基于模面工程的侧围外板全工序成形仿真研究*

2022-07-04李十全王大鹏张雄飞沈军奇

制造技术与机床 2022年7期

蒋磊李十全王龙王大鹏张雄飞沈军奇

（东风本田汽车有限公司新车型中心，湖北武汉 430056）

汽车覆盖件冲压模具开发难度大、制造周期长，一般从设计开始到最终调试交付需要12～16个月，其中，对于成形工艺的设计校核、仿真验证以及稳健性优化就需要耗费2～3个月。而成形工艺的设计又是整个冲压模具设计的核心，因此，合理的成形工艺是降低冲压模具开发难度，缩短冲压模具制造调试周期的关键。在众多汽车覆盖件中，侧围外板是产品尺寸最大、形状最为复杂、负角结构最多的零件，同时，也是成形难度最大、开发周期最长、制造成本最高的零件[1−2]。如何实现侧围外板成形工艺的快速稳健是汽车覆盖件冲压模具开发所面临的一大难题。

模面工程（die face engineering,DFE）技术是模具型面设计以及实现的一项技术。近年来，随着CAD/CAE协同技术在冲压模具开发中的广泛应用以及有限元法（finite element method，FEM）的不断完善，模面工程技术也日益进步。相关研究表明，运用模面工程技术能够充分识别汽车覆盖件的可制造性问题，并能快速确定成形工艺方案，提高汽车覆盖件冲压模具设计效率。赵夫超[3]等采用CAE技术全程驱动制件的模面设计，快速制作了侧围外板的拉延模面，从而获得了较好的成形仿真效果；侯小刚[4]等通过实施模面工程技术，对侧围外板的工艺模面进行强压、隆起及凹模型面研配补偿等精细化处理，提升了模具的研配质量；程鹏[5]等利用正交试验与模面工程相结合的方式，优化了铝合金机舱盖外板工艺模面关键截面参数，解决了铝合金机舱盖外板拉延开裂和起皱问题；蒋磊[6]等借助CAD与CAE互相回馈的模面工程技术，基于设计与仿真结果的响应，对产品结构和成形工艺进行同步优化，从而在产品开发前期规避了相应的品质不良风险，降低了后期修模工作量和试模次数。胡玉明[7]等在Dynaform软件中基于模面工程技术快速构建了铝合金侧围外板的工艺模面，并通过拉延筋和坯料线调整，缓解了铝合金侧围外板门洞开裂现象。目前，基于模面工程的汽车覆盖件成形工艺设计流程与方法已经基本固化，但在断面参数驱动工艺模面智能设计方面的研究相对较少，导致侧围外板这种高难度的汽车外覆盖件成形工艺设计效率仍然较为低下。

因此，本文以某SUV车型侧围外板冲压模具开发为例，通过对产品进行冲压可行性分析，确定侧围外板全工序成形工艺方案，在应用传统模面工程技术的基础上，引入基于断面参数的定制化设计理念，降低冲压工艺设计试错率，取消以往需要在成形仿真软件中反复调整工艺模面的工作，从而为侧围外板冲压模具短周期、低成本开发提供理论与实践依据。

1 全工序成形仿真原理

基于模面工程的全工序成形仿真原理主要包括以下步骤：（1）产品工艺性分析，结合产品结构特点对产品各部位进行成形区域划分，工序内容相同或者近似相同的部位归纳至同一成形区域；（2）工艺模面断面参数设定，利用多车型同类产品工艺模面数据提炼各成形区域典型断面，并确定断面参数取值范围；（3）拉延序模面设计，首先确定冲压中心和冲压方向，然后基于断面参数分别对各成形区域进行压料面、工艺补充面以及拉延筋设计，并确定分模线和坯料线；（4）拉延序模面校核，将拉延序模面导入AutoForm软件，求解验证拉延序工艺可行性，并根据成形仿真结果优化拉延序工艺模面；（5）后工序模面设计，依次为冲压方向设定、修边线展开、废料刀布局、废料流向设计、翻边模面设计、整形模面设计、冲孔设计[8]和斜楔角度设计等；（6）后工序模面校核，在拉延序成形仿真的基础上添加后工序有限元模型，求解验证后工序工艺可行性，并根据成形仿真结果优化后工序工艺模面。基于模面工程的全工序成形仿真原理如图1所示。

