图1  减振器架主板三维数字模型

汽车减振器架主板既属于外观要求较高的内板件，又属于结构复杂的骨架类结构件，其成形模具的开发制造是汽车车身制造的关键环节，在加工制造过程中，要考虑表面质量、尺寸形状及刚性等诸多因素。

作为国民经济的支柱产业，汽车工业尤其是轿车工业，对我国国民经济的发展起着举足轻重的作用。随着市场竞争日益加剧，汽车企业纷纷在技术创新和自主研发上加大投入。在这种趋势的引导下，汽车产业及其产业链上的模具企业也开始积极寻找和应用新技术改造传统工艺。

一直以来，我国的模具产业都在低端产品市场运行，中高档模具产量不大，模具生产周期较长、开发成本高、制件精度低、寿命短且制造工艺水平不高，缺乏大型、高精度的模具加工设备。这一现状决定了模具企业为汽车产业的自主创新提供配套的能力严重不足，为了改变我国汽车企业外覆盖件零部件模具长期依赖国外模具供应商的现实，一些具有创新意识的模具企业开始引进、学习、消化和吸收国外先进模具开发技术和手段。

汽车覆盖件是指构成汽车车身、驾驶室、发动机和底盘上覆盖的薄金属板料制成的异形体表面和内部零件族的总称。轿车的车前板和车身、减振器架主板等都属于覆盖件类别。按功能和部位分类，覆盖件可分为：外部覆盖件、内部覆盖件和骨架类覆盖件三类。外部覆盖件和骨架类覆盖件的外观质量有特殊要求，同时还应具备较好的强度以实现其结构功能，骨架内覆盖件一般具有更复杂的结构。与一般冲压件相比，覆盖件具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量要求高等特点。覆盖件的工艺设计、冲模结构设计和冲模制造工艺都具有特殊性。因此，在实践中常把覆盖件从一般冲压件中分离出来，作为一种特殊的类别加以研究和分析。

图2  减振器架主板成形的工艺补充

减振器架主板的工艺特点

汽车减振器架主板既属于外观要求较高的内板件，又必须内悬并包络于车轮之上，因而又属于结构复杂的骨架类结构件，因此在成形精度和表面粗糙度等方面要求较高，此类结构件成形模具的开发制造是汽车车身制造的关键环节。

汽车减振器架主板周边需要与前纵梁贴合，因此对周边贴合尺寸控制精度要求较高。另外，由于零件成形弧度和拉延深度都较大，制件自身高低差值很大。局部圆角较小，导致成形制件周边出现成形缺陷的危险区域较多。这些工艺特点决定了其成形模具开发难度较大，需要考虑的关键工艺因素包括：

1. 表面质量

减振器架主板表面上任何微小的缺陷都会在涂漆后引起光线的漫反射而损坏外形的美观，因此其表面不允许有波纹、皱折、凹痕、擦伤、边缘拉痕和其他破坏表面美观的缺陷。减振器架主板上的装饰棱线和筋条要求清晰、平滑、左右对称且过渡均匀，棱线衔接应吻合流畅。总之，既要满足结构上的功能要求，又要满足表面装饰的美观要求。

图3  第一次试算所加载的有限元模型

2. 尺寸形状

减振器架主板的形状为空间三维高次曲面，其形状很难在二维图上完整准确地表达出来，因此模具的尺寸形状常常借助制件数模来描述。制件数模是减振器架主板模具开发的主要制造依据，减振器架主板模具图上标注出来的尺寸形状包括：立体曲面形状、各种孔的位置尺寸和形状过渡尺寸等，都应和主模型一致，图上无法标注的尺寸要依赖主模型量取。

3. 刚性

减振器架主板拉延成形时，由于其塑性变形的不均匀性，往往会使某些部位刚性较差。刚性差的覆盖件受振动后会产生空洞声。用这样的零件装车，汽车在高速行驶时会发生振动，造成减振器架主板早期破坏，因此减振器架主板的刚性要求不可忽视。检查减振器架主板刚性的传统方法，一是敲打零件以分辨其不同部位声音的异同；二是用手按看其是否发生松驰和鼓动现象。这些方法对主观经验性依赖较强，准确性较差，采用有限元技术可以精确分析出成形过程和成形终了时，制件的刚度和强度。

