一、前言

當代汽車和現代模具設計制造技術都表明。汽車覆蓋件模具的設計制造離不開有效的板成形模擬軟件。國外大的汽車集團，其車身開發與模具制造都要借助于一種或幾種板成形模擬軟件來提高其成功率和確保模具制造周期。

作者從2001年5月開始探討AutoForm在解決汽車覆蓋件模具制造中的應用，經過各個階段的重點攻關，實現了:對汽車沖壓零件產品的可沖壓成形性進行分析，判定成形的難點和關鍵區域；對汽車沖壓零件產品實現毛坯展開計算；對模具和工藝方案的確認進行有選擇性和針對性的模擬分析，給模具調試提供量化的分析判斷數據，對可進行的模具調試方案進行判別，并對可行的調試方案提供具體技術參數；對模具和工藝方案進行反復優化的多次模擬，用先于現場模具調試的模具CAE技術，對拉延模具設計的可行性和可靠性進行量化的分析和判斷，對有欠缺的設計提出優化改進方案:

二、AutoForm的功能和特點

AutoForm提供了從產品的概念設計直至最后的模具設計的一個完整的解決方案，特別適合于復雜的深拉延和拉伸成形模的設計、沖壓工藝和模面設計的驗證、成形參數的優化、材料與潤滑劑消耗的最小化、新板料(如拼焊板、復合板)的評估和優化。

從數據輸人到后處理結果的輸出，AutoForm融合了一個有效開發環境所需的所有模塊，從前處理到后處理的全過程與CAD數據的自動集成，網格的自適應劃分，所有的技術工藝參數設置的過程易于理解且符合工程實際。

AutoForm使用了許多現代模擬技術:應用新的隱式有限元算法保證求解的迭代收斂；采用自適應網格、時階控制、復雜工具描述的強有力接觸算法、數值控制參數的自動決定和使用精確的全量拉格朗日理論等保證求解快而且準確。它同時融人了許多工程應用技術，如考慮了加工硬化和應變率效應的各向異性材料模型；等效拉延筋阻力模型。

AutoForm對模擬結果融合了許多有效的解釋:可以實時地觀測計算結果；可觀測應力、應變和厚度分布、材料流動狀況；可計算工具應力、沖壓力；可實現材料標記、法向位移的標識；可生成對破裂、起皺和回彈失效進行判定的成形質量圖以及成形極限圖；還可進行動畫顯示和截面分析等。

三、模面設計

在風神Bluebird發動機罩總成模具的設計與制造工作中，為保證模具的制造質量和周期，作者對其主要零件-發動機罩內外板進行了成形模擬分析，取得了良好的應用效果。以下主要對外板作一個說明。

1、產品介紹

發動機罩外板如圖1所示。料厚:0.8(GB708-88)。材料:SP780-340。坯料尺寸:0.8*1540*1770。其沖壓工藝是:開卷落料，外形定位拉延成形，外形與形狀定位修邊沖孔、吊楔修邊，外形與形狀定位翻邊、吊楔翻邊，檢驗夾具。

2、拉延成形模面設計

模面設計是根據沖壓工藝和模具設計知識，完成優選沖壓方向、壓料面形狀的確定、工藝補充面的設計以及拉延筋的設計與布置等，依其掌握的經驗和知識，以獲得最佳的材料流動，達到拉延出合格的拉延件的目的。 (1)沖壓方向的確定.在保證沒有沖壓負角的情形下遵循平均法向原則、最小拉延深度原則、無沖壓負角原則、確定沖壓方向:繞坐標軸Z旋轉+15。，如圖2所示。

(2)壓料面的設計.首先遵循平順光滑原則，在具體設計策略上重點考慮拉延深度、壓料面截面線輪廓的處理，壓料面面輪廓的處理，壓料面的位置確定。

(3)工藝補充面的設計.首先應考慮到后續工序(如修邊、翻邊)的銜接和模具結構上實施的可行性與簡便性，然后就是考慮材料的局部流動情況及其對拉延成形的影響。工藝補充面的設計有2個重要的參數，即凸模圓角半徑和凹模圓角半徑的設計。 (4)拉延筋的設計與布置拉延筋在調節局部進料阻力上有著非常直接的作用，在布置時還要考慮到后序修邊和拉延時很可能產生的拉毛問題。在模面設計進行時，對類似零件的模面設計及其實際沖壓情況進行了調研，力求讓外板有充分的變形、良好的剛性；同時探討使用板成形數值模擬技術對數據量大、使用新材料的發動機罩內外板進行沖壓模擬分析，對現場模具調試出現的問題進行分析判斷，并協助解決現場出現的調試問題。

四、成形模擬分析

1、有限元網格模型的建立

通過標準的IGES數據轉換接口，將工具和坯料的幾何模型讀人有限元分析系統中進行網格劃分，對覆蓋件成形模擬分析可用BT殼單元對幾何模型進行離散，建立零件的有限元網格模型，由于采用真實拉延筋和工藝補充面形狀復雜，有限元網格模型的節點數和單元數很大，其節點數為118778，單元數為127778。并進而建立一個模具的有限元網絡模型的裝配，如圖3所示。

