汽车防撞横梁冲压工艺开发

摘要

　　近年来，汽车覆盖件的生产过程得到了越来越多的关注，基于 CAE 技术的汽车覆盖件冲压成形也被大量研究。汽车后防撞横梁作为汽车覆盖件的一种，它是汽车的一种保护装备，目前也得到越来越多的重视。本文通过 CAE 模拟分析技术，对汽车防撞横梁进行工艺开发与模具设计，旨在节约防撞横梁冲压设计时间，提高防撞横梁制件的质量。

　　本文对汽车防撞横梁进行冲压工艺性分析，结合冲压工艺性分析的结果，对防撞横梁进行冲压工艺的设计。汽车防撞横梁冲压工艺方案是：第一序为拉深工序，第二序为修边侧修边冲孔工序，第三序为修边侧修边工序，第四序为整形工序。对以上四个工序分别进行工序件设计和工艺设计。然后基于数值模拟软件 Dynaform，针对汽车防撞横梁的拉深过程，进行了有限元冲压工艺模拟，得出的模拟结果是起皱现象严重。因此针对防撞梁起皱缺陷进行了工艺优化，采取变压边力和变凹模圆角半径的方案，并且借助Dynaform 分析软件对优化方案进行了验证。最后利用 UG 软件对汽车防撞横梁进行冲压模具设计，主要是拉深模具和修边冲孔模具的设计。把防撞横梁冲压成形工艺设计作为主线，以各个类型模具结构设计标准为依据，对防撞横梁冲压模具进行总体设计。拉深模具的设计要点与设计过程，主要包括凸模设计、凹模设计、起吊装置设计、定位装置设计和加工基准孔设计等。修边冲孔模具的设计要点与设计过程，主要包括废料刀设计、镶块设计、冲头设计、废料滑槽设计和导向装置设计等。

　　通过现场试模，验证汽车防撞横梁冲压成形工艺开发与模具设计是否合理。事实表明：基于 CAE 技术的防撞横梁冲压工艺开发和模具设计是可行的。对制件分析了缺陷产生的原因。模拟分析结果指导实际生产，模拟优化的方案防止了缺陷的产生，得到了合格的成品件。用三坐标测量仪对制件进行测量，并与模拟结果进行了对比验证，结论是模拟分析的结果与实际测量结果一致，模拟仿真技术确实起到了指导现场生产的作用。

　　关键词： 冲压工艺 CAE 分析 冲压模具设计 调试 缺陷

Abstract

　　In recent years, the production process of automobile panels has received more and moreattention. CAE-based automotive panel stamping has also been a lot of research. Automotive anti-collision beam is one of the automotive panels. It is a kind of protective equipment for automobiles. Now it also get more and more attention. Through CAE simulation analysis technology, do the process development and mold design, in order to save stamping design time and improve the quality of anti-collision beam.

　　Doing analysis of stamping technology for automobile anti-collision beam combined with stamping process analysis results, design stamping process for anti-collision beam. Automobile anti-collision beam stamping technology program is: the first procedure is the drawing procedure, the second procedure is the trimming and punching step, the third procedure is the trimming step, and the fourth procedure is the plastic step. The above four procedures were carried out process design. Based on the simulation software Dynaform, the stamping process simulation was carried out for the drawing process of automobile anti-collision beams. The result of simulation was that the wrinkling was serious, and the wrinkling defects were optimized. Two optimization schemes of variable blank holder force and variable roller radius were adopted, and the solution was validated by Dynaform analysis software. Based software UG, stamping die design of automobile anti-collision beam is mainly designed for drawing die and trimming die. The design of anti-collision beam stamping process is taken as the main line and the overall design of punching stamping die is based on the design standard of mold structure. Drawing mold design and design process, including punch design, die design, lifting device design, positioning device design and datum hole design. The main points and design process of trimming die are mainly including waste knife design, insert design, punch design, waste chute design and guide device design.

　　Through the mold adjustment, it is verified that the development of stamping forming process and the design of mold are reasonable. The results show that the stamping process development and die design of anti-collision beam based on CAE technology are feasible. The causes of the defects are analyzed, and some reasonable measures are put forward. Through the adoption of reasonable defect control measures, the final solution to the problem of cross beam quality, get a qualified product pieces. The results are compared with the simulation results. The simulation results are in accordance with the actual measurement results, and the simulation technology does play a role in guiding the field production.

