汽车前围板拉延成形模面及工艺优化

1、汽车前围板拉延成形模面及工艺优化彭广威（湖南汽车工程职业学院湖南株洲 412001）摘要：汽车复杂覆盖件的拉延模面决定了冲压件的成形性、表面质量和尺寸精度，是其成 形模具设计的核心和关键，合理设计工艺补充面可有效改善板料变形的均匀性。本文基于CAD/CA协同设计思路，对某新款汽车前围板零件拉延成形过程进行数值模拟，通过对模拟 结果的分析，设计合理的拉延成形模面，同时进一步优化成形参数。通过对模拟结果与实际 产品进行了板料厚度对比分析，优化后的模拟结果与实际成形产品的变化趋势相同，模拟精 度可靠。通过成形数值模拟，可预测板料的成形缺陷，对产品结构及冲压成形模面的优化设 计提供了可靠的指导，而且可

2、极大缩短周期，节约成本。关键词:汽车前围板、拉延成形、数值模拟中图分类号：TG385The Optimizati on of the die surface and Form ing Process for Car Dash PanelPENG GUANG-WEI（Hunan Automotive Engineering Vocational College , Zhuzhou, Hunan 412001） Abstract: The drawing die surface of complex automotive covering parts determines the formabil

3、ity of the stamping, surface quality and dimensional accuracy, and is the core of its formi ng die desig n,the reas on able desig n of adde ndum surface can effectively improve the uni formity of sheet metal deformati on. I n the article,Based on CAD/CAE collaborative desig n ideas, the stamp ing pr

4、ocess of a new car dash panel parts was simulated, through the an alysis of simulati on results, the draw ing mold surface was desig ned, and forming parameters were optimized. Thec on trast an alysis of the simulati on results with the actual product sheet thick ness shows that the optimized simula

5、ti on results and the actual forming products have the same cha nge trends, simulation therefore is reliable. Through forming numerical simulation of sheet metal forming defects can be predicted, the product structure and the optimizati on desig n on the surface of the stamp ing die provides a relia

6、ble guide, and can greatly shorte n the cycle and cost sav in gs. Key words :Car Dash Panel、Drawing Forming、Numerical Simulation基金项目：2014年湖南省高等学校科学研究项目“基于三维数字化RE与CAE技术的汽车前围板结构及工艺优化” （14C1202）作者简介：彭广威（1975-）,男,在读博士，副教授。研究方向：材料成形理论及技术通讯地址:湖南省株洲市红旗北路 476号湖南汽车工程职业学院.邮编:412001电话, Email :4471

7、66561、引言汽车前围板是汽车发动机舱与车厢之间的隔板，为典型的汽车覆盖件零件，与一般冲压件相比，具 有材料薄、尺寸大、结构复杂、材料强度高、表面质量要求高等特点。覆盖件成形的基本工序包括：拉 延、修边及翻边等，其中拉延成形工序最为关键 1。本文采用有限元分析软件Dynaform对某款新型车的前围板零件的拉延成形进行了模拟仿真，通过模拟分析，利用 CAD软件对零件的成形模面进行了优化设计，并进一步调整成形工艺，合理设置拉延 筋，从而避免了开裂和起皱等成形缺陷，保证了工件质量，CAD/CAE的协同设计能有效指导汽车覆盖件产品的开发与生产2。2、零件的工艺性分析及数模预处理汽车前围板零件如图 1

8、所示，材料为DC06零件的长、宽、高的尺寸约为1400mm< 540mnX 210mm,材 料厚度为1.6mm零件表面有20个大小各异的孔，而且在零件的两端和中间存在明显的高度差，零件成 形工艺较复杂，主要包括拉延、切边冲孔、翻边、冲孔整形等工序。本零件的冲压成形质量主要取决于 第一道拉延工序，因其形状复杂，必须通过数值模拟分析其拉延成形工艺性，以设计合理的拉延模面及 成形工艺参数3。图1汽车前围板零件Fig.1 Car Dash Panel3、预成形模拟与结果分析在对零件进行结构与工艺优化之前，利用Dynaform软件进行冲压成形预模拟，分析零件的成形工艺性，分析板料的变形状态与规律，

