1.汽车工业是一个国家国民经济的支柱产业, 是 工业化程度的标志, 钣金冲压件在卡车中总重量超 过1/ 2, 在轿车中达到3/ 4。随着经济全球化和一体 化的不断发展, 汽车制造企业之间的竞争日趋激 烈, 汽车冲压件更新换代的步伐不断加快。汽车冲 压件设计制造中焦点问题是如何在保证质量的前 提下达到成本最低; 同时进一步缩短冲压件的开发 周期, 也是汽车冲压件成为竞争取胜的决定因素。 随着计算机技术的不断发展, CAE( 计算机辅助 工程) 技术目前已经在各大汽车模具厂广泛用于产 品模拟分析、冲压件成形过程分析。通过提前对产 品可能出现的成形缺陷进行研究, 预示汽车冲压件 成形的可行性。通过计算机数值模拟技术, 达到在 设计阶段对冲压件质量进行预测, 控制成本, 提高 产品工艺设计的合理性, 减少因为设计的错误而造 成返修。应用于汽车冲压件分析的主流软件是增量 求解软件, 由于增量求解软件在前处理阶段花费大 量的时间, 计算速度相对较长, 它非常适合冲压工艺 最后验证阶段使用。一步成形技术可以在冲压件设 计和早期工艺设计阶段发挥设置简单、求解速度快 的优势, 如果把一步成形法和增量求解法相结合, 就 能达到兼顾精度、提高效率的目的, 目前这类方法在 汽车工业界被广泛地采用。
2 降低成本措施及可行性分析 2. 1 降低成本 降低汽车冲压件生产制造成本包括降低材料成 本、生产成本、人力成本等, 其中降低生产成本和降 低人力成本的空间已经很小, 现在对于材料成本的 控制显得更为迫切。冲压件在最初设计阶段采用 CAD 和CAE 相结合技术, 根据CAE 的成本计算结 果, 调整几何形状, 使冲压件展开后的外轮廓面积最 小, 结合FormingSuite 软件的Costoptimizer 优化软件 包, 对汽车冲压件的仿真工艺设计过程进行分析, 通 过降低材料等级、厚度和增大冲压件设计的圆角半 径及修剪冲压件的边缘各项措施, 达到降低材料成 本的目的。 2. 2 冲压可行性分析 在钣金冲压件和工艺设计阶段, 对于已有的冲 压件, 并不能预先知道坯料的几何形状。不同的冲 压件形状和工艺条件会生成不同的坯料形状和尺 寸。采用不成熟的技术时, 会造成冲压件不合格甚 至报废。为了缩短设计过程和降低整个成本, 快速 分析技术显得非常重要。有限元方法提供一个工 具, 能够把试验和不成熟的方法从昂贵的现场搬到 相对便宜的计算机模拟。现结合拉延件产生起皱的 状况, 通过快速冲压CAE 分析, 找到合理的拉延成 形条件, 加速冲压件开发进度。 3 汽车冲压件设计制造中的应用 3. 1 应用案例Ñ 3. 1. 1 工艺分析 某汽车冲压零部件支架如图1 所示。零件采用 深冲压用钢板DC04, 料厚2. 25 mm。零件是汽车内 板支撑件, 在主视图方向零件最大外轮廓尺寸1 099 。零件一侧有数个加强筋, 弯曲折边部 位增加2 个小的加强筋, 保证支撑件有足够的刚 度。起伏形状分布合理, 弯曲部分最大深度45. 5 mm, 弯曲半径R6mm。冲压件在冲压成形后要求厚 度分布均匀, 不允许有开裂和严重变薄现象。 图1 冲压产品模型 冲压件的材料特性如下: 应变强化系数k= 575. 145 MPa; 硬化指数n= 0. 126; 各向异性系数 r= 1. 547; 杨氏模量= 210GPa; 泊松比= 0. 3; 屈服应 力= 161. 7MPa。输入厚度和成形条件, 利用Form2 ingSuite 软件求解, 根据有限元求解结果( 见图2 所 示) 和成形极限图, 判断冲压件在冲压成形时是安 全的, 可一次冲压成形。 不同的冲压方向影响最终成形零件形状, Form2 ingSuite 不仅可以快速选择所需的冲压方向, 而且可 以根据冲压件形状自动计算合理的冲压方向和显示 冲压负角。 图2 原冲压件冲压分析结果 利用FormingSuite 软件计算冲压件的展开尺寸, 并且以IGS 或DXF 格式导出, 坯料尺寸如图3 所 示。坯料尺寸的计算准确率达98. 6%以上。利用已 有的坯料, 比较各种排样( 单排、双排、单张冲裁等) 方案和模具成本, 得出双排排样生产该零件成本最 低。 图3 坯料尺寸 根据冲压件坯料形状, 利用FormingSuite 软件通 过对冲压件材料的基本成本、废料成本、辅助材料和 额外成本等分析计算自动算出单个零件的加工成本, 加上已输入的模具成本, 计算得到加工单个冲压件的 总成本。成本结果以HTML 和excel 的格式输出。
