低材料成本、生产成本、人力成本等 , 其中降低生产成本和降低人力成本的空间已经很小

7、, 现在对于材料成本的控制显得更为迫切。冲压件在最初设计阶段采用 CAD 和 CAE 相结合技术 , 根据 CAE 的成本计算结果 ,调整几何形状 ,使冲压件展开后的外轮廓面积最小 , 结合 FormingSuite 软件的 Costoptimizer 优化软件包 ,对汽车冲压件的仿真工艺设计过程进行分析 ,通过降低材料等级、厚度和增大冲压件设计的圆角半径及修剪冲压件的边缘各项措施 , 达到降低材料成本的目的。 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.http:/www.

8、模具工业2009 年第 35 卷第 7 期172. 2冲压可行性分析以根据冲压件形状自动计算合理的冲压方向和显示在钣金冲压件和工艺设计阶段 , 对于已有的冲冲压负角。压件 , 并不能预先知道坯料的几何形状。不同的冲压件形状和工艺条件会生成不同的坯料形状和尺寸。采用不成熟的技术时 , 会造成冲压件不合格甚至报废。为了缩短设计过程和降低整个成本 , 快速分析技术显得非常重要。有限元方法提供一个工具 , 能够把试验和不成熟的方法从昂贵的现场搬到相对便宜的计算机模拟。现结合拉延件产生起皱的状况 , 通过快速冲压 CAE 分析 , 找到合理的拉延成形条件 ,加速冲压件开发进度。3汽车冲压

9、件设计制造中的应用图 2 原冲压件冲压分析结果3. 1应用案例 3. 1. 1工艺分析利用 FormingSuite 软件计算冲压件的展开尺寸 ,某汽车冲压零部件支架如图 1 所示。零件采用并且以 IGS 或 DXF 格式导出 , 坯料尺寸如图 3 所深冲压用钢板 DC04 , 料厚 2. 25 mm。零件是汽车内示。坯料尺寸的计算准确率达 98. 6 %以上。利用已板支撑件 ,在主视图方向零件最大外轮廓尺寸 1 099有的坯料 , 比较各种排样 (单排、双排、单张冲裁等)mm 493 mm。零件一侧有数个加强筋 , 弯曲折边部方案和模具成本 , 得出双排排样生产该零件成本最位增加 2 个小的

10、加强筋 , 保证支撑件有足够的刚低。度。起伏形状分布合理 , 弯曲部分最大深度 45. 5mm ,弯曲半径 R6 mm。冲压件在冲压成形后要求厚度分布均匀 ,不允许有开裂和严重变薄现象。图 3 坯料尺寸根据冲压件坯料形状 , 利用 FormingSuite 软件通过对冲压件材料的基本成本、废料成本、辅助材料和图 1 冲压产品模型额外成本等分析计算自动算出单个零件的加工成本 ,加上已输入的模具成本 , 计算得到加工单个冲压件的冲压件的材料特性如下 : 应变强化系数 k =总成本。成本结果以 HTML 和 excel 的格式输出。575. 145 MPa ; 硬化指数 n = 0. 126 ; 各

11、向异性系数3. 1. 2 降低生产成本r = 1. 547 ;杨氏模量 = 210 GPa ;泊松比 = 0. 3 ;屈服应降低材料等级 , 原零件材料采用深拉延钢板力 = 161. 7 MPa 。输入厚度和成形条件 , 利用 FormDC04 ,现选用性能低一等级的材料 DC01。为了验证ingSuite 软件求解 , 根据有限元求解结果 (见图 2 所冲压可行性 , 在冲压 CAE 软件 FormingSuite 快速求示) 和成形极限图 , 判断冲压件在冲压成形时是安解 , 得出本次降低材料等级是可行的。冲压件无开全的 ,可一次冲压成形。裂现象 , 满足质量要求。通过成本优化软件计算其2

12、材料成本 , 比原来材料成本降低 18. 5 % 。降低零件不同的冲压方向影响最终成形零件形状 , FormingSuite 不仅可以快速选择所需的冲压方向 , 而且可2的材料厚度 ,零件最初材料厚度为 2. 25 mm , 根据冲 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.18模具工业2009 年第 35 卷第 7 期压件的形状 ,改用材料厚度为 1. 75 mm。为了保证冲压件质量 , 在冲压 CAE 软件里重新求解 , 得到冲压件的

