汽车燃油箱上箱模具设计及加工流程研究

2020-06-22泸州职业技术学院付波

河北农机 2020年5期

泸州职业技术学院付波

随着现代国内模具行业的发展，将先进模具与油箱的生产联系成为一种必然，而现有中小型企业由于资金、时间、技术等各方面原因导致研制先进的模具进行油箱技术的改进存在一定的难度，为此，将有限元分析软件Dynaform 运用到模具的设计与优化过程中，这样做可以降低模具实际制造费用，单位时间内能够生产更多的产品，增强模具生产厂在行业内的核心竞争力。

汽车油箱的形状较大，有一个特殊的空间表面形状，模具很重，使整个燃料箱模具制造过程复杂，制造成本高。因此，我们要着重讨论和解决几个问题：在保证油箱质量的前提下，怎样设计生产出符合质量要求的模具，而且还要保证模具越轻越好。

1 油箱上箱的成型技术

汽车油箱按材料分为铁油箱和铝油箱。随着各种新型材料的发展，铁燃料箱的防锈问题成为最大的问题。尤其是在当今的环境意识日趋增强的情况下。在重型车辆方面：影响新车型推进的问题是我国的石油质量，这是油箱质量的关键。铝合金油箱不仅能满足强度和耐腐蚀性能，而且比铁和其他材料有更大的应用前景。它也已成为高油耗的大型客车和重型卡车的首选。

汽车油箱由上箱、下箱、吸油槽、通风管、进油管、防浪板、加固板、电喷泵固定板、内部总成、固定件等组成。在本文中，主要研究汽车油箱上箱，使之可以扩展到整个油箱。

汽车油箱上箱外围尺寸很大，本文研究的s201 油箱长和宽分别达到1.051 米和0.537 米。而且，油箱表面凹凸不平，立体感强，元件厚度仅有2mm。这与我们常用的铁碗、文具盒、黑板擦等尺寸相对较小、形状相对简单的用具不同。汽车油箱冲压模具具有形状复杂、结构尺寸大的特点。

绝大部分油箱的生产都需要采用模具利用拉伸成型，由于零件的冷冲程序不简单，我们经常需要用到CAE 成型软件（例Dynaform、deform），对零件在拉伸变形过程中的形成裂纹等问题进行数值仿真。我们在对油箱上箱产品检查时，还需要用到三坐标测试仪及特殊测量措施，在实际零件检测过程中，评估其尺寸和形状。

1.1 汽车油箱上箱的模具设计

油箱上箱的构造、表面及大小会影响产品的技术参数，冲孔、落料、拉伸等完成的难易性也会受技术参数的影响。大部分油箱是简单、快速成型的，从而尽快生产合格的油箱上箱制件。

在拉伸时，我们需要明确拉伸的总次数和各个工序开展的先后问题，在接下来的处理过程里，非常核心的技术是定位基准的一致性或定位基准的转换。必须根据原则为下一道工序提供必要条件，下一道工序必须与前一道工序相互衔接、互不影响。

由于汽车油箱箱体周围的毛胚变型复杂，用精确的数值方法无法得到准确的计算结果。我们常常要用到3d 建模将冲孔、落料、切断、切边等工序进行补偿，从而得到合格的拉伸冲压制件并使拉筋以形成拉伸部件。

1.1.1 工艺补充设计

工艺补充部分是拉伸元件中不可或缺的组成部分。工艺补充是拉伸工序得以顺利完成的先决条件，也是改善拉伸零件变型程度的先决条件。油箱上箱的形状和大小决定了工艺补充的数量和上箱材料的金属特性。工艺补充多余的材料能够在后续工序中去除。

1.1.2 分型与坯料

工艺补充还有一个重要组成部分就是压料面，它能够很好地促进汽车油箱上箱的成型。压料面是指在拉伸初始时压边圈与凹模之间的毛坯部分，它位于凹模圆角之外。压料面是有些拉伸成型零件的补充部分，有的拉伸成型零件由工艺补充部分和法兰部分一起构成压料面[1]。

1.1.3 拉延槛

怎么分布和排列拉延筋对拉伸工序的作用非常大。这样，能够很好地避免油箱上箱零件出现褶皱或裂纹。上箱零件的形态及布置方式应结合上箱零件的形状特征及相应的变形特征，以掌握上箱零件的形状改变和材料的移动，达到拉伸成型的目的。

1.1.4 拉伸成型的加工方向

燃油箱上箱上各工艺的加工方向，必须与工艺的成型要求相适应。我们在加工的时候，每个工艺的加工方向允许有差别。然而，在可以达到拉伸成型指标的条件时，每个工艺的冲压方向是一致的或不会发生尽可能多的改变，从而缩短加工和代加工的工时。

