金属钣金表面覆盖件冲压工艺研究

苏立荣

随着钣金行业的快速发展，在钣金设计的工序中，冲压设计是钣金加工中最重要的，而在冲压设计之中，覆盖件相应的模具设计是最重要的。一项研究发现，钣金开发过程中的百分之八十都是要通过模具来完成。生产钣金需要冲压件和模具，在模具上的投入也是十分昂贵的。钣金机械的设计研发周期较长，大部分的时间都是在研究表面覆盖件的结构和制造，因此，缩短模具设计和制造时间，成为一个缩短设计周期的重要突破口。钣金表面上的覆盖部分冲压件的材料厚度在毫米级别，结构尺寸比较大，而且对表面的质量要求也非常高，这就要求对模具有更好的设计。

汽车车身上的覆盖部分起到了冲压的作用，并且他和一般的负责冲压的零件是不一样的，其形状大都为流线型，冲压件的材料厚度在毫米级别，结构尺寸比较大，而且对表面的质量要求也是非常高，这就要求对模具有更好的设计。而在冲压件模具设计的过程中关键的一点就是预测冲压过程中可能出现的缺陷，在设计过程中进行有效的规避，不让缺陷在工艺工程中产生。冲压的坯料状态不一，各个部分的受力以及要求的材料流动方向不一，得到一个合格的汽车覆盖件必须通过多项工序完成，利用少量的工作流程可以使得制造价格变的便宜一些，而且也可以加速生产的效率，而降低生产工序的前提就是正确的分析各道工序。下表给出了几种经典的车型的车身工序对比。

表1 工序数对比

早期的钣金模具工艺，常见缺陷的规避以及处理是根据设计者的经验设计，理论不够完善、系统，从而导致冲压件模具设计的周期过长，从而阻碍了汽车的蓬勃发展，很难在市场中占有首要地位。

我国科学家在1950 年提出了一种有限元的思想，但是由于当时计算机水平落后，有限元技术的发展也不尽人意。后来，电脑的产生推动了有限元技术的发展，直到现在，这种技术已经变得成熟起来。有限元技术和非线性理论应用在各种工况的模拟中，为各种设计和预测提供了方便，人们开始将有限元理论和非线性模拟用于冲压设计中。有限元技术填补了冲压工艺的理论设计的空白，用有限元模拟的数据说话使得设计向定量化方向发展。计算机辅助工程技术贯穿于冲压的始末，还可以动态模拟整个冲压过程，可以实时分析冲压过程中材料流动和材料应力情况，观察出现缺陷的位置，从而提前预知可能会产生的问题，为车身设计提供了坚实的论据。在仿真过程中，可以对材料的利用率、成形质量以及成本等方面做优化，对于提高品牌在汽车行业中的竞争力具有重要作用。

1 国内外研究现状

1.1 板料成形有限元模拟技术

有限元技术的基本思想是近似的思想，利用有限单元逼近整体状态，研究每一个单元从而推广到结构整体。这种技术早期使用在结构强度的计算上，人们发现了有限元方法的便捷性和有效性，从而在大范围内推广开来。该技术最早由克劳夫在1960年提出，主要用来解决弹性力学的问题。将该技术运用在钣金板料成形开始于1960 年前后，研究初期，常用的有限元单元是薄膜单元，有些学者将动力学理论和弹性力学理论相结合，有效的解决了针对变形工件的问题。1976 年的时候，Weifi 使用该技术解决了板料成圆形的时候膨胀的状态问题，1978 年，Wang 和Budianshy 运用该技术解决了球状冲头分析膨胀，并且和实验结果几乎吻合，从而该技术也变得日趋成熟。

后来在80 年代末，动态显示解法开始兴起，被用来解决静态情况下工件成型的过程。后来金属生产公司研究了弹塑性薄膜单元，利用计算机辅助设计的表面数据做了一系列分析，主要研究的是工件呈方盒形状，在拉伸延展过程中的静力分析，得到的结果和实验数据保持一致。1989 年，A.Honecke 运用有限元的技术分析了盒状物体，得到的结果也和实验的结果一致。此后，有限元模拟的发展的规模已经开始增加，由简单的一维图形增加到三维结构，从一般的薄膜单元再到后来的壳单元。

90 年代以来，金属钣金覆盖件的主要组成部分—钣金的设计制造技术发展迅猛，举办了第一届板料成形三维数值仿真国际会议，会议成功举办并对板料成形有限元技术的发展起了极大的推进作用。各大汽车公司对该技术都极度关注，某些汽车公司开始使用有限元技术辅助设计生产制造过程。

