汽车横梁多步冲压成形全工序仿真分析及应用.pdf

第 卷第 期 年 月新余学院学报 ，汽车横梁多步冲压成形全工序仿真分析及应用 戴亚，周颖（安徽工贸职业技术学院机械与汽车工程系，安徽淮南 櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆）摘要：为研究多步冲压成形 技术对汽车结构件成形性能的影响，运用 软件与 软件对汽车横梁进行坯料的排样设计、工序件的定位设计以及全工序冲压成形仿真研究。研究结果表明，所设计的 道工序排样能够满足制件的多步冲压成形需求；对虚拟去除材料对应的工序后获得的工序进行全工序有限元仿真，获得了合格的分析结果；制件形面精度满足装配要求，且关键部位的尺寸偏差基本达到要求。关键词：多步冲压成形；横梁；排样设计；全工序；实冲试验中图分类号：文献标志码：文章编号：（）櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆 收稿日期：基金项目：安徽省教育厅高等学校质量工程项目“机械制图与 精品课程”（）；安徽省教育厅高职院校承接提质培优行动计划项目“制图国家标准的基本规定”（）。作者简介：戴亚（），女，湖北黄冈人，副教授，硕士，主要从事汽板料成形与冲压模具设计研究。汽车冲模是汽车工业中至关重要的基础工艺装备，被誉为“汽车工业之母”。汽车覆盖件与结构件通常先分别由单工序模和多工位级进模加工得到，再通过激光焊接、机械连接、胶接等形式将它们连接在一起 。随着计算机辅助技术的进步，汽车覆盖件与结构件的制造精度不断提高，但汽车结构件的冲压加工涉及设备、材料和工艺等多个维度的耦合，导致其加工复杂多变。因此，计算机辅助技术在汽车结构件的开发过程中仍然起着关键作用，为优化工艺参数、提高制造精度和质量提供有力的支持。有限元仿真分析作为计算机辅助分析技术之一，在汽车结构件级进模开发中扮演着不可或缺的角色。多工序排样设计、冲压成形仿真分析、级进模设计和级进模虚拟装配分析等关键技术为汽车车身制造提供了高效、精确、可靠的级进模加工解决方案，助力汽车制造业实现智能化和数字化转型。李贵等 采用冲裁刃口优化设计法和激光料带试模法实现精确冲裁工序边界的多工序排样，确保了后续冲压成形的精度和稳定性。罗林等 针对不同的车身结构件，设计了相应载体的多工序排样，使得不同车身部件的冲压加工得到优化。郭强等 采用数学实验结合优化方法，对汽车板料冲压成形的关键工艺参数进行深入研究，成形精度提升效果显著。赵殿明等 将冲压成形仿真应用在多弯角车身钣金件和发动机油底壳级进模中，成功开发了相应的级进模并获得了合格的实冲产品。通过 和 等计算机辅助设计软件，黎慰等 在级进模设计中实现了更直观的设计和虚拟运动仿真，确保模具装配的准确配合。本文以复杂结构高强钢汽车横梁为研究对象，运用 软件设计多工序排样，利用 软件进行全工序排样仿真分析 ，并通过实冲试验研究 技术对制件成形精度的影响，为汽车梁类制件级进模的开发设计提供参考。第 期戴亚，周颖：汽车横梁多步冲压成形全工序仿真分析及应用 制件工艺分析与排样设计 制件工艺分析图 中汽车车身横梁的尺寸为 ，属于典型的中型车身结构件，观察外形发现其成形工艺包括长度方向上的多次弯曲、多处冲孔和翻孔、多处压筋以及两端的成形。因此，这是一个带有多弯曲多形孔、近似对称的中型复杂梁类制件。该制件的成形难点在于多弯曲形面特征与形孔的孔位精度的综合确保。经过综合分析，制件有两种成形思路。