13、冲压可行性良好。前后比较发现减少厚度 , 材料成本降低 5. 1 % 。同时降低冲压件材料等级和厚度 , 得到成形结果如图 4 所示 , 冲压件仍然在可成形范围内 , 材料成本降低 23. 6 % 。改变材料特性 , 会影响冲压件的使用性能。本冲压件主要的问题是要满足一定的强度要求。DC01 材料的抗拉强度是 392 MPa , 降低材料等级 , 冲压件的强度是增加的; 材料厚度的减少 , 冲压件的强度降低 , 所以二者一升一降 , 原冲压件的强度基本变化不大。零件是应用在交通运输客车上的侧围部件 , 形状如图 5 所示。最终的形状显示零件是左右对称结构 ,零件最大外轮廓尺寸 2 160 mm

14、 749 mm ,平面与圆弧面过渡处的最小圆角半径 R4 mm , 在图中显示半凹圆形的成形部位 ,是变形程度最大的区域 ,冲压件材料采用镀锌深拉延钢板 DC54D + Z , 料厚 1 mm。由于汽车覆盖件具有外形尺寸较大 , 材料比较薄 ,形状起伏大 ,尺寸精度与表面质量要求较高等特点 ,在拉深成形过程中容易出现开裂、起皱现象。对本冲压件在冲压前可能产生的缺陷作了初步预估 ,由于最大成形部位集中在最终形状的边缘处 , 如果增加适当的补充边 , 可以控制冲压成形时产生开裂的风险。初步设计在产品外轮廓的四周增加补充边 ,如图 6 所示。冲压成形分析结果如图 7 所示。图 4更改材料和厚度后的成

15、形结果图 5 客车侧围部件模型修改冲压件的形状 , 必须在有修改权限的部门才能实施 , 下述降低成本的措施 , 一般是在冲压件设计阶段完成的。增加冲压件的圆角半径 , 这种方法的宗旨就是为了得到面积更小的坯料形状 , 利用设计冲压件的 CAD 软件修改圆角半径由 R6 mm 到R10 mm ,材料长度缩短 3. 42 mm。通过在有限元软件 FormingSuite 里的 CostOptimizer Advanced 软件包 , 修剪冲压件的边缘 , 这些边缘是非关键边 , 并不影响冲压件的使用特性。软件根据已修改的冲压件外形 ,重新计算材料成本和基本成本相比降低 6 % 。上 述各种方案降低

16、成本幅度为 0. 5 % 31. 1 % 。若考虑整个零件的模具成本 ,当冲压件批量为 100 万件时 , 则该零件在整个生产周期中最多可降低材料成本约 660 万元。由此可见该软件的应用可以为企业大大节省冲压件的成本。3. 2 应用案例 3. 2. 1 工艺分析图 6试冲压产品图 7冲压成形分析结果(下转第 39 页) 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.模具工业2009 年第 35 卷第 7 期39时压料块停止运动。上模则在滑块

17、的带动下继续向下运动 , 上模修边刃口切入板料 , 将废料与零件切下分离 , 分离的废料落于下模。然后上模和压料块在冲床滑块作用下回到初始位置 , 手工或自动取出零件。4 结束语复合模生产效率高 , 但结构复杂 , 为了保证零件的质量 , 除了要有合理的模具结构和合适的模具材料及热处理工艺外 , 还要有先进的加工技术 , 采用数控加工保证了质量。轿车左/ 右侧前横梁采用修边冲孔复合模 , 既能提高零件质量 , 又能满足大批量生产的要求。参考文献: 1史铁梁 . 模具设计指导 M . 北京:机械工业出版社 ,2003. 2徐政坤 . 冲压模具及设备 M . 北京:机械工业出版社 ,2005. 3

18、何建文 . 模具先进制造技术 M . 北京:机械工业出版社 ,2000. 4许发樾 . 实用模具设计与制造手册 K . 北京:机械工业出版社 ,2000. 5党根茂 . 模具设计与制造 M . 西安:电子科技大学出版社 ,1999. 6赵昌盛 . 实用模具材料应用手册 K . 北京:机械工业出版社 ,1999. 7丁松聚 . 冷冲模具设计 M . 北京:机械工业出版社 ,2002. 8翁其金 . 冲压工艺及冲模设计 M . 北京:机械工业出版社 ,2004.(上接第 18 页)3. 2. 2 方案改进根据零件现有起皱部位 ,作了工艺补充边设计的改进 , 在成形条件方面添加了适当的压边力 , 在相应部件增加拉延筋 ,把重新生成新的补充边的零件模型导入到 FormingSuite7. 1 软件进行求解 ,得到了理想的结果 ,如图 8 所示。图 8方案改进后结果根据一步求解法的工艺方法 , 导入到 Forming2Suite7. 1 的 FAST incremental 模块求解 , 该模块是基于 ls-dyna 求解器的方法 , 得到前面设置的工艺条件完全满足设计要求。结合 CAE 分析结果 , 最终确定该冲压件的工艺方案:成形 整形 切边 修边。4 结束语结合有限元软件 ,通过计算机模拟、分析冲压件的冲