图4   第一次试算出现严重变薄拉裂

4. 工艺补充

减振器架主板的结构形状和尺寸决定该件的工艺性，其工艺性关键是指拉延工艺性。结构件一般都采用一次成形法，为了创造一个良好的拉延条件，通常将翻边展开，窗口补满，再加添上工艺补充部分，构成一个拉延件。

工艺补充是拉延件不可缺少的组成部分，它既是实现拉延的条件，又是增加变形程度获得刚性零件的必要补充。工艺补充的多少取决于减振器架主板的形状和尺寸，也和材料的性能有关，其工艺补充面设计得是否合理往往是减振器架主板模具开发成败的关键。工艺补充的多余料需要在以后的工序中去除。

拉延工序以后的工艺性仅仅确定工序次数和工序顺序。工艺性好，可以减少工序次数，进行必要的工序合并。审查后续工序的工艺性要注意定位基准的一致性或定位基准的转换，前道工序为后续工序创造必要条件，后道工序要注意和前道工序衔接好。

图5  第二次试算所加载的有限元模型

从上述分析可以看出，减振器架主板的成形是板料成形领域技术最密集、复杂度最高的一个分支，是国内外公认的成形过程控制最困难的技术之一。随着板料冲压成形技术在汽车行业中的应用越来越广泛，以及板料成形在塑性加工领域所占比重的不断提高，促使工程技术人员不断地探索克服板材冲压成形缺陷的有效途径。

减振器架主板成形常见缺陷分析

汽车减振器架主板成形过程中经常发生的成形缺陷有：起皱、凸包、叠料、拉裂以及成形后的回弹等。这些成形缺陷一直是工程技术人员十分关心并努力解决的力学难题，同时也是制约汽车板件成形模具开发的关键。

起皱是冲压成形过程中板料在非均匀变形时产生切向压应力，在微小扰动作用下，通过板料的横向剪切力造成局部区域的材料向内或向外分叉变形，一般认为起皱的机理是由于板料横截面内沿厚向切应力造成的，并和屈服应力、硬化指数等诸多因素有关。传统上，冲压成形模具设计大多依赖经验公式设计初始模具，通过调节压边力、设置拉延筋和工艺补充面等方法控制板料成形过程中材料流动速率和流动方向，抑制凸缘与侧边起皱。这种方法是建立在反复试模和修模基础上的，费时费力，而且试调模工作必须在模具制造完成后才能进行，如果工艺补充不正确，将会造成模具的较大改动，甚至报废。实践证明，经验设计难以满足汽车结构件的精度要求，往往需要报废多套模具才能最终调试定型一套汽车结构件模具，开发成本高、周期长，模具企业和汽车企业都很难承受。

图6  第二次试算出现严重起皱现象

回弹是板件成形终了卸载后，制件轮廓尺寸回复偏离模具形面尺寸的现象，回弹量超过允许值就会造成成形缺陷。目前，很难对回弹变形作出准确预测。采用有限元数值仿真的方法可以较好地预测特定结构和特定成形条件下回弹量的大致范围，为在工艺上采取回弹补偿措施提供可靠参考。较著名的回弹补偿理论有：位移调整法（Displacement Adjustment，DA）和控制表面过度弯曲法（Surface Controlled Overbending，简称“SCO”）等。

减振器架主板成形有限元模拟及成形性分析

汽车减振器架主板模具开发过程中，利用目前国际先进的板料成形有限元仿真技术，对减振器架主板的成形性进行仿真分析，并借助仿真结果合理设计成形模具形腔和形面，与传统开发方法相比，极大地提高了模具成形精度，最大限度地减少了试修模次数，缩短了开发周期，节约了开发成本。

下面对减振器架主板模具开发过程中应用的有限元技术作简要介绍：减振器架主板形面属于空间曲面，轮廓尺寸大，板料厚度薄，表面质量要求高，其成形过程需要经过拉延→修边+冲孔→翻边+整形→侧冲孔+侧修边→剖切分离等多道工序，其中，拉延工序是减振器架主板获得精确轮廓形状的关键。拉深工序直接影响到产品质量、材料利用率、生产效率及制造成本。为了避免成形缺陷，必须合理设计冲压成形力、工艺补充部分形状和尺寸、压料面形式、拉延筋布置、毛坯形状以及下料尺寸等重要工艺因素。

