汽车覆盖件模具快速设计

摘要

　　模具设计的速度与精度直接决定着汽车开发周期和质量。基于板料成形 CAE 分析的汽车覆盖件模具结构设计方法已广泛应用于汽车覆盖件模具制造厂商，可以在一定程度上提高产品的更新速度。面对复杂多变的市场环境和车身覆盖件的频繁更新，如何缩短工艺规划、模具结构设计与产品试制到最终的批量生产的时间决定着产品市场竞争力与企业的核心竞争力，是企业越来越看重的问题。

　　在板料成形 CAE 分析过程中，尤其是对回弹问题的分析过程中，摩擦力、压边力、拉延筋尺寸等参数的相互影响与制约增加了工艺规划的难度。所以，组合参数的选取对研究回弹问题有着重要意义。本文介绍了板料成形有限元分析和汽车板成形技术的研究背景，在研究覆盖件产品工艺规划和拉延模具结构设计方法的基础上，结合某车型顶盖后横梁，提出了基于组合参数优化的汽车板精益成形分析和使用同步建模快速设计拉延模具结构的理念，主要包括以下几方面内容：

　　阐述了汽车板成形仿真理论的关键技术，包括物理关系（本构理论）、有限元求解过程算法、单元模型和接触搜索与摩擦处理这四部分核心内容，并借助 AutoForm 一步逆成形模块完成了成形预评估和毛坯尺寸的初步确定。并归纳了模面造型设计的流程，进行了汽车顶盖后横梁的冲压工艺初步设计和仿真前处理的设置。

　　使用 AutoForm 软件对顶盖后横梁产品进行全工序成形分析。通过正交试验研究了摩擦因子、拉延筋、压边力和模具间隙等成形参数的组合对产品回弹数值和减薄率的影响。使用方差分析法得出上述因素对成形质量影响的程度，选出最佳优化工艺组合，在此基础上设计出综合冲压工序图。

　　归纳总结了顶盖横梁类拉延模具结构特点，结合汽车顶盖后横梁综合冲压工艺图，借助三维造型软件，设计出汽车顶盖后横梁的拉延模具，系统阐述了该拉延件产品的完整设计流程，并详细介绍了模具结构校核的要点。

　　关键词：拉延成形，工艺设计，CAE，正交试验，模具设计

Abstract

　　The quick and accuracy die design directly determines the vehicle development cycle and quality. The design method of car panel die based on the sheet metal forming CAE analysis technology has been widely used in automotive panel die manufacturers, which can improve the cycle of product updates to some extent. Facing with frequent updates of the complex and volatile market environment and the car panels，how to shorten the process planning, die design and the trial to its final product volume production time determines the product market competitiveness and core competitiveness of enterprises. Enterprises are increasingly value this issue.

　　In the process of sheet metal forming CAE analysis, especially for springback analysis process, friction, blank holder force, drawbead size and other parameters have mutual influence and constraints, which increases the difficulty of process planning. Therefore, choosing a combination of parameters has great significance to study the rebound. The paper describes the finite element analysis of sheet metal forming and the background of automotive sheet metal forming technology. And then, the roof beams panels process planning and drawing die structure design method has been researched. Referring to a car roof back beam, the concept of combination parameters optimization is proposed based on the lean automotive sheet forming analysis and use synchronous modeling design drawing die structure. The research mainly includes the following aspects.

　　Systematically expound the key Simulation theory of technologies sheet metal forming, which include the core of four parts: physical relationship (constitutive theory), finite element method solving process, cell model and contact search deal with friction. With the help of AutoForm One-step module, forming pre-assessment and blank sizes preliminary determination is carried out. Die surface design process is system summarized. In addition, preliminary design of stamping process and pre-treatment simulation is done.

　　The whole process analysis automotive roof beam panel is executed by AutoForm. Propose by orthogonal experiment to study the blank holder force, affecting portfolio drawbeads and friction coefficient of process parameters on the rebound value and thinning rates after forming. Using analyses of variance come to the influence extent of these factors to the forming quality, and select the best combination parameters. At last the die layout is designed based on that. At last, the roof back beams drawing die structural features is concluded. Combined with the Die Layout and the three-dimensional modeling software NX synchronous function, car roof back beams drawing die is designed. The research systematically expounds drawing class products complete the design process and introduces the die checking points.

