汽车覆盖件成形的有限元模拟及模具设计
* 来稿日期: 2007- 07- 18
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【 摘要】介绍了在有限元模拟基础上进行的汽车覆盖件模具设计, 利用专用软件 AutoForm 对某
车型的 B 柱进行了冲压方向的确定、拉深筋的布置、压料面和工艺补充面的设计以及拉深成形过程
的数值模拟。根据模拟结果调整优化了工艺参数和毛坯形状等, 消除了零件成形中的质量缺陷, 提高
了成形工艺稳定性, 对实际生产中 B 柱成形的工艺确定和模具设计提供了依据。
关键词: 模具设计; 有限元; 工艺参数; 汽车 B 柱
【 Abstract】The design of the die for the automobile covers based on finite element simulation was
introduced.The determination of the drawing direction, the layout of the drawing rib,the design of pressing
surface and technological supplementing surface, and the simulation of drawing process were realized
with the special software Autoform.The processing parameters are adjusted and optimized according to the
simulation results.The quality defects are removed, the stability of forming process is improved, and then
the bases of process determining and die design of B- pillar forming are supplied for actual production.
Key words: Die design; Finite element; Processing parameter; Automotive B- pillar
中图分类号: TH12, U46 文献标识码: A
汽车覆盖件成形的有限元模拟及模具设计
邢忠文 1 方华松 1 徐伟力 2
( 1 哈尔滨工业大学 机电工程学院, 哈尔滨 150001) ( 2 宝山钢铁股份有限公司, 上海 201900)
Finite element analysis and design of die for the forming of the automobile covers
XING Zhong- wen1, FANG Hua- song1, XU Wei- li2
( 1School of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)
( 2Baoshan Iron & Steel Co., Ltd, Shanghai 201900, China)
1 引言
汽车覆盖件成形过程是一个涉及几何非线性、接触非线性
和材料非线性的大挠度、大变形的塑性成形过程, 影响因素很多
并且很难准确判定[1]。因此, 长期以来板料冲压工艺及其模具的
最终设计结果, 很大程度上都依赖于对模具的反复修改和调试,
浪费了大量的时间、人力和物力, 并且这种基于人工的操作难以
满足加工精度日趋提高的要求, 使产品在成本和质量上没有优
势, 而且又不能及时响应市场的变化, 必将被新的方法取代[2]。
为了加快覆盖件的模具设计, 要求 CAD 设计和 CAE 分析
能集成起来, 发挥各自的优势。板料成形专用软件 AutoForm 包
含模具设计模块、分析模块等, 实现了 CAD 和 CAE 的结合[5]。以
汽车车身 B 柱零件为例, 首先在通用 CAD 软件中设计产品模型,
然后倒入 AutoForm 软件中, 完成模具设计和成形的数值模拟。
2 零件特点与性能要求
B 柱又称中柱, 位于前门和后门之间, 是重要的承力构件,
它承受着两方面的力, 一是支撑车顶盖, 二是承受前后门的压
力。同时在 B 柱内部还要加装一些附加零件, 比如前排安全带。
为了提高 B 柱的承载能力, B 柱必须有较高的强度和刚度, B 柱
的整体形状必须呈曲面状态, 与车身外形保持一致, 其在通用
CAD 软件中设计出的模型, 如图 1 所示。
B 柱零件的结构特点是: 成形深度较大、零件截面变化比较
复杂; 成形件底部的高
度存在很大的起伏; 零
件的圆角半径较小。因
此 给 工 艺 及 模 具 设 计
带 来 了 很 多 麻 烦 ; 同
时, 为了满足 B 柱强度
和刚度的要求, 必须使
用 屈 服 强 度 很 高 的 材
料, 这也增加了工艺和
模具设计的难度, B 柱
的 性 能 要 求 及 结 构 特
点 使 零 件 在 成 形 时 质
量控制非常困难。因此 B 柱的设计和生产成为汽车车身设计和
制造的一大难点。