图7   第三次试算所加载的有限元模型

1. 减振器架主板板拉延工艺分析

汽车减振器架主板为左右对称件，三维数字模型结构如图1所示，它的形状复杂，各个局部变形程度差异较大，若采用单件成形，会出现较大侧向压力，对模具和压机受力状态十分不利，也难以保证制件成形精度。

采用左右两件对称布置，左、右件共模成形，既节约了模具成本，又提高了生产效率，同时，也有利于成形过程中材料的流动。在充分考虑了减振器架主板的结构特点的前提下，合理设计出制件的放置方位、压料面的形状结构和拉延筋的分布，得到如图2所示的工艺补充的形面。

2. 减振器架主板的有限元模型设定

减振器架主板板料选用ST14，板料厚度为0.8mm，根据材料的理化指标，选用屈服函数为：

其中， 是沿轧制方向的的等效应力；x、y分别表示板材的轧制方向和横向；r为各向异性平均值。

选用相应的有限元模型参数为：硬化指数n=0.224；各项异性均值r=2.4125；毛坯与模具各部件间的静摩擦系数取0.15，动摩擦系数取0.15（参考类似结构件模具的经验值）；凸凹模间隙C＝1.1 t（t为板料厚度）；压边力为800kN；压边部分下行速度v1＝1500mm/s；成形速度v2＝1200mm/s。由于模具属于一模两腔，左右对称，有限元分析时只需要进行半边结构进行分析即可。模具结构采用倒装结构，板料采用等向指数强化模型，应力与应变关系为：

式中，n、K为材料常数，K＞0，n为硬化指数。

有限元模型中的凸、凹模及压边圈设为刚性材料，分析算法采用Belytschko-Tsay薄壳理论，网格利用有限元软件的自适应划分技术获得。

图8  第三次试算得到较好的成形结果

模拟结果分析及工艺优化

通过CAE分析将成形结果模拟出来，经过分析和判读，发现问题，再对坯料和拉延筋的形状和作用力进行调整，对工艺补充面进行重新修正，将修改后的模型加载至有限元软件中，经过网格重划分、结构离散等步骤，再次进行数值运算，直至得到较合理的成形模具结构。所有分析和优化过程仅需要在计算机中通过有限元软件完成，使模具试制成本大幅降低。

以下为汽车左右减振器架主板后板CAE辅助工程仿真过程。图3为第一次进行工艺补充面设置后的模型，图4为将该模型加载到有限元软件中进行试算的结果，从分析模拟的结果可以看出，制件上多处出现严重变薄拉裂的现象。

对第一次试算结果进行分析，针对几处较严重的破损面，将工艺补充面进行了优化，修改了分模线圆角R，将原来值从18mm改为25mm。将压料面上的拉延筋高度降低，以此来降低拉延筋对坯料的流动阻力。再次加载修改后的模型如图5所示，有限元软件进行重新分析计算的结果如图6所示。

从图6的分析结果可以看出，拉裂现象得到改善，但是制件上出现了较严重的起皱现象。经过分析，对压料面上的压边力分布进行了修改，同时加大起皱区域周边的压边力，降低了起皱部位的周向失稳倾向。修改后的有限元模型如图7所示。将修改后的模型再次加载到有限元软件中，分析结果如图8所示。

从图8可以看出，成形结果比较理想，成形过程材料流动均匀，充分发挥了材料塑性变形能力，表面质量得到提高。材料变薄率基本控制在27％之内，最薄区域的变薄率为27.11％，在产品增厚区域，增厚率为12.29％，符合汽车减振器架主板产品的工艺要求。

结语

汽车减振器架主板成形工艺优化及其成形模具开发工作中，利用了一系列新技术，实现了结构件模具开发技术的创新，具体来说主要包括：将Belytschko-Tsay薄壳理论及其数值计算方法应用于传统的覆盖件成形模具设计过程中，改变了传统经验设计方式，提高了减振器架主板模具设计的科学性和可靠性；采用有限元分析技术对汽车减振器架主板的成形工艺进行分析，合理设计了形腔和形面结构，避免成形过程中出现拉裂、起皱和破损等严重板料成形缺陷；通过有限元软件的反复模拟优化，修正了工艺补充面的结构和成形力学条件，确保模具在实际生产中得到符合表面质量和成形精度的制件产品；探索出一条利用先进成形技术和成形理论提高模具设计水平的新途径。