　　Key Words: Drawing, Stamping process design, CAE, Orthogonal experiment, Die design

　　自 1886 年世界上第一辆汽车诞生伊始，汽车工业已经走过一个多世纪的风雨历程。近几年来，受益于汽车全球化，我国汽车市场规模与品质与日俱增，已成为全球汽车零部件的生产基地。据不完全统计，在 2013 年度我国汽车的产销量均超过两千万辆。繁华背后，也有着些许无奈。大量的合资汽车公司在运作中，外商一贯保持核心技术的垄断[1]。这就使得国内合资方企业难以参与新产品与新技术的设计研发，因此并未掌握关键部件的设计与制造技术。自主品牌汽车企业中，大多通过技术购买的手段来获取关键部件的核心技术，只有少部分企业进行核心部件的自主研发，已有少量搭载着自主核心技术的自主品牌的汽车上市。以传统工业转变为以高新技术带动下的新型工业来释放企业自主创新力是提高我国工业设计制造水平的手段，更是从汽车制造大国转变为汽车科技大国的方法。

　　汽车整车生产制造过程装备主要由四大生产线构成：车身覆盖件和结构件的冲压生产线、车身焊接与装配线、白车身涂装生产线和整车装配线。在这些生产线中，随着车型的变更必须更新的工艺装备主要有模具、检验夹具、焊接夹具三类，其中模具的数量最多，生产周期最长。因此企业安排汽车生产准备计划的工艺装备周期一般以模具设计制造的周期为基准。整车零部件中，约有接近 75%的零部件由冲压成形得到的，在这些冲压成形零件中 90%都有不同程度的制造难度[2]。除了我们可以直接看到的白车身，汽车座椅的关键部件、部分轮毂等也都采用冲压成形工艺。汽车覆盖件中，75%的成形质量问题和工艺规划难点都是由于产品早期设计不合理造成的，而且占 80%比例的成形质量问题和模具工作问题能在产品工艺设计和模具调试阶段被发现并改正[3]。据 Dowlatshahi 在福特汽车和通用汽车公司的统计，产品设计阶段一般只占产品成本的 5%~15%，但是却决定了 75％的制造成本和 80%的产品质量和性能[4]。由此可以看出，汽车覆盖件模具的设计与制造水平在一定程度上制约了整车开发过程和现有车型的更新换代。汽车覆盖件模具设计的依据就是汽车钣金产品的工艺规划，产品工艺设计的稳健性与精益性直接决定着模具设计周期与最终产品的质量。所以，汽车钣金的先期成形性能分析与合理的工艺设计对后期模具及其主要零件的设计加工尤为重要。

　　汽车覆盖件大都是空间曲面结构且形状复杂的薄壁零件，从而决定了其在冲压成形过程中较为复杂，变性规律不易被掌握，出现的质量问题也比较多[5-6]。由于产品质量对材料的成形性能、边界因素、板料流动阻力等工艺参数较为敏感，且传统的板料成形模具设计和工艺参数选取主要依赖设计者的经验，因此实际中通常要经过多次试模调整才能达到预期效果。模具开发时间长、次品率高是工艺规划和模具结构设计面对的主要问题[7]。

　　基于经验和试错调整的模具设计制造方法，由于需要多次修模而降低了模具型面刚度和强度，并且调试周期长，从而大幅度提高了时间成本、人力成本和物力成本，导致产品无法适应结构的频繁更新而失去市场竞争力。在计算机技术发展的时代背景下，基于非线性连续介质力学理论和有限元理论的板料成形模拟技术迅猛发展，在汽车覆盖件的成形性能分析方面的应用体现着越来越重要的作用。而以 CATIA、NX 为主导的三维辅助设计软件则在模具结构设计方面应用十分广泛。面对复杂多变的市场环境和覆盖件结构的频繁更新，如何缩短工艺规划、模具结构设计与产品试制到最终的批量生产的时间决定着产品市场竞争力与企业的核心竞争力[8-9]。所以，针对汽车板精益成形分析和汽车覆盖件模具快速设计这一课题的研究，对于推动从 CAS数模冻结到模具结构设计过程中如何准确进行工艺分析和快速可靠的模具设计这一先进技术有着重要意义，为实现产品快速更新提供坚实的技术基础。

　　在一个多世纪的发展历程中，汽车车身构形经历了从箱形车身、船形车身、甲虫型车身、鱼形车身到楔形车身的演变。车身造型的空气动力学和美学要求使得汽车车身覆盖件的型面日趋复杂[25]。汽车车身结构主要分为非承载式车身和承载式车身两大类[26]。目前厢式车、重卡、越野 SUV 和部分高级轿车仍采用非承载式车身。无论是非承载式的货车驾驶室，还是承载式轿车车身，都是由内、外覆盖件和用于连接或加强的结构件组成。构成汽车外形的门、窗、罩、盖、飞、顶等的外部分称为外覆盖件，门、窗、罩、盖、顶的内部以及其内框、地板等的零件称为内覆盖件。

　　在一辆新车的设计研发过程中，80%~90%的工作是以汽车车身的造型与美化发展开来的。车身模具设计和制造约占汽车开发周期三分之二的时间，成为汽车换型的主要制约因素[27]。而且鉴于汽车覆盖件曲面较不规则、成形质量品控较高等特点，向着更高端，更快速，更经济的模具制造技术发展势在必行。因此，结合先进的 CAD/CAM/CAE 系统，通过计算机模拟成形，在计算机上对汽车覆盖件及其模具进行修正，实现模具结构设计的优化。这样可以缩短模具调试周期，降低了制模成本，加速车型换代，大大增强产品的国际市场竞争力[28]。