1.1.5 送件方法拉

伸成型模具中，材料的送料方式一般有三种：一是加工部分一侧弯曲一侧扁平的，一般是沿着扁平的面往前送料；二是加工部分是一面浅一面深的，一般是拿住深的面往前送料；三是加工零件一头大一头小的，一般是拿住大头一侧往前送料。

1.2 汽车燃油箱上箱的拉伸模具加工

在确定冲压方案后，通过对模具结构合理部位的分析和选择，可设计拉伸模具和修复模具。要明确冲压模具的制造形式和途径，可以利用CNC 采取程序编制，结合冲压成型过程中模具表面、指标及形状的要求。生产的燃油箱质量的好坏要由冲压拉伸模具决定。位于凸模底部及压边圈上部的材料延伸将形成拉伸模具中的曲面。拉伸是冲压过程中最重要的工序之一，板型毛坯制件和零件可以利用拉伸模具加工成为各式各样的开口空心的制件。拉伸模具还可以将已经开口空心的零件加工成其他形状的开口空心的制件，它的主要原理是将凸模之外的材料拉入凹模中[1]。

2 油箱上箱仿真

随着计算机技术和有限元模拟技术的发展，利用数值模拟技术可以获得变型状态、应力和应变分布等参数信息。随着汽车车身的发展，板料成型和模具设计的相关数值分析软件的成熟，传统的模具设计过程已逐步向“同步工程”方向转变。在产品设计阶段，可以同时进行工艺布局、模具设计、工艺验证、结构优化等工作。过去，制造和生产模式长期都是以钳工为基础的，现在正在被一种基于技术和设计的现代制造和生产模式取代[2-3]。许多模具制造商采用数值模拟技术对有缺陷的设计和成型工艺参数进行了修改和调整，在成型设计的可塑性分析方面取得了进展。将模具制造和调试中的问题转移到设计阶段进行预测和解决，并提出数字模具设计阶段或冲压工艺分析和设计阶段存在的问题，已成为一种广泛应用的模型[4-5]。

另外，随着电脑产业与材料成型产业的壮大，迅猛发展的数值仿真模拟软件为五金模具的发展开辟了一条便捷之路。很多发达国家，CAD/CAE 技术都是从汽车上运用开始的，CAD/CAE软件也应用于油箱模具的设计过程。利用CAD 软件进行五金模具的二维图绘制与设计，并将绘制好的五金模具传入数值模拟软件中模拟。通过仿真，如果发现仿真设计存在不足，我们就可以参照仿真结果，对原设计利用CAD 成型软件进行修正，修正后的冲压模具导入CAE 软件仿真。常用的模拟数值软件包含：DYNAFORM、AUTOFORM、ANSYS 等。

目前，数值模拟技术已能够很好地预测汽车油箱上箱的成型。新的模具制造技术必须引进汽车工业的加工制造，新的模具制造技术的引进可以改变模具的制造工艺和设计效果，从而降低模具的生产成本并缩短模具的制造周期[6]。目前，很多数值模拟测试系统的运用，能够很好地解决冷冲压模具手工设计满意度不高的问题，也可以改善冲压模具的工艺制造问题，从而缩短生产模具的时间，提高生产模具的经济性，在达到以上目的的同时，还可以避免以上问题。

2.1 油箱上箱模具型面选取

建立油箱上箱冲压成型有限元分析模型已经成为成型面（模具成型模面）提取的重点。变形坯料成了成型面的接触边界，坯料的塑性流动被成型面在成型过程中限制。在油箱上创建冲压模具，并提取成型模具面，然后将其导入有限元分析软件，完成所需的几何清洗和拉伸成型面的合理简化，以提高网格质量和仿真分析效率。

2.1.1 板料和模具网格划分

对金属板材冲压成型过程分析来说，在冲压过程中，坯料是典型的大变形构件，因此，坯料必须采用精细的网格模型，而且单元形状必须尽量采用“真正的矩形”形状，至少要尽量采用四边形单元。相反，模具的变形要小得多，但模具的形状却是非常复杂的。为了简化计算，模具通常作为刚体处理（即采用刚体材料模型）。

2.1.2 网格密度

单元和单元之间的应力分布是不连贯的，对于型面复杂的零件或零件中型面复杂的区域来讲，这个应力不连续的幅值就是衡量网格划分是否合理的一个标准。因此，在型面复杂的区域，也就是需要有高精度要求的区域内，网格的密度可以相对大一些，而在型面不复杂的区域，网格的密度可以相对小一些。

