汽车外覆盖件是组成汽车车身的关键零部件，具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大以及表面质量要求高等特点，一般要经过多道冲压工序才能完成，这个过程中，覆盖件的成形质量高低在很大程度上取决于拉延工序，因此，合理的冲压工艺设计可以有效避免制件成形过程中的起皱、开裂以及刚性不足等问题的出现。
冲压工艺设计一般包括冲压方向的确定、工艺补充设计、压料面以及拉延筋设计，合理的组合好这三部分，不仅可以保证成形时凸模顺利进入凹模，且开始时与毛坯接触面积达到最大，周边阻力分布均匀，而且可以保证压料面浅而平缓、拉延筋深浅不一，各段圆角大小不等，利于后序修边、冲孔等工序内容，达到较高的材料利用率。
近年来，CAE技术逐步被各大汽车模具企业广泛用于产品成形性模拟分析，冲压工艺成形、翻边以及回弹分析等。由于它采用有限元分析理论，具有强大的前处理功能以及显式/隐式求解器，因此分析结果具有很高的准确度，可以优化冲压工艺设计，提前预测产品和工艺造型缺陷，并进行改善，减少模具实际调试次数，进而达到缩短模具制造周期、降低生产调试成本，提高企业生产效能的目的。本文利用Dynaform分析软件，以我公司某项目中的翼子板产品成形分析为案例，介绍CAE技术在汽车覆盖件冲压成形中的应用情况。
产品结构特点
翼子板是汽车外覆盖件中的典型件，形状复杂、轮廓尺寸及拉延深度较大，外观质量要求较高，不能出现棱线滚动、冲击痕、压伤、擦伤、回弹以及凹痕等任何有可能破坏表面质量的缺陷。另外，由于翼子板属于空心结构的悬挂薄壁零部件，在拉延成形时，必须要求成形足够充分才能保证制件最终刚性，并有效克服修边、翻边、整形等后工序的型面回弹现象，减小车辆高速行驶时产生的噪音、振动，从而提高整个车身的装配质量，因此，其CAE分析的基本流程应根据现在模具开发周期短、质量高、成本低等特点来制定。我们建立的翼子板三维数学模型如图1，CAE分析流程如图2所示。
图1 翼子板三维数学模型
图2 CAE分析流程图
工具模型定义
1、材料的屈服准则
CAE模拟分析在实际过程中常用到的材料屈服准则有Hill正交各向异性屈服模型、Von Mises各向同性屈服模型以及Barlat多晶材料屈服模型，在板材冲压成形模拟技术中一般采用第一种。在平面应力状态下，Hill屈服准则可以表示为：
式中，σ是沿轧制方向的等效应力，x、y表示板材沿轧制方向的横向和纵向，γ表示各向异性平均值。
2、应力、应变关系
屈服应力是塑性应变的函数，应力应变之间关系的数学表达式为：
式中，σy是沿屈服应力，εyp 是屈服时的弹性应变，εp表示等效塑性应变，K是强化系数，n是硬化指数。
3、材料参数
翼子板零件材料采用B180H1，具体材料属性参数如表1所示。nextpage
表1 B180H1材料属性参数
4、工具模型建立
（1）三维数模设计
在UG软件中，我们首先根据已有的冲压工艺经验，对产品的成形工艺性进行研究，包括产品本身成形特点、工序划分、缺陷控制等，并进行工艺补充设计。为使后序网格划分均匀，减少或避免坏网格出现，数模（图3）一般要求光顺、圆角过渡平缓、不存在尖角和锐边等现象。
图3 工艺数模
（2）参数设定
将UG软件中已做好的三维工艺数模直接按UG或IGES格式导入Dynaform软件中，采用快速设置进行网格自适应划分，分别自动生成Upper Tool（上模）、BINDER（压边圈）、BLANK（毛坯）网格工具、PUNCH（凸模），之后定义材料，根据工具自定位结果检查行程是否合适，并进行调整。
我们初步的参数设置：单动拉延，凸、凹模间隙取0.88mm，毛坯为梯形，尺寸为1340mm×715mm×1100mm×0.8mm，压边力取900kN，运动速度为2000mm/s，行程为120mm，摩擦系数取0.125。为了便于参数调整，提高分析效率，节约模拟分析的时间，我们的分析步骤按照规范先采用等效筋后采用工艺筋的设置原则。模拟工具如图4所示。
图4 模拟工具图
模拟与调整
1、等效筋模拟分析
按照上述参数设置提交LS-DYNA进行计算分析，从显示的分析结果（图5）可以看出，毛坯外边界距离等效筋偏大，达到30～40mm，灯口和轮口处工艺补充部位余肉过高，保护了棱线，但导致成形时材料流动困难而开裂，使发动机罩搭界处的拉延冲击痕上移37.9mm，超过了工艺造型安全量36mm，压边力基本合适，根据FLD图，应力应变、减薄率也满足要求（表2）。
图5 等效筋分析结果nextpage
表2 制件减薄率
2、优化调整
根据这个初步分析结果，我们将毛坯尺寸调整为1330mm×700mm×1090mm×0.8mm，将开裂区域余肉减小3～5mm，等效筋参数设置也相应降低，为了阻止拉延冲击痕上移到产品上，我们将该处压料面又向下降低5mm，其他所有参数保持不变，之后再次进行模拟分析，结果如图6所示。
图6 工艺筋设计及分析结果
3、工艺筋模拟分析
从图6可以看出，调整后成形效果有较大改善，不存在明显开裂现象，冲击痕上移37.47mm，而工艺造型安全量为41mm，冲击痕已经避免，毛坯也基本合适，制件减薄率以及应力应变合格，满足等效筋综合评定标准，因此，可以进行实际工艺筋分析。根据等效筋与实际工艺筋二者之间的换算关系，我们可以直接计算出实际拉延筋的参数，并进行最后的分析，很快便得出了理想的结果。
图7 最终调试结果
调试与验证
经过几次精确的等效筋到工艺筋的CAE模拟分析及相应调整，从最后的FLD成形极限图上可以看出，材料成形比较充分，处于安全范围之内，减薄率和应力、应变均满足要求。根据外板零件的质量控制措施，这样的过程也同时对棱线滚动、冲击痕等工艺上的常见缺陷进行了预防，提高了最终产品的综合质量，当然，这些已在实际模具调试中得到了充分验证（图7），大大减少了试模次数，节约了人力、材料、设备成本，还为后序模具型面的研发装配提供了基准，确保了我公司首轮试装件的及时供应。
结束语
CAE分析是一个反复模拟逐渐逼近的过程，每一次模拟后的解析和采取的优化措施是CAE技术的核心。每次分析的结果都为我们的工艺设计提供了有力验证，通过对结果的仔细研究、论证，可以逐步改善冲压工艺设计，最终对影响产品质量的各种成形缺陷从工艺上进行客观的预防，节约了调试成本。另外，从我们的实际经验来看，理论分析与实际模具调试之间应尽可能形成闭环结构，注重两者之间的数据收集、对比，用实际结果反过来指导分析参数的设置，可以逐渐形成企业的核心经验数据库，为汽车模具企业的发展奠定坚实的基础。