　　美国福特公司在上世纪 70 年代开发的 CAD/CAM 系统简化了人工设计与制造[29]。通过 20 世纪 80 年代初步建成的 CAD/CAM 图形设计系统，到 1985 年己有一半以上的造型设计工作通过其实现[30]。福特公司在 20 世纪 90 年代全面实现了产品开发的 CAD/CAM，应用可达 90%，其应用软件主要为自行开发的 PDGS 和 CAD/CAM[31]。1993 年以后，福特公司提出了 C3P(CAD/CAE/CAM/PDM)的概念，并确定今后将采用 I-DEAS 软件作为其主流的核心软件。通用汽车公司经过三十多年的不断发展，用于汽车模具的 CAD/CAM 系统己趋成熟[32]。这个系统主要基于模面设计系统，UG 建模系统和 CADAM 系统。通用在应用这些先进技术手段后，汽车覆盖件模具设计制造时间显着降低。

　　课题研究的目的是在深入理解金属板冲压成形仿真机理的基础上，借助汽车板成形仿真软件 AutoForm 对汽车覆盖件产品进行成形性能的预估和工艺的规划，借助三维实体设计软件 NX 进行模具结构的快速设计。由于汽车覆盖件产品结构种类繁多，本文以梁类覆盖件-汽车顶盖后横梁内覆盖件为例，对工艺参数的精益规划和模具结构的快速设计进行研究，旨为日后同类别产品的快速更新提供技术基础。

　　论文从板料成形仿真理论出发，深入研究冲压成形工艺的设计原则，并借助 AutoForm板料成形仿真软件对某车顶盖后横梁进行全工序模拟。深入分析出现的成形缺陷，并提出采用单一变量控制与组合变量控制的手段优化工艺参数。最后使用 NX 三维建模软件进行模具结构设计，并分析结构快速设计的关键问题。

　　汽车覆盖件模具结构设计：

压边圈型面结构

定位具布置方位

压边圈结构图

凸模本体设计

凸模结构图

下模本体结构图

凹模圆角半径确定

凹模基础部分设计

拉延模具装配图

目录

　　摘要
　　Abstract
　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 课题的研究背景与意义
　　　　1.2 板料成形的数值模拟分析
　　　　1.3 汽车板的冲压成形
　　　　1.4 课题研究的主要方法
　　第 2 章 汽车板成形仿真理论基础
　　　　2.1 材料弹塑性本构理论
　　　　2.2 有限元模拟的求解理论
　　　　2.3 单元模型
　　　　2.4 接触搜索与摩擦处理
　　　　2.5 产品的成形缺陷及预测技术
　　　　2.6 本章小结
　　第 3 章 汽车覆盖件冲压工艺设计
　　　　3.1 零件准备
　　　　3.2 拉深工艺设计
　　　　　　3.2.1 拉延方向的设计
　　　　　　3.2.2 压料面设计
　　　　　　3.2.3 工艺补充面设计
　　　　　　3.2.4 拉延筋设计
　　　　3.3 修边冲孔工艺设计
　　　　　　3.3.1 修边形式
　　　　　　3.3.2 修边方向确定
　　　　　　3.3.3 冲孔工艺设计
　　　　3.4 翻边工艺设计
　　　　　　3.4.1 翻边方向
　　　　　　3.4.2 翻边形式
　　　　3.5 本章小结
　　第 4 章 全工序成形分析及工艺参数优化
　　　　4.1 模拟工序设置
　　　　　　4.1.1 拉延工序模拟
　　　　　　4.1.2 修边工序模拟
　　　　　　4.1.3 翻边工序模拟
　　　　4.2 初步成形分析
　　　　4.3 成形参数的单独优化
　　　　4.4 工艺组合参数的快速确定
　　　　　　4.4.1 正交实验分析方法
　　　　　　4.4.2 分析方案确定
　　　　　　4.4.3 正交试验分析结果
　　　　　　4.4.4 组合参数验证
　　　　4.5 综合冲压工序图设计
　　　　4.6 本章小结
　　第 5 章 拉延模具结构设计
　　　　5.1 拉延模具结构特点
　　　　5.2 顶盖后横梁拉延模具设计
　　　　　　5.2.1 预处理
　　　　　　5.2.2 导向及其间隙设计
　　　　　　5.2.3 压边圈设计
　　　　　　5.2.4 凸模设计
　　　　　　5.2.5 凹模设计
　　　　　　5.2.6 细节处理
　　　　5.3 拉延模具结构校验
　　　　5.4 本章小结
　　第 6 章 结论
　　参考文献
　　在学研究成果
　　致谢

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