图1 在钣金覆盖件产品开发中的数值模拟

1.2 冲压数值模拟研究现状

国内外对于冲压数值模拟研究的热点，是利用有限元技术模拟冲压和成形钣金表面覆盖件的整个生产过程。利用FEM 技术去模拟所需金属钣金模型广泛受人们的关注，其中一般用到的方法是一步法和增量法。在整车的设计和开发过程中，常需要对问题进行再研究，因为汽车覆盖件的压制不能平稳地进行。该问题的解决方案是在造型完成后立即进行生产线检查，并且在生产线完成后立即修改问题，直到生产线没有问题。减少研发设计周期，同时降低成本。这个方法称之为“一步法”。增量法与一步法思路相反。一步法的时间需求短，对一些中小尺寸的工件只需要20min，可正确预测毛坯材料。因此，在开始阶段一般使用该方法。现在，基于一步法分析板料成形过程的软件有瑞士的AutoForm/One-step 以及加拿大的Fast3D。

不同的钣金材料由于体积大小不同，并且结构复杂，导致了在冲压过程中，毛坯的受力状态复杂，设计者无法有效判断坯料冲压过程。模拟过程通常采用增量仿真软件。相比于基于一步法的仿真软件，增量法的精度高，但是运行时间长，它可以模拟整个成型过程中板料的状态。对于成形过程中，钣金材料所可能产生的缺陷都会被软件模拟出来，最后软件会根据分析结果，给出评估报告以及坯料预测。当前常用的软件可以将材料的流动方向，厚度和形状的变化，板材可能产生的缺陷、回弹、残余应力和应变等分析出来，并给出评估和预测报告，对冲压模具设计、坯料选择等生产过程具有指导意义。

在FEM 技术成熟的过程中，诞生出具有很多分析方法的有限元模拟软件，比如美国的LS-DYNA 软件，ETA 公司开发的DYNAFORM 等。在20 世纪90 年代末期，中国开发CAE 软件与CAD / CAM 结合已达到国际先进水平。后来，吉林工业大学开发了一种新软件，该软件可以模拟工件在成型过程中受冲压情况下的模拟。1990 年，熊火伦利用了ADINA 软件完成一项新的模拟，该模拟成功的再现了钣金表面覆盖的制造流程。哈工大的郭刚建立一个新的系统，该系统可以有效的模拟大变形，并且他成功的对直壁的冲压过程进行了分析。后来许委黎发现工件在拉伸过程中容易产生缺陷，并且成功模拟了这一问题。上海交通大学的唐炳涛提出一种新的算法，该算法可以用来模拟板材的成型过程，并就此开发了INVERSTMP。

国内汽车行业将有限元技术用于汽车开发过程中的时间较早，但是发展初期极为缓慢，大多数的汽车生产制造商的有限元理论不够系统，将有限元理论用于钣金表面覆盖件的设计生产制造的能力不足，仿真水平较低。国内的合资企业，其生产制造加工在国内进行，但是其技术支持、设计等均在国外进行，与国内汽车企业的交流还是不够。国内的制造阶段，虽然做出了有限元仿真，但是其结果的真实性还有待验证。国内各大厂商意识到有限元技术的重要性，开始组建自己的人才队伍，结合本身的生产过程中的问题，利用FEM 技术去进行板料成型研究。

1.3 冲压数值模拟研究方向

近几年来，FEM 技术发展日趋成熟，对于冲压过程中常见的缺陷已经有了较为成熟的研究，常见的研究方向有以下几点。

1.3.1预测板料破裂

裂纹是在拉伸过程中最常见的缺陷类型，因为在拉伸过程中产生的径向拉伸应力超过了薄板的极限。因此，可以利用FEM 技术给我们提供的应力应变云图。根据成形极限图（FLD），可以推断出在拉拔过程中可能发生的破裂位置和危险位置。提供修改覆盖面的方法或根据结果修改工艺参数，防止发生开裂。

1.3.2预测板料起皱

因为材料的不均匀导致的塑性变形，会使冲压的过程中发生皱起，并且当板材不稳定时，皱纹表现为缺陷。在试验过程中很难发现轻微的皱折，但是将板料放在光线充裕的地方，会很容易发现起皱的地方，从而影响总体的外观。为了预测起皱的部位以及起皱的严重程度，可采用有限元模拟起皱过程，然后找到成因，调整工艺参数、模具结构以及其他方面，有效的消除褶皱。

1.3.3补偿回弹

由于材料塑性以及加工过程中的温度影响，加工完毕后常出现回弹问题，造成回弹的原因非常多，这使得利用有限元技术数值模拟出来的回弹也极不准确。一方面，可能施加一个不明确的应力场。这是因为应力场与许多参数有关，这些参数对结果有很大影响。另一方面，没有明确的针对回弹的算法，计算回弹的算法大都是经过简化的，简化的处理会导致有些模型与本身具有很大的差距，导致错误，结果有限元模拟对回弹模拟的准确性不够准确，但利用有限元技术高精度的模拟回弹过程具有很大的研究空间。

