覆盖件模具的成形工艺设计是覆盖件工艺设计的重要组成部分。汽车覆盖件冲压工艺基本上是围绕模具型面的数字模型展开，模具型面已成为三维模具结构参数化设计和数控加工的直接依据，这使得覆盖件模具型面的设计变得尤为重要。传统的覆盖件模具型面设计忽视了CAE/CAD协同设计的应用，导致企业中设计人员与有限元分析技术人员之间缺乏沟通，不能很好地了解对方的设计意图和目的，设计效率不高。CAD/CAE协同设计理念的提出，特别是以CAE带动CAD设计方法的提出，解决了产品开发过程中出现的设计缺陷和工艺缺陷，使这些问题在模具制造之前得以解决，避免了产品开发后期反复的试模和修改模具，降低模具开发成本，缩短开发周期。

图1  覆盖件模具型面的CAD/CAE协同设计流程

本文以某汽车顶盖外板为例，运用CAD建模软件NX3.0和专业的板料成形分析软件Dynaform对该零件进行工艺补充面和拉延筋的设计，探索大型汽车覆盖件工艺设计的一般规律。

材料模型和工艺参数的选择

在进行有限元模拟计算时，选择单动拉延形式。通过多次的试算结果，选择压边力为160t，摩擦系数为0.15。由于冷轧钢板都具有明显的各向异性，所以选择Dynaform中可以设置各向异性参数的36号3参数弹塑性材料模型，该材料模型使用的应力－应变本构关系为：σ=Kε"，其中：σ为等效应力（MPa）；K为强度系数（MPa）；ε为等效应变；n为硬化指数。

需输入的参数有：弹性模量E＝2.07×105MPa，泊松比μ＝0.3，硬化指数n，3个方向的塑性应变比r0、r45、r90，所选用的材料性能参数见表。

材料性能参数

工艺补充面设计

1．合理重压冲压方向的选择

汽车覆盖件拉深成形时，所选择的拉深冲压方向是否合理，将直接影响凸模能否进入凹模、毛坯的最大变形程度、是否能最大限度地减少拉深件各部分的深度差、毛坯各部分的变形和流动速度是否均匀、是否有利于充分发挥材料的塑性变形能力和防止起皱以及破裂等质量问题的产生等。即只有选择了合理的拉伸方向，才能使成形过程顺利实现。所以在进行工艺设计时应首先检查冲压方向，使零件在冲压方向上不存在冲压负角。当调整冲压方向后，冲压负角仍然存在，则必须对零件数模进行修改以消除冲压负角。本文选择Dynaform中的模面工程模块（DFE）检查冲压负角。

如图2所示，红色区域为冲压盲区，蓝色表示冲压斜度小于3°的区域。将零件绕Y轴旋转，在图2所示的冲压盲区还没完全消失的情况下，零件的尾部立壁已出现新的冲压盲区。由于仅靠调整冲压方向无法去除冲压盲区，我们在NX3.0环境下修改该处立壁的曲面形状，修改后检查冲压负角，从图3可以看到，冲压盲区已被消除。

图2   原始零件的冲压盲区

图3   模型修改后检查冲压负角

2．工艺补充面设计原则

绝大多数汽车覆盖件要经过添加工艺补充面之后设计出拉深件才能进行冲压成形。工艺补充部分制定的合理与否，是冲压工艺设计先进与否的重要标志，它直接影响到拉深成形时的工艺参数、毛坯的变形条件、变形量大小、变形分布、表面质量、破裂和起皱等质量问题的产生等。工艺补充面的设计一般有以下原则：

（1）内孔封闭原则

对零件内部的孔进行封闭补充，使零件成为无内孔的制件。

（2）简化拉深件结构形状

拉深件的结构形状越复杂，拉深成形过程中的材料流动和塑性变形就越难控制。因此，零件的外部工艺补充要有利于使拉深件的结构、形状简单化。

（3）保证良好的塑性变形

对某些深度较浅、曲率较小的汽车覆盖件来说，必须保证毛坯在成形过程中有足够的塑性变形量，才能保证其能有较好的形状精度和刚度。

（4）外工艺补充部分尽量小

由于外工艺补充不是零件本体，以后将被切掉变成废料，因此在保证拉深件具有良好拉深条件的前提下，应尽量减小这部分工艺补充，以减少材料浪费，提高材料利用率。

（5）对后工序有利原则

设计工艺补充时需要考虑对后工序的影响，要有利于后工序的定位稳定性以及尽量能够垂直修边等。

（6）双件拉深工艺补充

有的零件进行拉深工艺补充时，需要增加很多的材料或冲压方向不好选择或变形条件不容易控制等，若这种零件不是太大，可以考虑将两件通过工艺补充设计成一个拉深件，这种方法称“双件拉深”。

3．工艺补充面设计

首先对前述修改后的曲面模型进行逆向冲压过程模拟，得到粗略的变形分布特点。如图4所示，分别选择纵向和横向取等距（距离100mm）的5个截面查看模拟结果，并给出了截面a、b的厚向应变分布曲线。从图4中可以看出，顶盖的纵向和横向中心线位置的应变量都很小，厚向应变几乎都在1％以下（理论要求大于2％），顶盖的中部位置则几乎没有应变产生。因此添加工艺补充面时应考虑增加拉深深度，以提高顶盖中部材料的变形量。图5为添加工艺补充面后的零件模型。

图4  逆向法模拟结果

图5  添加工艺补充后的零件模型

4．工艺补充部分的优化

一般来说，工艺补充面的设计，最好使材料拉延的深度基本相同，以便材料均匀流动。图5给出的工艺补充面就是根据这样的原则设计的。拉深成形的模拟结果如图6所示，成形件中部的材料仍出现严重的变形不足。出现这个现象的原因是由于零件中部曲面的曲率小、面积大，成形过程中可以轻易地获得临近部位材料的补充。所以应考虑增加该部位的拉延深度。

图6   拉深模拟结果

根据以上分析结论，修改工艺补充面，如图7所示，将图示位置的压料面改成平面，中部位置的拉延深度得到了加大。

图7   优化后的工艺补充面

修改工艺补充面后，成形效果得到了明显改善，如图8所示。

图8   优化后的工艺补充面

拉延筋的合理设置

1．拉延筋模型的选择

拉延筋作为大型复杂零件成形的重要工艺控制手段，可以促使板料传递足够大的拉力，改善板料各点的变形状态，使之趋于均匀。另外，可以降低压边圈的压力，提高板料成形质量。在进行有限元模拟计算时，可以选择实际拉延筋模型和等效拉延筋模型进行计算。采用实际拉延筋模型进行模拟计算时，为了准确表达拉延筋的形状和考虑板料与拉延筋的接触形式，势必要将拉延筋划分成很细的有限元网格，这不仅极大的影响计算的效率，而且容易引起数值计算困难。因此，在三维数值模拟中需要采用等效拉延筋模型这种变通的处理方法。本文即采用等效拉延筋模型进行模拟计算。

2．拉延筋布置方案的确定

通过模拟计算，最终确定的拉延筋布置方案如图9所示。

图9   最终的拉延筋布置方案

结语

通过针对汽车顶盖外板零件进行CAD/CAE交互设计，得出以下结论：

1. 确定了最终的冲压方向，即零件在冲压方向上不存在冲压负角，保证了零件的顺利成形。

2. 得到了合理的工艺补充面，增加了零件的拉深深度，使零件中间部分产生足够的塑性变形，从而保证刚度。

3. 确定了拉延筋布置方案和各部分拉延筋的几何参数，使成形得以顺利进行。