图1 基于模面工程的全工序成形仿真原理

2 产品工艺性分析

侧围外板作为车身上最重要的外覆盖件，与前风挡、翼子板、顶盖、车门、后三角窗、加油口盖、尾门、尾灯、后保、裙边饰板以及轮眉饰板等多个零件存在搭接或配合关系，结构强度与尺寸精度要求较高[9]。图2为东风本田某SUV车型侧围外板几何模型，产品外形尺寸长、宽、高为2 973 mm×316 mm×1 286 mm，料厚t=0.65 mm，材质为JAC270D-45/45，等同于宝钢DC54D+ZF，属于一种热镀锌铁合金镀层板，合金镀层中铁含量通常为8%～15%，具有优异的耐腐蚀性能和焊接性能。根据产品结构特点，对成形区域进行分类，将结构相近和成形工艺相似的区域统合为一类，从而得到如图2所示的11个成形区域，依次为前风挡区域A、顶盖区域B、尾门区域C、尾灯区域D、后保区域E、轮毂区域F、裙边与前立柱区域G、前门区域H、后门区域I、三角窗区域J、加油口区域K。在这11个成形区域中，D区域为简单翻边结构，F和G区域为普通修边结构，H、I、J和K区域为单纯整形结构，成形工艺相对简单，采用常规的“过拉延+修边+翻边+整形”即可完成成形。A、B、C、E区域存在多级小圆角台阶状的复杂负角翻边结构，需要采用大整形量的过拉延成形工艺，且后工序的侧翻边、侧整形型面起伏大、成形过程中线长变化不可控，极易产生开裂或起皱缺陷，工艺设计难度较大。分析可知，侧围外板成形工艺性合理与否主要取决于A、B、C、E这4个难点区域，而在全工序成形工艺中，拉延工艺又属于重中之重。因此，以下分别对A、B、C、E区域基于模面工程的断面参数的快速确定进行详细阐述。

图2 某SUV车型侧围外板几何模型

3 工艺模面断面参数设定

3.1 A区域工艺模面断面参数设定

A区域由大曲率圆弧A面和多级台阶安装结构面构成。A面部分需要在拉延序一次成形到位，安装结构面为负角造型，且小圆角特征较多，需要在拉延序先将负角结构以翻边线为旋转轴，向外旋转一定角度，并将台阶面展开，使其在冲压方向下保持5°～10°的拔模角，然后在后工序利用斜楔机构进行一次或多次侧翻边、侧整形，从而最终获得与产品结构一致的形状。车身覆盖件在拉延成形后一般都会产生一定的内缩式回弹，为了避免因拉延件向内收缩而导致零件与后工序模具型面干涉，在进行拉延工艺模面设计时需设定1 mm的拉延放大量。综合考虑材料利用率最大化和模具改修裕度，将修边线与凸模圆角切点之间的距离设定为3～5 mm。后工序的侧翻边、侧整形斜楔机构工作角度和产品安装结构面的第一、二立壁近似平行，在后工序成形时，第一、二立壁以及两立壁之间的台阶的成形以翻边为主，其余特征的成形则以整形为主。对于翻边而言，为了保证A面和棱线品质，在成形过程中原则上不允许发生拉伸变形，因此，对于A区域安装结构面的第一、二立壁以及两立壁之间的台阶在拉延序和翻边、整形序的截面线长应尽量保持不变，或使拉延序的截面线长略小于翻边、整形序的线长。A区域工艺模面详细结构与尺寸参数图3所示。

图3 A区域工艺模面断面图

3.2 B区域工艺模面断面参数设定

B区域与A区域类似，同样由大曲率圆弧A面与多级台阶结构安装面构成，故其工艺模面断面参数亦与A区域大同小异，差异主要集中于二次冲击线防止方面。由于B区域负角法兰长度相对于A区域较短，成形深度和工艺补充面均少于A区域，冲击线更容易流入外观面。通常解决车身覆盖件冲击线的策略为增大成形深度以及设计更多的工艺补充面，这种方法虽然在一定程度上可以遏制冲击线向产品外观面滑动，但是往往会带来开裂风险上升和材料利用率降低等其他问题。为了实现品质与成本的平衡，对于B区域二次冲击线的防止，本文提出一种线长控制法，对凸模触料点与工艺补充面第二立壁之间的板料线长加以控制，使其大于凸模触料点与翻边线之间的产品截面线长，并在此基础上驱动工艺补充面结构与尺寸参数设计。B区域工艺模面详细结构与尺寸参数图4所示。