　　Keywords: stamping technology, CAE analysis, stamping mold design, adjustment, defects

　　汽车作为全球不可取代的交通出行工具，正在不断地改变我们的生活，为我们的出行提供便利。汽车制造也成为全球制造业的中流砥柱。随着科技的进步以及市场需求量的不断增大，汽车完善换代的速度日趋增加。影响汽车换代速度的关键因素是汽车覆盖件，它的完善与否以及功能升级直接决定了汽车制造业的发展[1]。汽车防撞横梁是汽车覆盖件，防撞横梁作为用来减轻车辆碰撞时吸收碰撞能量的一种装置，其重要性显而易见[2]。汽车防撞横梁的冲压成形是一个具有大挠度、大变形的复杂塑性成形过程，关系到金属在各个应力状态下的流动性和强化性等问题，在成形过程中还会伴有破裂、起皱等缺陷[3]。

　　因此，本课题的研究目的和意义是：借助 CAE 分析软件得到合理可行的汽车防撞横梁冲压成形工艺方案和参数，并且进行冲压模具设计，最后投入生产得到符合要求的防撞横梁。以防止缺陷的产生为目的，提高制件的合格率；以达到 CAE 模拟仿真实验指导现场生产的目的；以缩短生产过程时间、提高生产效率、获取总体效益为目的，为汽车覆盖件冲压生产起到典型示范作用。汽车行业的发展史中，CAE 技术起着至关重要的作用，为汽车企业带来巨大的收益。

　　90 年代初期，国外汽车制造企业就开始用有限元技术模拟板料的成形和分析[4]。很多国外知名车企建立了各自的分析数据库，如知名的丰田、通用等。通过数据库的分析结果可以省去大量新车相同工艺反复试验的周期和资金，同时不需要过分依赖经验，在保证产品质量的同时，显着降低了时间和资金成本[5]。应用了 CAE 技术后，新车开发费用占比从 8 成左右降至 1 成左右，时间从 3 年左右降至 2 年以内。如果说 CAD 是帮助工程师能更好、更丰富、更实用的设计工具，那么 CAE 技术可以说是产品质量、性能和成本的控制根本[6]。

　　目前，国外 CAE 技术已在汽车行业广泛应用。大型车企已经具备了把 CAE 技术应用到开发设计中的能力，例如预测成形缺陷，优化冲压工艺和模具结构，提高模具稳定性、可靠性[7]。随着市场竞争日趋激烈，各大车企开发自己的 CAE 技术软件满足自身设计需要，达到提高企业市场竞争力的目的。

　　从汽车防撞横梁的研究现状可以看出，目前对汽车防撞横梁的研究主要集中在其结构和性能方面，并未涉及防撞横梁的成形过程的研究。汽车防撞横梁的结构固然重要，但是如果只是开发出一个具有高性能的结构，但不能把这种结构快速成形出，也是惘然的。

　　汽车防撞横梁由于其外形特点是曲面多、高度深，所以汽车防撞横梁的冲压成形是比较困难的。对防撞横梁坯料进行拉深时，由于拉深高度比较深，所以很容易产生缺陷。

　　更重要的是各大汽车制造企业竞争压力大，谁能节省冲压成形的时间、提高冲压成形的效率、保证冲压制件的质量，谁就能为企业带来利润和前景。那么，利用 CAE 技术辅助汽车防撞横梁的成形研究是必不可少的实现途径。目前，基于 CAE 技术的汽车防撞横梁冲压工艺开发与模具设计显得尤为重要，它是实现上述研究领域的基础，不容忽视。

　　综上所述，基于 CAE 技术的汽车防撞横梁冲压成形系统的研究迫在眉睫。

　　本文通过结合汽车车身覆盖件的 CAE 分析软件和实际经验，对汽车防撞横梁进行了冲压工艺设计。以 CAE 模拟软件为工具，对防撞横梁的冲压成形过程进行了模拟仿真并进行工艺参数的优化，得到了合理可行的工艺方案。继而借助三维绘图软件 UG 设计出各个工序的模具。经过多次检查投入生产，现场进行模具调试，分析了出现的缺陷并提出了相应的解决方案，最终得到了质量合格的汽车防撞横梁制件，达到了计算机仿真实验指导现场生产的目的，从而提高了企业的生产效率。

　　本课题具体研究目标如下：

　　（1）冲压工艺设计：基于模拟分析软件 Dynaform 和实际设计经验，对汽车防撞横梁进行工艺性分析，确定防撞横梁的冲压成形工艺方案和各工序件的设计。

　　（2）拉深过程模拟仿真：利用 Dynaform 模拟分析软件，设置汽车防撞横梁的冲压拉深过程的工艺参数，对其拉深成形过程进行模拟仿真。

　　（3）工艺优化：结合上述模拟分析的结果，对汽车防撞横梁拉深冲压过程进行工艺优化。

　　（4）模具设计：基于 UG 三维绘图软件，对汽车防撞横梁冲压模具进行设计。对防撞横梁的拉深模具和修边冲孔模具的设计过程进行详细叙述。

　　（5）模具调试：对汽车防撞横梁的模具进行现场调试。分析制件缺陷产生的原因。模拟优化结果指导实际生产，解决了制件的质量问题。测量防撞横梁制件的三坐标，与Dynaform 分析软件得出的结果进行对比验证。

