基于DYNAFORM的汽车覆盖件模面设计及成形性分析

摘要：以板料成形非线性有限元分析软件eta/DYNAFORM为平台，介绍了汽车覆盖件模具型面设计过程，对某种汽车引擎罩零件冲压成形过程进行数值模拟，根据模拟结果进行成形性分析，为优化工艺参数和模具结构提供了强有力的工具。关键词：汽车覆盖件；模面设计；成形性分析；eta/DYNAFORM。引言汽车覆盖件多为空间自由曲面，具有结构尺寸大，形状复杂，材料薄等特点，成形过程涉及几何非线性，材料非线性和复杂的接触摩擦问题。传统的模具设计方法难以预先估计板料成形过程中板料的成形性和模具设计的正确性。目前板料成形CAE分析软件的一个重要发展趋势是可以进行模面设计（DIE FACE ENGINEERING），从而大大缩短成形分析过程。覆盖件模具设计大体分为模具型面设计，成形性分析和模具结构设计3个阶段，模具型面设计位于覆盖件模具设计上游。由于覆盖件的形状复杂，成形过程中的毛坯变形也很复杂，如果直接按冲压件图进行展开来确定毛坯的形状和尺寸，则不能保证覆盖件在冲压成形中顺利成形。因此在进行冲压设计时，首先根据覆盖件的成形工艺特点，设计覆盖件模具型面。覆盖件模具型面设计流程覆盖件模具型面设计通常是以零件的数字模型为基础，添加工艺补充面构成的。零件设计的好坏，直接关系工艺补充面的设计和后续成形质量的好坏，从而影响产品质量和外观。分析覆盖件零件的三维模型，可将其形状分为3部分：反映零件特征的形状面，与其他零件相连的连接面（称为翻边），及形状面上一些工艺特征，如孔洞。在设计型面之前进行型面装配和复制，确定冲压方向后，根据需要展开翻边，填补孔洞，设置拉延筋和工艺切口，以有利于以后的拉延成形工艺。此外，覆盖件零件的外形轮廓有急剧凹凸折曲和较高的鼓包时，这些部位的成形容易开裂，在设计零件时，应根据实际情况尽可能加大过渡区和过渡圆角。如图1为覆盖件拉深模型面设计流程。 DYNAFORM的模面设计(DFE)模块 DYNAFORM的模面设计（DIE FACE ENGINEERING）模块提供了在模具设计的早期阶段生成模面（工艺补充面和压料面）的工具，模面设计的功能包含如下：（1）准备（Preparation）本功能主要用来进行一些与零件准备相关的操作，以便模面设计工序。其中包括：展开法兰，对称，工具网格划分，内部填充，网格检查和网格修补，冲压方向调整，外部光顺。（2）压料面设计（Binder）本功能用来生成各种模型的压料面。其中包括：两线压料面，平压料面，锥形压料面，边界线压料面，法兰压料面和自定义压料面等功能。（3）工艺补充面设计（Addendum）本功能提供了在成形面上创建过渡曲面和网格的工具。其中包括：主截面线设计，创建工艺补充面，创建开模线等功能。（4）修改（Modification）本功能通过修改线，曲面和单元来完善模面设计。其中包括：线变形，曲面变形，单元变形，拉深筋，裁剪拉深筋，激光切割，压料面裁剪等功能。（5）凹模设计检查（Die Design Check）此功能允许用户根据裁剪方向，冲压深度来直观地检查凹模。模具型面设计本文针对某型号轿车引擎罩，应用DYNAFORM软件的模面设计功能进行实际覆盖件成形模具的模面设计。零件特点及网格划分轿车引擎罩整体尺寸较大，零件延中线上下对称，高低起伏较大，几何形状复杂。用网格划分工具（mesh tool）对几何体进行网格划分，同时展开引擎罩上的翻边部分。冲压方向确定冲压方向是拉深工序设计中应首先确定的参数。它不但决定能否拉出合格的覆盖件，而且影响到工艺补充部分的多少，以及拉深后各个工序(如整形、修边、翻边等)的设计方案。调整冲压方向时，要考虑零件便于成形及放置。用准备（Preparation）命令中的Tipping进行冲压方向调整。零件内孔填充和外部光顺为保证引擎罩冲压件的质量，并且考虑到类似零件的生产工艺，即先整体冲压成形，然后进行冲孔翻边等，因此需要将零件中的内孔全部填充上，同时为了易于成形，进行外部光顺。利用准备（Preparation）命令中的内部填充（inner fill）和外部光顺（outer smooth）进行工艺补充。创建压料面为了便于拉深成形，压料面的形状不能有异常的凸起或凹坑，要求平滑、光顺，尽量简单化；合理地选择压料面与拉深方向的相对位置；保证压料面各部分进料阻力均匀可靠。所以说，设计压料面的关键技术是保证拉深深度基本均匀，将变形方式由拉深为主的深拉深变为胀形为主的浅拉深。这样可以减少工艺余料，提高材料的利用率。另外还会减轻模具的粘着情况，提高产品的质量。选择模面设计模块的Binder命令，设定压料面类型为平压料面，继而确定压料面尺寸，创建压料面。过渡面的生成选择Addendum命令，选定轮廓类型后自动生成过渡面，最后经过以上的处理得到引擎罩一个初步的完整的几何型面，如图2所示：仿真结果及成形性分析在模具设计中得到的引擎罩冲压件形状，以及表示特征的工艺补充面、压料面。在定义好模具各部分运动和边界条件，然后提交工作到LS-DYNA进行计算。计算结果可以在DYNAFORM的后处理器中通过各种表达方式来观察，如等值线图、彩色云图、曲线图等可以方便地获知板料成形中各个阶段地应力应变、厚度变化、变形位移等。本研究考虑到引擎罩的变形特点，选用厚度变化和成形极限图作为评价成形性能好坏的主要指标。厚度分布图从厚度图可以看出1处和2处的厚度最小约为0.588858mm，实际变薄了0.211142mm，变薄率为26.39%，在厚度最大处标出的最大厚度约为0.845048mm，增厚了0.045048 mm，增厚了约6％，一般认为在成形部分增厚不超过10％，减薄不超过30％，都是可以接受的。通过分析可知，本例增厚率和减薄率都符合要求。成形极限图从成形极限图可以看出：锁模力为359.33T，工艺补充面完整，没有发生破裂；零件周围有起皱，但多发生在零件边界以外，一般不会影响产品质量。结论本文介绍了汽车覆盖件的模面设计过程,利用DYNAFORM软件对汽车引擎罩实例进行模面设计及成形性分析，为优化工艺参数和模具结构提供了一个强有力的工具。