图4 B区域工艺模面断面图

3.3 C区域工艺模面断面参数设定

C区域由大面积曲率较小的A面以及长法兰构成，拉延成形时A面部分的变形以拉延应变为主，当负向应变超出临界值时即会导致外观面产生畸变，从而带来面品缺陷以及回弹等问题。因此，在设计C区域的拉延工艺模面时，一方面应在不影响材料利用率的前提下适当增大拉延深度，以致负向应变的产生；另一方面应使工艺补充面尽量贴近产品面，减少后工序整形量，并严格控制翻边、整形工序的线长变化，以降低后工序对回弹的进一步加剧。C区域工艺模面详细结构与尺寸参数图5所示。

图5 C区域工艺模面断面图

3.4 E区域工艺模面断面参数设定

E区域由小区率A面和大覆盖区域的安装结构面构成，安装结构面与A面之间通过深度为20～25 mm的负角立壁以及半径为R0.5的小圆角翻边线衔接为一体。由于立壁深度较大、翻边线圆角较小，在进行过拉延设计时必须储备足够的材料，以用于后工序整形时在材料急剧拉伸时进行线长补充。因此，E区域的工艺补充面设计可以考虑设定半圆型储料筋，在设定储料筋之后工艺补充面截面线长L0与产品截面线长L应满足(L−L0)÷L0=3%～6%的等式关系，以防止工艺补充面线长过长在整形工序发生多料所导致的失稳起皱。E区域工艺模面详细结构与尺寸参数图6所示。

图6 E区域工艺模面断面图

4 拉延序工艺模面设计

CATIA创成式曲面设计模块（generative surface design,GSD）拥有非常完整的曲线操作工具和曲面构造工具，所构造的曲线和曲面最高可达到G2连续，因此，十分适合进行冲压工艺模面设计。将侧围外板产品数模导入CATIA软件的GSD模块，首先确定冲压中心和冲压方向，结合侧围外板拉延成形受力状态以及模具结构设计布局需求，确定冲压中心坐标为（X:1 820 mm,Y:−650 mm,Z:570 mm）。在设定冲压方向时，应尽量保证产品各区域无成形负角[10]，使尽可能多的产品型面能够一次拉延成形，同时还需要兼顾滑移线、冲击线、面畸变等外观品质缺陷，材料利用率的最大化以及后工序工艺可行性。综合考量，确定该侧围外板拉延序冲压方向为绕X轴旋转18°。冲压方向确定之后即可进行压料面设计，侧围外板的压料面一般以双曲面或多曲面为主，在满足产品各部位成形深度均匀一致的情况下进行随形设计，压料面与XY平面的夹角一般以10°～15°为宜，最大不得超过20°，进、出料方向两侧压料面与XY平面的夹角差异应控制在5°以内[11]。然后即可展开工艺补充面和拉延筋设计，按照上述侧围外板各区域工艺补充面截面参数依次进行相应的曲面造型设计，从而得到连接成一体的完整的工艺补充面，工艺补充面要求达到G1及以上的曲率连续。最后是坯料线设计，坯料线长、宽尺寸可按照产品截面线长的95%～97%再加上拉延成形的材料流入量、残留量估算得出，并考虑可连续落料排样来设定坯料形状[12]。最终设计完成的侧围外板拉延序工艺模面如图7所示。

图7 侧围外板拉延序工艺模面

5 拉延序工艺校核

5.1 拉延序成形有限元模型构建

先在CATIA软件中将侧围外板拉延序工艺模面以IGS格式文件导出，凸模、凹模、压边圈、坯料线、冲压中心、冲压方向需分别单独导出，然后依次导入AutoForm软件，其中，凸模、凹模、压边圈导入至“Tool Surface &Additional Geometries”工作台，坯料线和冲压中心导入至“Curves &Points”工作台，冲压方向导入至“Coordinate Systems”工作台。之后，即可进行工序规划、落料规划、工具体设定以及网格划分，利用AutoForm网格生成器可快速自动生产有限元网格模型。再获得有限元模型之后，还需要对工艺参数进行设定，主要工艺参数为：冲压速度V=235 mm/s，摩擦系数μ=0.15，压边力B.H.F.=2 200 kN，气垫行程Cs=200 mm，型面附件间隙g=0.1 mm。拉延序有限元模型与成形工艺参数与图8所示。