思路一：先预测制件的坯料形状后进行落料，然后对落料进行拉延，获得制件的中间壳体，最后考虑制件上的多次翻边和多处冲孔。思路二：先落料出较大的矩形料片，然后再逐次弯曲，并在弯曲过程中进行冲孔和翻边，最后对制件两端进行斜楔冲裁。由于 技术能对坯料外形作出精确预测，且拉延工艺能获得高质量、高精度的制件壳体，故本文选择思路一来设计坯料成形工艺方案。图 汽车车身横梁三维模型 制件排样设计为了设计包含制件基本特征工序的具体排样，需要分解零件的几何构形，并结合经验进行组合与排序。表是根据思路一所设计的 道工序排样及其定位方案，该方案明确了每个工序相对于上一工序是否需要翻转以及下一工序的定位方式。制件的成形经过了 道工序，制件传递期间经过了五次翻转换位。制件换位后的定位首先考虑使用定位销，在无法使用定位销时，则采用压边块的定位方式。图 展示了汽车横梁三维 排样设计。表 坯料的 道工序排样及其定位方案工序号工序名称是否翻转定位方式 冲裁否定位销 拉延与冲孔否定位销 修边与冲孔否定位销 翻边是定位销 斜楔冲孔与修边否定位销 翻边是压边块 成形与翻边是定位销 斜楔翻边否定位销 新余学院学报 年续表 坯料的 道工序排样及其定位方案工序号工序名称是否翻转定位方式 翻边否定位销 翻边是定位销 斜楔翻边否定位销 冲孔与整形是定位销图 汽车横梁三维 排样设计 有限元仿真与分析 仿真规划与材料模型通过仿真分析可以提高多步冲压规划的可靠性，有效减少模具试模次数和试模时间。通过对车身横梁的排样分析，规划制件多步冲压成形的有限元仿真工序如下：（）拉延工序；（）修边与翻边工序；（）斜楔修边工序；（）翻边工序；（）翻边工序；（）翻边工序；（）斜楔翻边工序。其中落料、切边和冲孔在应用 仿真时，表现为虚拟的材料去除过程，只需设置切边轮廓曲线和切边方向，不涉及实体切边刀块。因此，在有限元仿真分析计算中，冲孔和侧冲孔等工序均应用激光 切割的方法进行模拟，不纳入有限元仿真分析计算。成形仿真分析前，需要确定材料的力学性能、工艺方案、工艺参数。高强钢 的主要力学性能如表 所示，其边界条件由 软件中的材料库直接导入。表 的主要力学性能屈服强度 抗拉强度 泊松比各向异性指数 仿真数学模型静力隐式有限元迭代算法在计算板料冲压成形时，在模拟的速度与验证的准确性方面优势明显，故被 应用，且受到了业内的高度认可。增量加载有限元法有静力隐式有限元迭代算法、静力显式持续平衡方程法和动力显式有限元法三种，其中静力隐式有限元迭代算法又分为全 静力隐式有限元迭代算法和新 静力隐式有限元迭代算法两种，应用这两种方法建立起来的有限元格式是等效的，具有一致的本构关系，计算结果也相同 。通过有限元离散，并忽略速度和加速度的影响，可以推出静力显式持续平衡方程，如下：（）（）为了使静力显式持续平衡方程法的解收敛，步长应尽可能小。当步长较大时，可以通过计算得到静力隐式有限元迭代算法，如下：第 期戴亚，周颖：汽车横梁多步冲压成形全工序仿真分析及应用 （）（）直至足够小，得到 时刻的 ，此即为静力隐式有限元迭代算法。经过有限元离散后，可以推出动力显式有限元迭代算法，如下：（）（）上述公式中，为阻尼矩阵，为质量矩阵，、分别为等效内力矢量、等效节点力矢量、步长，为不平衡力，、分别为时刻、时刻增量，、分别为节点位移矢量、节点一次位移矢量、节点二次位移矢量。拉延工序成形仿真及其分析考虑到各工序对仿真结果的影响，最终确定模面的工序为：拉延、修边与翻边、斜楔修边、翻边、翻边、翻边和斜楔翻边工序。