左右后门窗框支架零件冲压成形工艺有限元分析

于丹

摘 要：本文探讨以AutoForm冲压工艺有限元分析软件为平台，以左右后门窗框支架汽车零部件为载体，针对零件的结构特点进行冲压成形工艺有限元分析，模拟材料的成形过程，分析零件冲压成形工艺过程中的缺陷问题，通过零件工艺结构的反复修正，实现解决冲压工艺缺陷问题的目的，从而辅助设计人员进行模具结构的优化设计。

关键词：AutoForm 左右后门窗框支架 冲压工艺 有限元分析软件

汽车的左右后门窗框支架对称件如图1所示，它是两个具有对称性特点的结构零件，零件结构不规则，具有弯曲、拉深等复杂成形工艺特点。零件材料为ST14，是普通结构钢的冷轧钢板，属于深拉伸级冲压材料。现在汽车产品的开发生产周期越来越短，相关模具的生产周期也越来越短，但是冲压产品较为复杂的成形工艺往往是其产品生产的难点，相应的模具开发、设计、调试也很复杂，为此我们采用冲压工艺有限元分析软件进行产品的冲压工艺模拟分析，可以帮助设计人员准确地把握冲压工艺的缺陷，从而调整工艺结构，优化模具结构设计。

图1 左右后门窗框前支架对称件

一、零件冲压工艺分析

图1所示的左右后门窗框支架零件是两个具有对称结构特点的零件，对称零件的两侧具有弯曲、成形等较为复杂的工艺特点，如果我们只针对一个零件考虑，根据经验可知，零件在成形过程中会受到单边的侧向力，容易导致材料出现偏移、起皱等缺陷问题，并且这些缺陷问题比较难于解决。对此，根据对称性零件的结构特点，我们把对称的两个零件设置在一块材料上一起进行冲压成形，这样可以使两个零件所受的单边侧向力相互抵消，在一定程度上克服了冲压工艺的缺陷问题，最后将材料一分为二，就可以得到一对对称零件。

根据上述左右后门窗框支架零件的冲压工艺分析可知，该零件的冲压工艺大致可以分为：落料、成形、冲孔切边、切断、弯曲五个基本工序。我们采用把两个对称零件放在一起进行冲压成形的方法，会增加成形工序的加工难度，因此设计零件的成形工艺结构能否保证零件在一次性加工中成形，这对设计者提出了较高的要求。

二、基于AutoForm冲压工艺有限元分析

左右后门窗框支架零件冲压工艺的重点和难点是成形工艺，而落料、切断、弯曲等工艺相对简单，根据以往的经验设计方法基本能确实现产品加工的一次性合格；但是针对深拉伸级的ST14材料的成形工艺来说，以往的经验设计已很难确保产品加工的一次性合格，如果不能一次性调试解决，而需要对成形模具进行修改，则是一个非常困难的事情，也容易导致产品成本的大幅度增加，并拖延产品开发的周期。为此，我们将经验设计与AutoForm冲压工艺有限元分析软件相结合，通过辅助设计人员进行设计，能够准确把握零件冲压工艺的缺陷问题，便于在模具制造之前优化结构设计，从而预见性地发现和解决设计中的缺陷。

1.压延筋工艺结构有限元分析

AutoForm应用新的隐式有限元算法保证求解的迭代收敛；采用自适应网格、时阶控制、复杂工具描述的强有力接触算法、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快捷准确。同时它还融入了许多工程应用技术，AutoForm对模拟结果融合了许多有效的解释，并可以实时地观测计算结果：可观测应力、应变和厚度分布和材料流动状况；可计算工具应力、冲压力；可实现材料标记、法向位移的标识；可生成对破裂、起皱和回弹失效进行判定的成形质量图以及成形极限图；还可以进行动画显示和截面分析等。

根据左右后门窗框支架对称零件成形工艺的经验分析，为防止成形过程中材料过快流动而起皱，经验设计之一就是在压边圈的周边设置一圈压延筋，材料经过压延筋的工艺结构由压边圈向零件内部流动成形，起到减缓材料过快流动的作用，防止零件弯曲、拉深成形的部位材料堆积而起皱，基于压延筋工艺结构的AutoForm软件模拟成形工艺如图2所示。图2（a）为冲压成形工艺的凹模、压边圈、凸模结构设置图，图（b）为压边圈上的压延筋结构，其分析结果如图3所示。

（a） 冲压成形冲压成形工艺的凹模、压边圈、凸模

（b） 压边圈上的压延筋

图2 基于压延筋工艺结构的冲压成形

图3 基于压延筋工艺结构的有限元分析结果

从基于压延筋工艺结构的有限元分析结果来看（见图3），材料很明显地在拉深成形部位出现了严重的开裂现象，虽然压延筋工艺结构解决了起皱问题，但是由于压延筋使材料受到较大的摩擦阻力，不能良好地向内部补充材料而出现开裂，所以此时的压延筋工艺结构明显不合理。

2.包覆面工艺结构有限元分析

根据压延筋工艺结构所产生的问题，为了既防止材料过快流动，又能在一定程度上减小摩擦阻力，还能使材料在受控的条件下成形。我们采用在凸模外围周边设置包覆面的工艺结构如图4（a）所示，压边圈与凸模包覆面结构如图4（b）所示，其分析结果如图5所示。

（a） 基于包覆面工艺结构

（b） 压边圈与凸模包覆面结构

图4

图5 基于包覆面工艺结构的有限元分析结果

从基于包覆面工艺结构的有限元分析结果来看（见图5），与压延筋工艺结构相比，材料开裂现象得到了较好的控制，但局部还出现一些小的开裂现象，如图5所示。小开裂对应的边缘部位材料流动不顺利，从而导致两个凸起的角部材料补充不足而开裂。该处的工艺结构与压延筋工艺结构不同，主要是由于包覆面的工艺结构增加了零件后续切边、切断的高度，为了减小后续工艺的难点，在包覆面工艺结构的两个对称零件中间设置为规则的过渡平面。包覆面工艺结构对零件的成形基本是成功的，只需再进行局部的工艺修改即可，即在局部开裂的对应处设置较大的圆弧，并结合压延筋工艺结构的优点，分析结果如图6所示。

图6

由图6的有限元工艺分析可以看出，经过对局部工艺圆角的修改后，包覆面工艺结构的冲压成形结果是良好的，相关指数都没有超出安全范围。在此冲压工艺分析的基础上，我们再结合经验进行模具结构的优化设计，就能够保证模具的一次性调试成功。

三、结语

基于AutoForm冲压工艺有限元分析软件的左右后门窗框支架零件工艺分析，并与工程设计人员的经验相结合，模拟材料的成形过程，根据冲压成形工艺经验结构的反复修正，分析零件冲压成形工艺过程中的缺陷问题，最终确定合理的工艺结构，从而辅助设计人员进行模具结构的优化设计，大大提高了结构设计的科学性，降低了生产成本。

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（作者单位：无锡技师学院）