1引言

　　汽車覆蓋件多為空間自由曲面，具有結構尺寸大，形狀復雜，材料薄等特點，大多采用薄板沖壓成形。成形過程涉及幾何非線性，材料非線性和復雜的接觸摩擦問題。傳統的模具設計方法難以預先估計板料成形過程中板料的成形性和模具設計的正確性。模具設計和制造多是通過試模法進行逐步修改，直到滿足要求為止。這種方法生產周期長，效率低，消耗大量人力物力，而且對工人技術水平和經驗要求比較高。隨著有限元技術和計算機技術的高速發展，基于數值模擬的技術(CAE)在汽車工業中的應用不斷深入，尤其是板料成形分析軟件的開發和應用，使沖壓模具設計和加工定量化，因此，加快了沖壓工藝方案的確定，最終得到理想的沖壓參數，實現設計自動化，節省物質資源，減少對經驗的依賴，降低對技術工人的要求。

　　2數值模擬軟件AUTOFROM

　　采用的模具CAE技術為板料成形分析軟件AutoForm。AutoForm軟件是由德國AutoForm工程股份有限公司專門針對汽車工業和金屬成形工業中的板料成形而開發的，用于優化工藝方案和進行復雜型面的模具設計，在工藝切口和修改凹模圓角方面有其獨到優勢。特別適合于復雜的深拉延和拉深成形模的設計，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。

　　AutoForm的主要模塊有用戶界面、自動網格劃分、一步成形、模面設計、增量求解、切邊、液壓成形。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。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閉。

　　3 AUTOFORM的覆蓋件拉延模具設計

　　汽車覆蓋件模具CAD/CAE/CAM的設計流程圖，如圖1所示。

　　圖1覆蓋件成形模擬及模具設計流程

　　在通用的CAD軟件中進行產品造型，然后通過IGES、STL等格式文件導入CAE軟件中進行分析，CAE分析優化完成后提取模具的幾何信息用數據文件導入CAM系統實現加工昀。以某汽車覆蓋件為例，用CAD/CAE協同設計進行拉延模設計，在Windows平臺下采用NX4.0和AUTOFORM軟件實現這種設計方法。

　　3.1零件特點及網格劃分

　　產品，如圖2所示。采用NX4.0依據圖紙進行三維CAD數據模型的構建。零件材料DC56，料厚1.5mm，外形不規則，曲面比較明顯，拉伸面比較深，側面垂直平面與曲面的轉角處以及垂直與側面封閉的面形成的區域鏈接部分，圓角半徑很小，平面度要求高，零件有3個長腰孔，一個不規則孔，一個六邊形孔，整個零件精度要求比較高。

　　圖2某汽車覆蓋件三維圖

　　為盡量減少可能產生的數據錯誤和丟失，在UG軟件中抽取出零件表面并以.iges格式文件導出，通過標準的IGES數據轉換接口，將幾何模型讀入AUTOFORM軟件，用BT殼單元對幾何模型進行離散。進行網格劃分，建立零件的有限元網格模型。

　　3.2沖壓方向的確定

　　沖壓方向的確定是拉延工序設計中的重要參數。它表示拉深件在模具中的空間位置，它不但決定能否拉延出合格的覆蓋件，而且影響到工藝補充部分的多少、壓料面的形狀以及拉延后各個工序(如整形、修邊、翻邊等)的設計方案。該零件在拉延模中確定的沖壓方向，如圖3所示。

　　圖3沖壓方向

　　3.3創建壓料面與工藝補充部分

　　為了實現拉延，對零件以外增加而又在后續工序中切掉的部分，主要起工藝補充的作用，工藝補充是零件能夠成型的必不可少手段，它不僅決定了零件能否成形，要求拉延成型時材料變形充分，又不能拉裂導致零件的報廢或因起皺而導致零件不光滑、不平整，這就要靠工藝補充來進行控制。壓料面是工藝補充的另—部分。建立壓料面時，要保持原零件部分壓料面與工藝補充部分壓料面的光順。使材料在拉延過程中便于向凹模內流動，并防止毛坯在壓料過程中就產生起皺現象：確定的工藝補充數學模型，如圖4所示。