其他冲孔与侧冲孔应用激光 切割类型虚拟去除制件相关部位材料，这种仿真方式不影响制件最终仿真结果，故均不纳入模面的工序中。汽车横梁的拉延模面设计是制件成形仿真工作的首要任务，也是后期模具设计的关键工作，它直接影响冲压仿真的准确性和冲压件的品质。本文先应用 软件设计工艺补充面和压料面，再将设计好的工艺补充面和压料面导入 仿真软件中进行成形性分析。图 为拉延工序的有限元模型，其中凹模即为拉延模面。图 中 拉延工序的有限元模型包括凹模、压边圈、凸模，还包括定位销和板料。在有限元建模前，应先对制件进行展开求解，获得料片的轮廓线。展开制件的 输入条件包括上一工序的制件三维模型、板料的外形参数以及力学性能参数。在 中，通过输入这些已知条件，可以快速求解汽车横梁的展开料片轮廓线。将 拉延模面作为 落料的对象导入 的一步法模块中进行展开，获得的料片轮廓线如图 所示。图 汽车横梁 拉延工序的有限元模型作为复杂拉延件，汽车横梁的成形仿真通常采用单动拉延形式进行。仿真前的边界条件定义如下：压力机的吨位为 ，板料厚度为 ，摩擦系数为 ，拉延力设置为 ，基准面为凹模基准，凸、凹模间隙为 ，模拟精度为精算。考虑到基于板壳理论的壳单元既能处理弯曲和剪切效应，又不像实体单元那样需要很长的求解时间，而且板壳理论本身就是研究薄板三维变形行为的理论工具，因此，本文采用壳单元进行有限元仿真分析。单动拉延过程包含重力、闭合与拉延三个工步。在设置单动拉延时，主要关注模具的运行顺序、垂直运动方向和运行距离，以便在前处理过程中方便解决运动过程的设计问题。仿真结果如图 所示。新余学院学报 年图 汽车横梁全工序有限元仿真分析结果及其成形极限图 翻边工序成形仿真分析去除不影响最终制件仿真结果的虚拟去除材料对应的工序后，依次完成后续其他工序的仿真分析。实质上，经过处理的拉延后的全工序仿真分析主要是针对后续翻边工序。翻边成形工序仿真与拉延成形工序仿真类似，它是在一般翻边成形模的基础上添加与表定位方式对应的压边块或物理定位销，并配合托料板实现的。此处的模具模型均是在 中设计好后再输入到 中，再分别完成翻边工序中各模具的运动过程，然后就可以进行仿真分析。获得的后续工序的成形性分析结果如图 （）至图（）所示。图 （）、（）分别展示了制件成形性分析图、厚度分析图及其成形极限图 。图（）中 区域存在蓝色和紫色，上有少许应力应变点穿过了起皱临界线，表现为该区域起皱，其原因是该区域在拉第 期戴亚，周颖：汽车横梁多步冲压成形全工序仿真分析及应用 延成形时板料在压应作用下失稳，起皱纹理方向与材料流动方向相同，与压应力方向垂直。图 （）中区域存在红色，上有少许应力应变点穿过了开裂临界线，表现为该区域开裂，其原因是工件在经过拉延后，末端材料变薄，后续在此处继续成形出加强筋和装配凹台，而这些部位过渡圆角较小且材料又难以补充，最终导致制件上这些部位存在开裂的风险。厚度成形性分析图 （）显示制件最大厚度为 、最小厚度为 。然而，对于强度大于 的高强钢板料要求产品型面的变薄率小于 ，结合厚度极值与变薄率要求以及图 （）的分析结果，得出制件开裂风险较小，但存在起皱趋势。放大出现最大厚度的区域，发现起皱区域为拉延末端，且经过了三次翻边。因此，沿制件的长度方向上与该处近似对称的部位情况相同，但该起皱区域较小。通过经验判断并结合对图 （）、（）的观察，可知制件开裂风险较小，但存在起皱现象，起皱可以通过增设拉延筋或增大过渡圆角来进行调整。后续以此为基础，设计制造了四套传递模，依次完成了 、工序。