2.1.3 单元网格大小

在有限元方法中，单元网格形状最好是规则单元。单元网格发生扭曲，会降低有限元模拟的精度。即使初始的单元网格都是规则的，但是在冲压变形的过程中随着变形程度的增加，单元网格势必发生扭曲，造成精度下降，如果精度下降的幅度不符合设计要求，则需要增加网格密度。

2.1.4 板料网格划分要求

在有限元模拟的金属板材的冲压变形过程中，坯料处于塑性变形状态，且由于零件形状各异，需要按照工艺要求合理设置坯料单元网格的数量、密度、大小和形状。按照一般原则：单元网格大小要依据变形区域情况确定，变形量大，形状复杂的区域，单元网格要小，反之亦然；单元网格形状应尽量采用四边形单元。

2.2 有限元算法及求解

选取金属材料作为五金模具成型的材料时，将是非线性的，包括状态、几何和材料。通常，采用混合、增量和迭代的方法描述和计算加工材料的非线性现象。

我们常常采用基于薄膜理论的薄膜单元、基于板壳理论的壳体单元和基于连续介质的实体单元，在有限元模拟中进行计算。薄膜元理论的基本研究没有考虑表面的弯曲变形，难以研究和分析坯料的起皱、鼓包、回弹等缺陷。但该方法具有简单、快速、低要求等优点。

一般情况下，常用经过改进的拉格朗日法与全拉格朗日法两种。所以，不管运用什么方式，都可以建立如下公式：

还可以得到以下公式：

以上方程式相减，可得增量方程式如下：

将ft+Δti表示为ut附近仅保留其线性项的Taylor 展开式，可得：

计算得方程式如下：

若Δfe很小，上式可表达为：

此公式表示的是静力显式算法（Static Explicit Algorithm）。

因为步长Δfe很大，且选择了式（1-5）的表达式，这将导致u1通过式（1-7）确定（1-4）平衡方程式，不平衡力为ΔR1，则：将fi（ut+Δt）表示为u1附近的仅保留Taylor 线性项的展开式，得出：

可以得到全新的近似解：

重复计算以上步骤使得ΔR 很小甚至可以忽略，可以得到t+Δt 点时的ut+Δt表达式。需要在迭代前判断好接触条件，静力隐式算法需要构造和求解大型稀疏刚度矩阵，每一步迭代都需要进行接触判断，占用存储空间多，计算量大，计算速度慢，并且往往会出现迭代不收敛的情况，但计算精度高。

在式（1-2）中，受到动态载荷作用的力学响应过程被描述为坯料在冲压成型过程中的速度与加速度。通过恰当的方法，把C和M 分解成对角阵，通过中心差分法，坯料节点位移量可在t+Δt时获得，如下所示：

动力显式算法（Dynamic explicit algorithm，DE）就是用（1-13）来表示的，由（1-13）式可单独计算各个自由度的位移量。为了式（1-13）的计算有稳定性，可以采用稳定的中心差分法，这时，应满足：

在国内外板料冲压加工领域常采用的专业CAE 分析软件有：DYNAFORM、LS-DYNA3D、PAM-STAMP 等,这些都是使用动力显式算法的，所以，这些常常作为描述贴合状态和力量状况。采用静态隐式算法的有限元仿真分析软件，主要包括：Auto-Form、Indeed、LS-NIKE3D 等。以上算法是快速和稳定的。然而，在计算和分析铸坯成型时，由于准静态过程，动态显示算法在计算中存在一些误差。

3 结论

3.1 首先将分析某油箱厂所产的汽车燃油箱，对其上箱结构进行研究

在CAD 软件中设计好产品或模具模型，存为IGES、STL 或DXF 文件格式，或直接在DYNAFORM的前置处理器中建立模型并保存为上述文件格式，然后将上述模型数据导入DYNAFORM系统中。

3.2 然后分析某油箱厂所产的汽车油箱上箱结构及工艺

利用DYNAFORM软件提供的网格划分工具对模型进行网格划分，检查并修正网格缺陷（包括单元法矢量、网格边界、负角、重叠结点和单元等）。

3.3 利用塑性有限元分析软件DYNAFORM 软件中的坯料工程模块

对模型进行压料面以及工艺补充面的设计，对汽车燃油箱上箱拉伸过程进行模拟研究，并对其合理工艺参数进行探讨，建立板料、凸模、凹模和压边圈等工具并定义它们的属性，以及设定相应的工艺参数（接触类型、摩擦系数、运动速度和压边力曲线等）。在Dynaform 软件下对汽车油箱上箱应力应变、工件厚度变化、成型过程、起皱、拉裂、压力机吨位、材料等参数进行仿真和优化。