9、找出存在开裂及起皱等缺陷的地方，然后有针对性地对零件拉延模面 结构及成形工艺进行改进和优化。3.1产品模型预处理产品的翻边、凸缘及孔洞一般都是通过后续工序成形出来的，故拉延工序模拟时，需对原始零件数字模拟进行预处理。数模的预处理是将原始零件中的孔洞填充、翻边展平、边界面的延伸以及调整冲压成形方向，生成拉延工序成形的曲面数模。为减少在Dynaform中对模型进行设置与操作的工作量，零件曲面数模的预处理可先在三维CAD软件中进行，完成后的凹模曲面模型如图2所示。图2零件数模的预处理Fig.2 Preproccess of the digital model3.2预模拟分析模型该零件材料为国产冷轧低

10、碳钢DC06模拟时采用材料库中的DC06#36材料模型，其相关参数定义如表1所示。表1材料参数Table1 Material parameters材料牌 号板料厚度t/mm屈服强度CTs/MPa抗拉强度crb /MPa泊松比V弹性模量E/GPa强化系数K硬化指 数N各向异性系数RooR45R90DC061.601803500.282076480.221.621.552.10在将模型调入到 Dynaform中后，通过偏置凹模的方法生成凸模和压边圈，模型中凸模、凹模及压边圈均定义为刚性材料。分析中采用Belytschko-Tsay薄壳元理论，坯料的网格采用自适应划分，等级为 3可满足零件的成形要求

11、 。凸、凹模单边间隙采用1.1t，即1.76mm，毛坯与模具部件间的摩擦系数为0.125,压边力根据公式 F=Aq初步计算取300KN，成形速度 3000mm/s，压边速度 2000mm/s。3.3预模拟成形结果分析预模拟成形的FLD如图3所示。从图中可看到：（1）前中间内凹转角处（A、B处）有开裂危险外， 板料多数地方有严重起皱或呈起皱趋势。通过分析冲压模拟过程得知：A、B处的开裂危险是因为直边面拉延过深，变形程度大而过渡圆角太小，同时C、D处的严重起皱，造成该处板料无法顺利流动补给；（2）板料四个角E、F、G、H等区域出现严重起皱，是由于两侧的凹面较平坦，变形程度过小，板料流入凹 模后形成

12、褶皱；（3）后侧I、J等区域出现严重起皱是由于后侧面过于平缓，板变形程度小而造成板料堆 积所致；（4）顶部K、L等区域出现严重起皱，而其它部分区域板料未充分变形，是由于压料面不平顺， 进料不均匀，一部分区域材料流动阻力小，材料较多地流入凹模型腔形成褶皱，另一部分区域材料流动 阻力大，造成零件后平面部位及两侧球凹面成形不充分，局部区域未达到预期的形状，模拟成形产品的质量不符合要求。IWW河重起皱区r严宣起皱区图3预模拟成形FLD图Fig.3 FLD of Preparatory Bia nk Forming4、凹模型面结构优化及工艺优化分析成形失效原因后，拟从以下三个方面进行改进：（1）根据模拟

13、结果增加工艺补充面，在出现严重起皱区域增加拉延台，通过拉延台吸收变形时多余的材料，从而改善板料变形的均匀性；（2）进一步光顺轮廓边界，设计合理的压料，以保证材料的流动性；（3）根据模拟变形过程分段设置拉延筋，并优 化其相关参数。4.1拉延凹模型面优化两侧増设拉 延台翻边补充成 嚐谀拉延台减小直边拉 延奇度塔设拉延过 曳台阶拉延凹模面的型面优化主要包括压料面优化及拉延零件工艺补充面设计。压料面及工艺补充面设计 如图4所示。主要包括:图4优化后的凹模曲面模型Fig.4 The Optimized Die Surface Model（1 ）根据前后两侧零件的拉延高度变化利用截面法设计平滑压模曲面5，

14、模口圆角取810mm。（2）在前端A、B等可能出现应力集中而开裂的地方增设前后拉延变形过渡台阶，减小直边拉延高 度，留下部分区域在后续的切边、翻边及整形工序中再进行成形。(3) 在两侧凹面处增加拉延台，以改善零件各方向变形的均匀性，使两侧充分拉延，避免因材料流入凹模内堆积而造成 E、F、G、H等区域起皱的问题。这部分的拉延特征要在后续的切边工序中切除,然后再进行侧端翻边，所以要预留足够的切边尺寸。(4) 将后侧的翻边面进行侧向延伸补充成拉延台，不仅可改善板料变形的均匀性，避免I、J处的起皱，同时可直接将后侧翻边成形，多余板料在后续工序中进行切除。4.2成形工艺优化将优后化的曲面模型重新导入Dy