实冲验证在制造了四套传递模后，将制造好的模具分别安装于四台江苏海锻 的冲床上，再应用与仿真材料和厚度一致的板料进行试模。试模所获的产品，如图 所示。经检具检测，该零件的形位精度良好，关键成形部位符合公差要求。由于检具检测只能定性了解之间的装配性能，无法全面反映制件的形位精度。因此，在通过检具检测后，再应用三维坐标测量机对制件进一步测量，用以全面验证设计的合理性。本研究首先均匀选定实冲制件关键形面、孔洞以及制件外边界上的 余个检测点，再应用三维坐标测量机测量，获得了每一个点的偏差值。各检测点的实测值基本能够被控制在所要求的极限偏差之内，少部分检测点超差。标识超差的检测点位置可以实现模具的快速调试。图 展示了汽车横梁部分三维坐标检测点。图 汽车横梁实冲产品图 汽车横梁部分三维坐标检测点 新余学院学报 年表是在制件上整理出的 个检测点的综合偏差，表中 表示标准值，、表示上、下偏差，表示偏差值；表示 、三个方向的综合偏差，个检测点的三个方向的综合偏差依次用 表示。各测量点的偏差值基本能够被控制在对应要求的 或 范围之内。少数超差的测量点，其偏差也都在 左右。进一步对制件超差部位对应的模具部件修磨，可实现此类制件的快速制造。表 制件检测点的综合偏差综合偏差?结论本研究主要针对汽车车身横梁进行工艺分析、排样设计和有限元仿真分析，并通过实冲试验与三维坐标检测，验证了设计的可行性和准确性，得出以下结论：（）制件工艺分析和排样设计方案采用预测坯料形状后进行落料、拉延成形，再进行后续翻边和冲孔，较好地解决了多弯曲形面和多形孔的复杂成形难题。（）通过有限元仿真分析，确定了多步冲压的具体工序方案，并优化了成形过程，从而提高了制件的成形质量与精度。（）实冲验证表明，所设计的制件在形位精度上基本满足要求，部分超差点可以通过模具调整和修磨来快速解决。尽管本研究已经进行了实冲验证，但在实际生产中，可能还需要更多的试模和实际加工验证来完善制件的生产工艺。未来研究可以进一步优化制件工艺流程，探索新的成形方式和模具设计方法，以提高生产效率和降低生产成本。同时，可以考虑引入智能化制造技术，进一步提高制件加工的自动化程度。参考文献：，：，（）：李贵，刘耀东，梁仁杰 复杂汽车结构件多工位级进模条料冲裁刃口优化设计 锻压技术，（）：王利，黄昭明，胡李勇，等 复杂边界钣金件激光料带试模法及其应用 锻压技术，（）：罗林，王利，沈晨，等 全载体车身结构件级进冲压成形排样设计 西昌学院学报（自然科学版），（）：郭强，郑燕萍，朱伟庆，等 基于 神经网络遗传算法的高强钢成形研究 材料科学与工艺，（）：郑燕萍，王列亮，沈思琳 板料冲压成形过程摩擦特性数值仿真 农业工程学报，（）：闫盖，郑燕萍，张文彦，等 基于正交试验的板料冲压成形工艺参数优化 热加工工艺，（）：赵殿明，王利，黄昭明，等 多弯角车身钣金件多工位级进模设计与应用 锻压技术，（）：赵殿明，黄昭明，王利，等 发动机油底壳自动线多工位传递模设计与应用 锻压技术，（）：徐超辉，郑悦，韩翠红，等 汽车连接片多工位级进模设计 锻压技术，（）：黎慰，章志兵，柳玉起 基于 的汽车零件多工位模具运动仿真系统 锻压技术，（）：肖遥，杜亭，章志兵，等 基于 平台的自动冲压线汽车模具运动仿真系统 塑性工程学报，（）：第 期戴亚，周颖：汽车横梁多步冲压成形全工序仿真分析及应用 黄昭明，王利，刘小飞，等 基于 多工位连续冲压成形数值模拟 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