　　圖4工藝補充數模圖

　　3.4建立拉延筋

　　如果汽車覆蓋件形狀比較復雜，拉延成形難度大，在拉延模設計中，廣泛采用在壓料面中設置拉延筋，調節各部位的進料阻力，減少凹陷波紋等缺陷產生。考慮到此零件形狀較簡單，先不設置拉延筋，待進行沖壓成形有限元模擬后若出現起皺或成形不良現象再根據隋況設置。

　　4數值模擬過程及結果分析

　　該覆蓋件要經過拉延、切邊、翻邊、整形、沖孔等工序。對幾何精度、表面光潔度要求較高，因此在全套模具設計中拉延工序最為重要，也是難度最大的。工藝設計不當常常會產生拉裂、起皺等缺陷，給模具調試造成較大的難度。采用AUTOFORM仿真軟件模擬板料成形的全過程，及時預測可能出現的拉裂、起皺缺陷，為完善模具設計方案或修模提供依據。如圖5所示，建立的成形模擬的幾何模型。根據所構建的模型，并結合實際工藝參數進行了成形模擬仿真。

　　圖5成形模擬的幾何模型

　　(1)凹模與壓料圈閉合時毛坯的形狀，此階段成形沖壓件凸緣處，如圖6所示。從圖6中可見毛坯光順，沒有皺紋，說明壓料面的形狀設計合理，壓料面的形狀對拉延成形十分有利。

　　圖6凹模與壓料圈閉合時板料的形狀

　　(2)拉延過程中的板料—狀態，如圖7所示。從圖7可見，毛坯變形均勻，沒有出現大的皺紋，沒有破裂現象發生。通過觀察拉延過程中每瞬間的狀態，可判斷材料的流動趨勢，對確定沖壓工藝參數(如毛坯的大小，拉深筋的形狀、位置等)起到十分重要的作用。

　　圖7拉延中間過程板料的形狀

　　(3)拉延結束時，拉延件的成形性云圖，如圖8所示。藍色表示變形充分，形成性好;綠色表示變形不充分;紅色表示拉裂趨勢。從圖中可以看出零件凸緣兩個凸角處會容易發生拉裂，其它大部分區域成型性良好。

　　圖8拉深結束拉深件成形性云圖

　　(4)拉深件的厚度變化云圖，如圖9所示。分析每一點厚度的變化率，即板料厚度變化值與料厚的比值。如圖所示修邊線以內的區域變薄率小于21%非常安全，不會破裂，變薄率最大為20.4%(在凸緣凸角處)。由圖9可以看出，零件材料厚度有變化。而拉延模只是初成形工序，所以在制作拉延模時，為了避免或減少拉延件的拉裂(此區域厚度變薄)，可以在容易拉裂的區域通過修改拉延件的數學模型，稍微放大該處的圓角半徑，問題就可以解決。

　　圖9板料厚度變化云圖

　　(5)覆蓋件分析結果的成形極限圖(FLD)，如圖10所示。FLD綜合反映了板料在復雜應力狀態下產生塑性失穩斷裂破壞的情況。根據有限元模擬結果顯示的FLD圖，可以迅速找出破壞的區域，采取相應措施改變局部受力狀態，提高其成形性能。由圖10可以看出絕大部分的點都在曲線的下方，且有一定的距離，說明沒有破裂的情況發生，處于安全變形區，但仍有少量點在曲線上方附近(靠近曲線)，說明此處存在破裂可能，分析后此處為凸緣凸角處，主要原因為角部應變較大，表明在現有工藝條件下圓角半徑不合理，通過修改模具結構，破裂問題可以解決。

　　圖10成形極限圖

　　5結束語

　　結合實例，介紹了汽車覆蓋件模具設計過程。通過CAD和CAE技術集成進行仿真分析，在有限元分析軟件內部實現了覆蓋件模具設計及優化，有效解決了模擬后的模具形狀參數化調整問題，不但節省了大量時間，而且也能保證模擬順利進行，提高了設計可靠性。