1.3.4 成形性评价

钣金覆盖件的刚性可以事先通过使用有限元分析软件来成形性进行预测，成形性更好，更好的冲压部分的刚性，并且成形性直接受冲压部的塑性变形的成形过程中的程度。在传统的设计流程中，只依靠经验，这并没有依据。经过有限元仿真过程，材料的流动更具有合理性，动态的模拟材料的流动过程还可以直观的了解材料的流动情况。

1.3.5 优化压边力

压边力是需要考量的一个很重要的因素，其数值决定着最后质量的问题，如果控制不好，会导致起皱甚至是破裂。利用FEM 技术并且利用一些优化方法，可以更好的优化该方法。在加工过程中会存在一些不合理的冲力使板材发生开裂或起皱，从而表明加工过程中存在不合理的部分，需要进行调整。

1.3.6 计算成形力

关于冲压过程中，冲压力的选择，则是参考成形力的大小和压边力，更好的选择冲压过程中的压力。传统的设计则是通过经验公式来确定压边力的大小，经验公式没有依靠成形的理论，没有可靠的依据，简化算法很难得到准确的结果，需要经过反复验算，结合实际成形情况，才获得可用于生产的结果。如果使用FEM 技术去完成仿真，则在大幅度减小财力物力的同时，可获得更优的成形力。

1.3.7 确定毛坯尺寸及翻边线

在整个制造过程中，钣金毛坯尺寸的计算，可以在保证材料充分利用的同时，保证产品零件的质量与精度，传统的设计公式，是在简化模型的基础上加入了经验设计的因素，可用于结构简单的零部件计算，但是当结构复杂时，利用早期的公式很难达到所要求的精度，同时还会使整个设计过程变得繁琐。在利用FEM技术去仿真材料的流动，从而得到所需要的毛坯的长度，来提高金属材料的使用效率，提高零件加工精度和加工质量。有限元模拟过程同样可用于确定最优的翻边线。

1.3.8 磨损计算

金属钣金模具的磨损处主要是模具和板材之间，这是因其粗糙度和在加工过程中产生的相对滑动所引起的。FEM 技术可以用来仿真工作过程中的损耗，确定他们磨损的程度，从而可以达到预测的效果来减少损耗，并且可以延长使用的时间，减少资金投入。

2 金属钣金表面覆盖件冲压CAE分析

因为覆盖件的特点比较多，具有复杂的形状，整体体积大和表面质量的要求高等特点，在拉延过程中要保持较高的精度，从而满足装配和功能性的需求。覆盖件的表面大多是特别复杂的空间曲面的结构。在拉延过程中变形的过程是非常复杂的，并且由于应力分布的不均匀性，导致了板料在整个拉延过程中是一个非典型的拉伸，膨胀过程。所以说，拉延工序是覆盖件的一个关键的工序，很多工艺直接决定了最后冲压的质量比如模具的结构和拉延过程中的补充，而且这些条件也影响了最后的进度。使用CAE 技术完成在冲压过程中的模拟，可以模拟力的设定，润滑的问题，还有预测金属的流动，应力的分布，模具受力导致的成型缺陷也是可以得到的。

DYNAFORM 是一款CAE 软件，主要针对板料成型的模拟，该软件是由美国工程技术公司开发的，基于LS-DYNA。作为专业板金成型分析CAE 软件，软件结合LS-DYNA 的具有强大的后处理功能的解析的功能。

该软件使用的范围也比较广，但是主要还是针对的工艺过程期间的模具的设计，它可以大大减少设计的时间还有试用的周期。该软件有良好的使用性能，同时也包含许多智能化的工具，可以很容易的解决诸如此类的板料成型过程中的问题。该软件也保留了传统的CAE 软件的功能。该软件采用LS-DYNA 作为核心求解器，LS-DYNA 是当前世界上比较常用的显示动力分析程序，能够计算许多复杂性的问题，可以用来求解许多动态的问题比如碰撞，爆炸和金属成型等。

该软件解决了模具开发过程中对设计的周期难以掌握的问题，它能够在模拟的过程中，缩短调试时间，降低成本，并有效复现四个主要流程。首先是压边，然后是拉延，然后是回弹，最后是多步成型。模拟的这几个步骤可以提前分析设计的合理性，并能够对设计起指导作用。

该CAE 软件能够将覆盖件表面的很多特点进行数据模拟出来，能够对冲压时发生的问题包括板件的裂纹生成，皱起生成，剐蹭痕迹，评估成型的性能，这些都可以对模具设计提供帮助。

3 结语

采用金属钣金的有限元理论，配合计算机辅助技术，金属机械冲压件的生产已经逐渐从实验室走向生产线。钣金成形过程中的有限元模拟技术，不仅可以用于模具的开发以及优化，还可用于金属坯料的制造设计，用于产品制造的各个阶段。利用板料成形的有限元技术，可保证生产出来的零件具有高精度和良好的冲压性能。CAE 技术用于金属钣金覆盖件的分析对于设计生产具有发展重要意义。