综后分析后, 确定 B 柱成形的工艺方案分三道工序, 其中第
一道工序为拉延, 在此工序中通过增加变形区域而获得制件形
状; 第二道工序为修边, 此工序保持和拉延冲压方向一致; 第三道
工序为激光切割, 在制件侧壁及底部有较多的用于安装固定的小
孔, 比较模具冲孔的效益与效率, 决定采用激光切割方法获得。
3 模具设计
将使用通用 CAD 软件 CATIA 中造出的零件模型以 igs 格
文章编号: 1001- 3997( 2008) 04- 0194- 02
第 4 期
- 194 - 2008 年 4 月Machinery Design & Manufacture
机 械 设 计 与 制 造
图1 汽车 B 柱
式导入 AutoForm 软件中。通常这种几何模型往往不能完全满足
有限元分析的要求, 存在一些缺陷, 例如曲面有重叠、缝隙, 包含
过于细长的曲面片等等。因此, 需要进行检查和修改, 消除这些缺
陷。另外, 为了模拟程兴过程, 须将工件中的孔全部填满。这样就
可以开始在 AutoForm 软件的 DieDesigner 模块中进行模具设计。
3.1 冲压方向的确定
汽车覆盖件的产品图是按照其在车身上的安装位置绘制
的, 大多数情况下与冲压时放置的方向不一致, 必须将产品模型
所示的方向进行变换。B 柱两端均有较大尺寸的局部形状, 且互
成一定的角度, 选择合适的冲压方向, 使拉深深度最小, 且零件
各部分都能很好的成形。
3.2 压料面
压料面是指位于压边圈和凹模上表面之间的拉深件上的起
压料作用的那部分材料。覆盖件拉深成形的压料面形状是保证
拉深过程中材料不被破坏和顺利成形的首要条件。结合汽车 B
柱本身的特点: 零件纵向尺寸过大, 且外形成曲面, 选择曲面压
料面, 同时为了平衡各部分的受力情况, 设计压料面的外形尺寸
为。其形状, 如图 2 所示。
图 2 压料面
3.3 工艺补充
工艺补充部分的设计是冲压工艺设计的关键一环, 工艺补充
设计的合理与否, 直接影响成形的成败, 影响到拉深成形时毛坯
的变形条件、变形量大小、变形分布、表面质量、破裂、起皱等质量
问题的产生。B 柱各部分变形程度相差太大, 变形分布不均匀。设
计工艺补充面调整零件各段的变形量, 有利于零件质量提高。
3.4 拉深筋的布置
拉深成形生产中, 尤其是象车身覆盖件等这样的大型工件
的拉深工序中, 往往会因为零件几何型面的不对称, 使得板坯在
成形时各处材料沿凹模口的流动速度不均衡, 造成拉深后的工
件, 局部减薄量大出现颈缩或者破裂, 而有些部位出现起皱、波
纹等质量缺陷。为了改善这种状况, 需要在压料面上控制对工件
不同部位提供的进料阻力 ( 毛坯在进入凹模前遇到的阻力) , 即
在需要材料多的部位相应的进料阻力小, 而在需要材料少的部
位相应的进料阻力大, 从而平衡坯料在凹模口部的流动速度差
异提高零件成形质量。其设置的步骤大致如下。
3.4.1 创建一条拉深筋线
首先根据凹模入口形状, 取其边界轮廓并生成一条轮廓线,
然后把生成的曲线朝外偏置 25mm, 得到一条偏置线。
3.4.2 定义拉深筋
选择刚刚生成的偏置线, 沿着这条线创建一系列节点, 生成
高度为 5mm, 宽度为 15mm 的一圈实体拉深筋。
通过对冲压方向的确定、压料面和工艺补充的设计以及拉
深筋的布置, 获得了覆盖件拉深凹模, 如图 3 所示。
图 3 凹模
凹模设计完毕后, 通过偏移就可以分别获得凸模及压边圈,
最终得到整个模具。至此就可以设定工艺参数, 主要包括冲压方
式( 单动还是双动) 、模具在各个工步的运动关系、压边力、摩擦
系数、板料形状等, 进行成形过程的数值模拟。
4 数值模拟及工艺调整
板料成形的有限元模拟主要有三种算法, 即动力显式( Dy-
namic Explicit) 、静 态 隐 式( Static Implicit) 以 及 静 态 显 式( Static
Explicit) 算法, 目前应用较多的是前两种算法。有限元分析采用
改进的静态隐式算法, 解决了收敛性差的问题, 使计算时间大大
缩短。
利用如图 4( a) 所示的毛坯, 选择材料为 1.6mm 厚的某型号
高强钢板及幂次硬化材料模型, 设定摩擦系数 0.15, 初始压边力
为 2×105N, 采用自适应网格重划分, 在变形剧烈的部位, 网格密
度较大, 并定义“ 合模- 压边- 拉深- 切边”的分析过程, 最终获得
成形仿真的有限元模型, 如图 4( b) 所示。利用 AutoForm 软件中
Incremental 模块进行精确模拟, 获得如图 5 所示的结果。
( a) 毛坯形状及尺寸 ( b) 有限元模型
图 4 毛坯及有限元模型
图 5 初始模拟结果
零件虽然两头局部形状尺寸较大, 发生了较大的塑性变形,
但在边缘以及拐角区域由于没有得到足够的拉深, 变形程度很
小, 而出现了明显的起皱。零件上出现过多的起皱现象, 说明压
成形极限图
最小应变量
Lin.limit:
最
大
应
变
量
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
- 0.8 - 0.6 - 0.4 - 0.2 - 0.0 0.2 0.4
Excess.
