CAE技术在高难度成形件工艺策划方案中的应用

文/孙立民·一汽吉林汽车有限公司技术部冲压技术室

CAE技术在高难度成形件工艺策划方案中的应用

文/孙立民·一汽吉林汽车有限公司技术部冲压技术室

CAE（Computer Aided Engineering）是一种用计算机来对设计的产品或零件的性能、功能和安全性进行仿真的技术。CAE是一种工具，它能对各种形式的方案用计算机模拟来进行分析，并提出最优解决方案。

我公司新开发的某款车型的后横梁（图1）是一个成形难度很大的冲压件（材质为ST14，厚度为1.0mm）。在产品前期的设计评审过程中，中外双方的冲压工艺专家一致认为该零件的冲压成形难度极大。由于该零件的结构、强度、匹配等方面的制约，产品设计又不能进行相应的更改，这给此冲压件的冲压工艺规划方案设计带来了很大难度。该冲压件成形的难点关键在两端头部位，如图2所示，A部位开裂，B部位起皱，C部位叠料。此零件在样车试制时采用的是简易快速成形模具拉延成形，其表面质量存在的缺陷与上述判断基本吻合（图3）。

图1 某款车型的后横梁

图2 冲压成形难点

图3 表面质量缺陷

韩国CAE模拟分析情况

负责白车身冲压件工艺性评审的韩国某公司专家对该零件进行了成形性模拟分析，拟定了不同的几种方案，但效果都不理想。上述几种缺陷一直消除不了，特别是角部开裂的问题比较严重，韩国专家对该件没有好的解决方案。一次拉延，矩形料片的开裂（红色部分）现象非常严重（图4）。一次拉延，落料料片局部开裂（红色部分）未解决（图5）。二次拉延结果（图6）：局部改变造型，分两次拉延，角部的开裂（红色）和上部的叠料（蓝色）、起皱（浅蓝色）仍未消除。成形过程中，料片有严重的叠料趋势（图7），最终导致拐角处（图2，C处）叠料及起皱（图2，B处）严重。

图4 一次拉延矩形料片结果

吉林汽车CAE技术应用攻关概要

为解决这个难成形件的技术难题，我们利用AutoForm4.2软件进行CAE模拟攻关，采用如下解决方案及措施。

底角开裂问题解决方案

首先解决底角（图2，A处）开裂问题，具体方案如下：

图5 一次拉延落料料片结果

图6 二次拉延结果

图7 成形过程情况

（1）改造两端头几何形状，使其首次拉延成形容易，二次整形不开裂。如果不对两端头形状进行改造，用原产品形状造型拉延，其最终结果如图4所示。因此，如何合理地改造端头形状进行拉延成形是保障图2A部不开裂的关键。经过反复模拟，我们对端头部位进行了局部变形，如图8所示。

图8 改造后结果

图9 确定合适的毛坯尺寸及形状

图10 采取措施后结果图

图11 矩形毛坯底角部位开裂现象

图12 常规各拉深阶段图解

（2）确定合适的毛坯尺寸及形状。拉延板料的尺寸形状对下底角部的成形也有明显影响，经过多次试运算，找到了比较合适的板料毛坯尺寸（图9）。通过采取以上主要措施，再加上拉延筋参数的反复优化，初步解决了下部底角开裂的问题，如图10所示。当拉延板料为矩形毛坯时，一次拉延后，底角部位有开裂现象出现，见图11。

上部起皱、叠料问题解决方案

按常规的拉延方法，拉延件的几何形状决定了在拉深过程中注定要产生起皱、叠料（图2B、C处），从图12的各拉深阶段图解中可以看到这些现象。具体解决办法如下：

（1）非常规拉延法。为减轻拉深阶段的板料起皱问题，在拉延过程中采用了非常规拉延，在凹模内增加压料块（Pad）， 即在拉深阶段，压料块（Pad）始终与凸模（Punch）将板料（Blank）紧紧夹住，控制其起皱及叠料趋势，效果非常好，见图13。非常规各拉深阶段图解见图14。从图中我们可以看出，与不增加压料板（Pad）的各阶段图像比较可以看出差别明显，后者的成形效果好，见图15。为更好解决（B部）的起皱问题，我们给产品设计部门提出增加吸料凹坑的设计变更申请（ECR）。

（2）上翻边整形法。凸模先升起一定距离，拉延件放置其上，在上模将件压紧后，二者一起下行，上翻边刀块将两端改造后的局部形状最终整形到位，原理见图16。

图13 非常规拉延

图14 非常规各拉深阶段图解

后横梁工艺策划方案的确定

在做了大量的CAE模拟分析工作后，后横梁的冲压成形方案确定如下：落料（BL）→拉延（DR）→修边（TR+PI）→整形（REST）→冲孔、侧冲孔（PI+C-PI）。

图15 非常规拉延成形效果

结束语

后横梁端头成形具有典型性，现在为考虑整车车身的刚度、强度需求，很多零件的搭接匹配都有类似的结构设计。后横梁端头成形的CAE模拟分析案例，可以起到抛砖引玉的作用，为类似零件的工艺方案设计提供了一种比较好的解决方案。从另一个角度也说明，先进的计算机辅助分析（CAE）技术，是冲压技术工作人员必须掌握的技艺。

孙立民，冲压技术主管、高级工程师。专业方向：汽车覆盖件冲压工艺及模具设计。

图16 上翻边整形法原理图