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3. 1. 2 降低生产成本 降低材料等级, 原零件材料采用深拉延钢板 DC04, 现选用性能低一等级的材料DC01。为了验证 冲压可行性, 在冲压CAE 软件FormingSuite 快速求 解, 得出本次降低材料等级是可行的。冲压件无开 裂现象, 满足质量要求。通过成本优化软件计算其 材料成本, 比原来材料成本降低18. 5%。降低零件 的材料厚度, 零件最初材料厚度为2. 25mm, 根据冲 18 5模具工业6 2009 年第35 卷第7 期 压件的形状, 改用材料厚度为1. 75 mm。为了保证冲 压件质量, 在冲压CAE 软件里重新求解, 得到冲压 件的冲压可行性良好。前后比较发现减少厚度, 材 料成本降低5. 1% 。 同时降低冲压件材料等级和厚度, 得到成形结 果如图4 所示, 冲压件仍然在可成形范围内, 材料 成本降低23. 6%。改变材料特性, 会影响冲压件的 使用性能。本冲压件主要的问题是要满足一定的强 度要求。DC01 材料的抗拉强度是392 MPa, 降低材 料等级, 冲压件的强度是增加的; 材料厚度的减少, 冲压件的强度降低, 所以二者一升一降, 原冲压件 的强度基本变化不大。 图4 更改材料和厚度后的成形结果 修改冲压件的形状, 必须在有修改权限的部门 才能实施, 下述降低成本的措施, 一般是在冲压件 设计阶段完成的。增加冲压件的圆角半径, 这种方 法的宗旨就是为了得到面积更小的坯料形状, 利用 设计冲压件的CAD软件修改圆角半径由R6 mm到 R10mm, 材料长度缩短3. 42mm。通过在有限元软件 FormingSuite 里的CostOptimizer Advanced 软件包, 修 剪冲压件的边缘, 这些边缘是非关键边, 并不影响 冲压件的使用特性。软件根据已修改的冲压件外 形, 重新计算材料成本和基本成本相比降低6%。 上述各种方案降低成本幅度为0. 5% ~ 31. 1% 。若考虑整个零件的模具成本, 当冲压件批量 为100 万件时, 则该零件在整个生产周期中最多可 降低材料成本约660 万元。由此可见该软件的应用 可以为企业大大节省冲压件的成本。 3. 2 应用案例Ò 3. 2. 1 工艺分析 零件是应用在交通运输客车上的侧围部件, 形 状如图5 所示。最终的形状显示零件是左右对称结 构, 零件最大外轮廓尺寸2 , 平面与 圆弧面过渡处的最小圆角半径R4mm, 在图中显示 半凹圆形的成形部位, 是变形程度最大的区域, 冲压 件材料采用镀锌深拉延钢板DC54D+ Z, 料厚1 mm。由于汽车覆盖件具有外形尺寸较大, 材料比较 薄, 形状起伏大, 尺寸精度与表面质量要求较高等特 点, 在拉深成形过程中容易出现开裂、起皱现象。对 本冲压件在冲压前可能产生的缺陷作了初步预估, 由于最大成形部位集中在最终形状的边缘处, 如果 增加适当的补充边, 可以控制冲压成形时产生开裂 的风险。初步设计在产品外轮廓的四周增加补充 边, 如图6 所示。冲压成形分析结果如图7 所示。 3. 2. 2 方案改进 根据零件现有起皱部位, 作了工艺补充边设计的 改进, 在成形条件方面添加了适当的压边力, 在相应 部件增加拉延筋, 把重新生成新的补充边的零件模型 导入到FormingSuite7. 1 软件进行求解, 得到了理想的 结果, 如图8 所示。 图8 方案改进后结果 根据一步求解法的工艺方法, 导入到Forming2 Suite7. 1 的FAST incremental 模块求解, 该模块是基 于ls_dyna 求解器的方法, 得到前面设置的工艺条件 完全满足设计要求。结合CAE 分析结果, 最终确定 该冲压件的工艺方案: 成形y 整形y 切边y 修边。
4 结束语 结合有限元软件, 通过计算机模拟、分析冲压件 的冲压可行性, 设计阶段利用各种降低成本的措施, 达到了大大降低生产成本的目的, 分析结果指导制定 合理的冲压工艺。对于汽车零件, 若表面质量要求不 高, 起皱部位无需严格控制; 若冲压件对表面质量要 求较高时, 则可通过适当增大压边力、添加拉延筋等工 艺措施消除起皱, 满足控制冲压件外观质量的要求。 以有限元法为基础的冲压成形过程中计算机仿 真技术或数值模拟技术, 为模具设计、冲压过程设计 与工艺参数优化提供了科学的新途径, 将是解决复 杂冲压过程设计和模具设计的最有效手段。
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