thinning
Risk
of cracks Safe lnsuff.
stretching
1525.7
792.9
凸模
binder
压边圈拉伸方向
坏料
die
die凹模
压边圈
凹模
压边圈
第 4 期 - 195 -邢忠文等: 汽车覆盖件成形的有限元模拟及模具设计
边力过小, 为此将压边力调为 4×105N。调整部分工艺参数后的
模拟结果, 如图 6 所示。可以看出起皱情况得到很好的控制, 零
件的形状质量也得到很好的改善, 危险区域已基本消除, 切边模
拟后得到了合格的零件( 图 6 中的印记“ 0”处接近破裂, 但此处
为零件工艺补充区域, 最终将通过激光切割除去) 。
图 6 修改工艺后模拟结果
5 结论
在 CAD 和 CAE 集成环境—AutoForm 软件中, 通过模型检
查、冲压方向的确定、工艺补充及压料面设计、工艺参数的设定
等, 获得了 B 柱成形仿真的有限元模型, 通过数值模拟, 很好地
预测了成形过程中可能出现的缺陷。据此调整工艺参数, 获得了
合格的零件, 实现了在有限元软件内进行模具设计以及设计验
证, 提高了工艺设计质量降低了设计成本, 缩短了开发周期。
参考文献
1 李硕本. 冲压工艺学. 北京: 机械工业出版社, 1982
2 石磊, 王永志, 杨玉英.翼子板零件拉深成形的有限元分析. 材料科学
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5 Jason, Hu runbin.薄板冲压成型仿真软件- AutoForm 功用解析. Inc.
AutoForm- workshop, 2004
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【 摘要】分析了花键轴冷挤压模具的主要失效形式和产生的主要原因, 从模具材料、热处理、模具
结构、加工方法等方面提出了避免模具早期失效和提高模具使用寿命的措施。
关键词: 矩形花键轴; 冷挤压模具; 失效; 寿命
【 Abstract】The main failure modes and reasons on the cold- extrusion die of spline shaft was analyzed.
For avoiding the failure ahead of time and prolonging the life of die,some improvement were put forward
about material,structure,heat treatment and processing of die.
Key words: Rectangle spline shaft; Cold- extrusion die; Failure; Life
中图分类号: TH16, TG76 文献标识码: A
矩形花键轴冷挤压模具的失效形式分析*
冯文杰 1 陈莹莹 1 陈碧楠 2
( 1 重庆工学院 汽车学院, 重庆 400050)
( 2 中冶赛迪工程技术股份有限公司, 重庆 400013)
Failure analysis on cold- extrusion die of rectangle spline shaft
FENG Wen- jie1, CHEN Ying- ying1, CHEN Bi- nan2
( 1Automobile College, Chongqing Institute of Technology, Chongqing 400050, China)
( 2Cisdi Engineering Co.Ltd., Chongqing 400013, China)
1 引言
由于金属冷挤压工艺具有生产效率高、节约原材料、保持内
部金属流线连续等优点, 在大批量生产中显示出其独特的优越
性。从九十年代后期开始, 该工艺就广泛应用于摩托车发动机花
键轴加工, 并逐步取代了传统的铣削加工工艺。
在大批量生产中, 采用冷挤压工艺成形花键轴, 模具寿命的
高低是影响产品成本和质量的重要因素。矩形花键轴在冷挤压
过程中, 由于金属局部变形程度较大, 局部流动剧烈, 极易引起
模具早期失效。在实际生产中, 模具有多种失效形式, 影响模具
寿命的因素很多, 模具的结构设计、模具材料的选择、以及模具
* 来稿日期: 2007- 09- 09 * 基金项目: 重庆市科委攻关项目( CSTC, 2005AC3033)
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文章编号: 1001- 3997( 2008) 04- 0196- 02
第 4 期
- 196 - 2008 年 4 月Machinery Design & Manufacture
机 械 设 计 与 制 造
最
大
应
变
量
最小应变量
成形极限图
- 0.6 - 0.4 - 0.2 - 0.0 0.2 00.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
Lin.limit:0.1
汽车覆盖件成形的有限元模拟及模具设计