15、naform，为了调节板料流进模腔的进料阻力，需在压料面上适当位置设置拉延筋，在有限元仿真分析中，采用等效拉深阻力代替实际拉深筋，拉延筋为复杂的空间曲线，离模口的距离取30mm。经多次模拟优化， 最终设置的拉延筋位置如5所示，设定其完全锁模力为 500N。因顶部成形特征较复杂，为保证质量，将模具单边间隙调整为5%，模面优化后的压边力取240KN。图5拉延筋的设置Fig.5 The Draw-bead Sett ing4.3优化后的模拟结果经多次参数优化后的成形模拟FLD如图6所示。在成形零件的有效区域内，开裂危险区和严重起皱区基本消除，起皱趋势区大幅度减小，产品各成形区域达到预期的形状，表面较

16、为光整平滑，质量符合要求。图6 优后化的成形FLD图Fig.6 FLD of Optimized Bia nk Forming4.4成形产品的对比分析通过模面及工艺参数优化后的成形产品实物如图7所示。图7成形产品实物Fig.7 The Real Forming Product通过观察对比，产品补面区和压边区的局部起皱区域与模拟结果能较好的吻合。为进一步验证数值模拟精度，选择了如图8模拟结果中所示几处关键部位与产品实物进行了厚度对比，其中A、B、C、D、E处为变薄较严重区，F、G、H、I、J处为变厚较严重区。对比结果如表2所O一八图8板料模拟成形的厚度变化Fig.8 The Thick ness

17、 of The Sheet Forming Simulatio n表2模拟结果与产品实物的厚度对比Table2 The simulatio n results compared with the thick ness of the product部位模拟厚度值（mm）产品厚度值（mm）偏差值（mm）A1.151.21+0.06B1.281.27-0.01C1.301.32+0.02D1.161.23+0.07E1.181.29+0.11F1.781.77-0.01G1.841.80-0.04H1.761.78+0.02I1.731.78+0.06J1.741.82+0.08由对比数值可得：模拟

18、结果与实物成形后的厚度变化基本趋势相同，整体模拟精度较高，但也存在一些厚度值的偏差。分析原因主要有： （ 1）数字模面的一些转角通过多次倒圆角而成，并不光顺，而实 际模具的转角曲面是通过钳工多次修磨，在冲压润滑剂的作用下减轻了变薄趋势，如A 、D 处；（2）实际板料的各向异性与模拟时的板料参数有一定差别，同时因为压边力误差的存在，从而使得部分区域的 偏差值较大，如 I、J 处。4、结论（1）通过 CAE/CAD 协同设计， 根据模拟结果， 反复对汽车前围板的成形模面及成形工艺进行了优化 设计，优化后的模拟结果与实际成形产品的厚度变化趋势相同，模拟精度可靠。（2）拉延模面决定了冲压 件 的成形性

19、、表面质量和尺寸精度，是复杂覆盖件成形模具设计的核心和 关键，合理设计工艺补充面可有效改善板料变形 的均匀性。（3）通过成形数值模拟，可预测板料的成形缺陷，对产品结构及冲压成形模面的优化设计提供了可 靠的指导，而且可极大缩短周期，节约成本 6 。参考文献：1 王秀凤，郎利辉 .板料成形 CAE 设计及应用 M. 北京 :北京航空航天大学出版社 ,2008.1.105-119.Wang Xiufeng, Lang Lihui. Sheet Metal Forming CAE Design and ApplicationM. Beijing: Beijing University of Aeron

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21、（ 3）：15-19.3 陈泷，陈炜，单英，等 . 复杂车身覆盖件拉深模具模面设计研究J. 热加工工艺， 2014，43（ 7）：89-91.Chen Long, Chen Wei, Shan Ying,etc. Study on Die Face Design of Complex Automobile Panel DrawingDieJ. Hot Working Technology ，2014，43（7）： 89-91.4 彭广威 . 汽车仪表盘支架数值模拟与工艺优化 J. 热加工工艺， 2013，42（ 19）： 95-99.Peng Guangwei. Numerical Simul

22、ation and Technology Optimization on Forming of Instrument BoardBracket for AutomobileJ. Hot Working Technology ，2013，42（19）： 95-99.5 胡平. 汽车覆盖件模具设计 M . 北京：机械工业出版社， 2011.3. 102-118.Hu ping. automobile panel die designM. Beijing: China Machine Press,2011.3. 102-118.6 苏春建，于涛 .金属板材成形 CAE 分析及应用 M. 北京：国防工业出版社 ,2011.5.198-213.Su Chunjian, Yu Tao. Sheet Metal Forming CAE Analysis and ApplicationM. Beijing: National Defence Industry Press,2011.5.198-213.专家审稿意见：文章基于 CA