這是一個典型的雙動拉延模，板坯首先放在凹模上并定好位置，板料在重力作用下會有一定的下垂，即重力效應；然后壓料圈在壓力機外滑塊作用下下行完成壓邊成形過程，接著凸模在壓力機內滑塊作用下下行完成拉延成形過程。

2、板坯及其材料性能參數

關于毛壞形狀，應優先采用方形或方形切角，這樣可以減掉落料模具；然后是有一定規則形狀的毛坯，這樣既可簡化落料模具結構，又給優化毛坯排樣提高材料利用率提供了良好的基礎；最后是任意形狀的毛坯。目前也有考慮套裁和組合成形技術，并有成功應用實例。

在數值模擬分析的前處理中，對板坯進行網格劃分，板坯外形尺寸為1550*1770，考慮到制件左右對稱，在定義好對稱面后只需對其一半進行求解計算。雖然板坯初始網格單元數為1736，同樣由于采用真實拉延筋和工藝補充面形狀復雜，尤其是小的圓角，所以基于自適應精化網格技術的AutoForm自動根據板料變形情況進行網格重劃分，到拉延結束時板料網格自適應精化級別達到5級，所需單元數達到1759014，實用單元數達到1777644。

材料的性能參數:屈服強度σs=162.86MPa；抗拉強度σb=315.35MPa；延伸率δ=47.17%；強度系數k=556.08MPa；硬化指數n= 0.227；0°、45°、90°力一向上的厚向異性指數:分別是1.774、1.842，1.941。

3、拉延成形模擬分析和拉延模的調試

（1）第1階段的模擬分析

采用非方形毛坯，通過調節壓料力和摩擦系數等沖壓成形工藝條件和參數，經過多次模擬分析直至得到此條件下的最佳拉延成形效果的板料毛坯和成形參數，結果如圖4所示?？梢钥闯?A區破裂，B區接近破裂，C區變形剛性不足。

（2）第2階段的模擬分析

為消除C處變形剛性不足，在后側毛坯采用直線形狀，經過模擬分析其結果如圖5所示。

可以看出，由于毛坯形狀的變化和壓料力的降低，A區破裂有所緩解，召區情況未變，C區由變形剛性不足到由于材料流動困難而破裂:但破裂區域在修邊線以外，而且修邊線以內的有效區域得到了充分良好的變形，后一點正是所希望的。

（3）第3階段的模擬分析

在第2階段模擬結果的基礎上，進一步嘗試采用規則的方形毛坯，這樣就不需要落料模。經過模擬分析其結果如圖6(a)所示。結論:采用規則方形毛壞是可行的，前提是消除A，B，C處的破裂。

減少壓料力和降低模具表而摩擦，雖能消除破裂，但制件變形很不充分局部甚至起皺，如圖6(b)。大多數處于兩種情形之間，如圖6(c)。

從上述模擬分析情況也可以同時得出以下結論。

（1）C區是最易破裂部位，其次是.4區、B區；若采用減少壓料力等則C區仍破裂，A區、B區破裂消失，D區成為變形不足的部位，D區變形不足甚至局部起皺。 （2）必須進一步采取一些修模措施，改變材料的流動情況，使C；區的材料加快流動，使D，E區的材料減緩流動，達到材料均勻流動和變形充分、均勻的目的。

五、現場調試

根據上述拉延成形模擬分析的結果，可以很容易地找到模具調試方案。

如圖7所示，由于沿周工藝補充面拉延包過高，并且R太小，使材料流人困難，過高的筋同時也意味著材料的局部劇烈形狀變化，導致在拉應力作用下失穩破裂?，F場實沖結果如圖8所示。

按上述分析，首先降低壓料面及凹凸模具表面粗糙度，用砂輪機修整以降低沿周拉延包的高度，同時適當放大破裂區域部位的凹模圓角半徑，以便于材料的流動，消除破裂。現場最終的實際調試結果是:C區拉延包高度最大處降低約15mm，兩側及角都降低約5mm；為了消除B區仍存在的局部材料過度變薄和微小裂紋，將角部凹模R由R5修磨到R10，徹底消除了微裂紋。

模具經上述實際調試后結合CAE提供的沖壓工藝參數進行試沖的結果如圖9所示，得到了完全合格的拉延件。

從上述過程可以看出，采用數值模擬技術來進寸拉延成形分析，并進而在模具制造調試時提供量的數據和判據，指導模具調試，這是縮短制模周期、提沖壓件成形質量的一個非常重要的手段。若在模具加工制造前就進行充分的模擬分析，研討模面設計的可行性和可靠性，并進而提出改模方案，更改NC加工代碼，無疑將大大減少現場實際試模量，該技術的成功應用也預示著其巨大潛力。但板料的沖壓成形過程和模具的設計制造是一個十分復雜的系統過程，單對某一個工序及其模具調試作出分析、判斷和成功的修改或完善還是不夠的，還需對許多關鍵技術作進一步的研究和探索，才能最終大大減少現場模具調試的工作量。