　　汽车防撞横梁冲压工艺结构设计：

模具调试

凸模本体

凸模型面部分

凹模本体

压料芯

起吊棒

定位装置

外导向

内导向

压板槽位置

拉深模结构图

废料刀的位置

目 录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 课题研究的目的和意义
　　　　1.2 国内外汽车覆盖件成形数值模拟技术发展现状
　　　　　　1.2.1 国外发展现状
　　　　　　1.2.2 国内发展现状
　　　　　　1.2.3 汽车防撞横梁研究现状
　　　　1.3 汽车防撞横梁研究存在的问题
　　　　1.4 课题的研究目标
　　第二章 汽车防撞横梁冲压工艺设计
　　　　2.1 冲压的基本概念
　　　　2.2 冲压加工工序的分类
　　　　2.3 冲压工艺设计的内容与步骤
　　　　2.4 汽车后防撞梁冲压工艺设计
　　　　　　2.4.1 冲压工艺分析
　　　　　　2.4.2 坯料分析
　　　　　　2.4.3 冲压工艺方案确定
　　　　2.5 拉深工序设计
　　　　　　2.5.1 确定冲压方向和数模基准点
　　　　　　2.5.2 压料面设计
　　　　　　2.5.3 工艺补充面和拉深分模线设计
　　　　　　2.5.4 拉延筋设计
　　　　　　2.5.5 第一序工艺图
　　　　2.6 修边冲孔工序设计
　　　　　　2.6.1 修边线设计
　　　　　　2.6.2 确定修边方向
　　　　　　2.6.3 废料刀设置
　　　　　　2.6.4 第二序及第三序工艺图
　　　　2.7 整形工序设计
　　　　2.8 本章小结
　　第三章 拉深成形过程的模拟及分析
　　　　3.1 Dynaform 软件介绍
　　　　3.2 拉深过程模拟设置
　　　　　　3.2.1 划分网格
　　　　　　3.2.2 新建板料成形设置
　　　　　　3.2.3 板料定义
　　　　　　3.2.4 工具定义
　　　　　　3.2.5 冲压方向定义
　　　　　　3.2.6 摩擦系数定义
　　　　　　3.2.7 工具定位
　　　　　　3.2.8 冲压速度定义
　　　　　　3.2.9 任务提交
　　　　3.3 成形过程模拟结果分析
　　　　3.4 成形过程模拟优化
　　　　　　3.4.1 压边力对成形过程的影响
　　　　　　3.4.2 摩擦系数对成形过程的影响
　　　　　　3.4.3 凹模圆角对成形过程的影响
　　　　　　3.4.4 最终的优化方案
　　　　3.5 本章小结
　　第四章 汽车防撞横梁拉深模具与冲裁模具结构设计
　　　　4.1 多工位模具概述
　　　　4.2 汽车后防撞梁拉深模结构设计
　　　　　　4.2.1 凸模设计
　　　　　　4.2.2 凹模设计
　　　　　　4.2.3 压料芯设计
　　　　　　4.2.4 起吊装置设计
　　　　　　4.2.5 定位装置设计
　　　　　　4.2.6 导向装置设计
　　　　　　4.2.7 加工基准孔设计
　　　　　　4.2.8 压板槽设计
　　　　　　4.2.9 后防撞横梁拉深模结构图
　　　　4.3 汽车后防撞梁修边冲孔模结构设计
　　　　　　4.3.1 废料刀设计
　　　　　　4.3.2 上模镶块设计
　　　　　　4.3.3 下模镶块设计
　　　　　　4.3.4 上模和下模本体设计
　　　　　　4.3.5 压料芯设计
　　　　　　4.3.6 冲孔设计
　　　　　　4.3.7 废料背空设计
　　　　　　4.3.8 废料滑槽设计
　　　　　　4.3.9 弹簧的选定
　　　　　　4.3.10 导向装置设计
　　　　　　4.3.11 后防撞横梁修边冲孔模结构图
　　　　4.4 本章小结
　　第五章 模具调试及结果验证
　　　　5.1 汽车防撞横梁模具的调试过程
　　　　　　5.1.1 模具预验收
　　　　　　5.1.2 调试前期准备
　　　　　　5.1.3 模具具体调试过程
　　　　5.2 汽车防撞横梁的起皱现象及其原因分析
　　　　5.3 模拟分析结果指导实际生产
　　　　5.4 汽车防撞横梁成品件验证
　　　　5.5 本章小结
　　第六章 总结与展望
　　　　6.1 全文总结
　　　　6.2 研究展望
　　参考文献
　　发表论文和科研情况说明
　　致 谢

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