图8 侧围外板拉延需有限元模型与成形工艺参数

5.2 拉延序有限元分析结果

汽车外覆盖件成形仿真结果的主要评价项目包括开裂、起皱、刚性、面畸变、冲击线和滑移线。开裂可以通过成形性进行定性评估，起皱可以通过起皱因子进行定量判断，刚性主要由主应变来表征，面畸变可以利用次应力和虚拟油石打磨进行量化评价。侧围外板拉延成形仿真结果评价如图9所示，其中，图9a～f为侧围外板从压边圈闭合到距离下死点5 mm的变形情况，在整个拉延成形过程中，制品获得了充分的塑性变形，且未发生波纹或起皱等缺陷。图9g为侧围外板成形性云图，所有成形区域均处于安全限度以内，无极限减薄与过度增厚趋势，表明制品获得了良好的成形质量。图9h为侧围外板起皱因子云图，最大起皱因子为0.001 6，未超出汽车外覆盖件起皱因子需小于0.002的判断标准，说明侧围外板产生起皱缺陷的风险较低。图9i为侧围外板主应变云图，产品面区域主应变均大于3%，对于汽车外覆盖件，当主应变在3%以上时，即可认为制品具备了足够的刚性。图9j为侧围外板次应力云图，最大次应力为1.215 MPa，最下次应力为−17.790 MPa；图9k为侧围外板虚拟油石打磨云图，最大面凹为0.069 mm。根据企业内部标准，为抑制面畸变、降低A面发生凹陷缺陷的风险，汽车外覆盖件次应力应控制在−50～50 MPa，虚拟油石打磨面凹应控制在-0.08～+0.08 mm，综合图9j、k可知，侧围外板次应力和面凹均符合判断标准，说明制品发生面畸变的可能性较小。图9l为侧围外板冲击线和滑移线分析结果，冲击线和滑移线均未流入A面区域，说明冲击线和滑移线未对外表面质量造成不良影响。

图9 侧围外板拉延成形仿真结果

6 后工序工艺模面设计

结合侧围外板产品结构特点、关键成形工艺、冲压设备布局以及拉延序成形仿真结果确定后工序需要三个步骤方能完成制品的最终成形，工序排布如下：第二道工序为“修边+侧修边+整形+冲孔”，记为OP20；第三道工序为“翻边+侧整形+侧冲孔”，记为OP30；第四道工序为“修边+侧翻边+冲孔+侧冲孔”，记为OP40。对于工序间制品传递采用机器人搬送的汽车覆盖件，一般要求全工序冲压中心保持统一，因此，OP20、OP30、OP40冲压中心仍旧设定为（X:1 820 mm,Y:−650 mm,Z:570 mm）。综合考虑工序之间的传递可行性、模具结构设计需求确定后工序冲压方向为：OP20绕X轴旋转12°，OP30绕X轴旋转10°，OP40绕X轴旋转10°。后工序工艺模面设计内容主要包括修边线展开、废料刀布局、废料流向、翻边成形面、整形成形面、斜楔摆放角度和工作角度等，设计完成的后工序工艺模面如图10所示。

图10 侧围外板后工序工艺模面

7 后工序工艺校核

7.1 后工序成形有限元模型构建

以侧围外板拉延序成形仿真结果为基础，继续导入后工序工艺模面，然后依次进行OP20、OP30、OP40成形有限元模型构建，并根据计算结果对修边刃入量、冲孔刃入量、压料板行程、压料力及斜楔行程等工艺参数进行设定，得到如图11所示的后工序成形有限元模型。

图11 侧围外板后工序有限元模型

7.2 后工序有限元分析结果

对侧围外板全工序成形有限元模型进行求解计算，得到OP20、OP30、OP40成形仿真结果分别如图12a～c所示。由成形仿真结果可知，侧围外板各工序在成形过程中均匀变形，并且成形充分，无开裂、起皱等缺陷，说明制品整体成形质量良好。

图12 侧围外板后工序成形仿真结果

8 方案验证

以成形性校核通过的全工序冲压工艺模面为基础，展开侧围外板冲压模具结构设计，并进行模具制造和调试验证，试模参数与成形仿真工艺参数保持一致，从而得到与成形仿真结果基本吻合的侧围外板试模样件，样件无开裂、起皱、面畸变、冲击线及滑移线等缺陷，强度、刚度以及面品均达到了可以批量生产的标准。调试稳定的侧围外板拉延模如图13a所示，所生产的全工序成形零件如图13b所示。为了验证侧围外板零件尺寸精度是否合格，利用检具和蓝光扫描设备对零件进行了全型面扫描，得到如图13c所示的扫描结果，扫描结果显示零件所有区域尺寸偏差均在±0.5 mm以内，满足侧围外板尺寸公差要求。