武宁 刘志远

摘要：汽车覆盖件是车身的基本组成部分，如果覆盖件的冲压工艺性设计不合理，将直接影响模具结构的复杂程度和模具的加工工艺性，给冲压模具的设计、制造、加工及覆盖件的生产和装配带来困难。为了缩短覆盖件冲压模具设计制造周期及降低成本，必须进行覆盖件冲压工艺性的研究与分析。本文以某轻型载货汽车车身侧围件为例，提出了覆盖件设计与冲压工艺设计协同设计方法，可以大量减少冲压模具数量及降低模具加工成本，并可显著提高材料利用率。

关键词：汽车；覆盖件；冲压工艺

1.汽车覆盖件模具概述

1.1汽车覆盖件内容

汽车覆盖件具体是指构成汽车车身或者驾驶室，并掩盖汽车发动机和底盘的异形体表面以及内部零件，它为薄金属板料材质，它不仅是汽车外观的装饰性零件，还是受力零件。汽车覆盖件是制造汽车车身中的关键。汽车覆盖件表面不允许出现波纹、褶皱、凹凸不平、划痕、边缘拉痕等影响表面美感的质量缺陷。确保覆盖件的装饰棱条清晰、平整、光滑、对称且均匀过渡，另外，各个覆盖件之间楞线连接应一致流畅。这要求汽车覆盖件模具也应满足相关要求，提高了对形位的精确度和表面质量的要求。汽车覆盖件通常要通过拉延、调整边缘、冲孔、调整外形、翻边等一系列工序后才能成型，因此，针对各道工序又有不同的模具，且每一套模具都是由不同的部分构成。

1.2汽车覆盖件模具制造现状

汽车工业快速发展的今天，随着汽车开发周期的日益缩短，人们更加注重汽车车身的整体质量。在具体的设计和制造过程中，总会遇到负效益的工作，这在某种程度上影响了工期。另外，市场占有率逐渐减小，导致企业产能和综合效益下降。近年来，汽车覆盖件模具的制造能力有所增强，具体体现在计算机辅助制造技术、数控机床技术等新型制造技术的大范围应用中。汽车覆盖件模具的开发研究仍处在不断的发展阶段，在未来的研制过程中，应有效掌握最新科技，充分利用新型技术，大幅提升汽车覆盖件模具表面的精确度和质量。

2.汽车覆盖件的冲压工艺设计

汽车覆盖件与一般冲压件相比较，具有板料薄、尺寸大、形状复杂、多为空间曲面、以及表面质量要求高等特点，因此，汽车覆盖件的冲压工艺设计是十分重要的工作。汽车覆盖件的冲压工艺设计一般要求由在行业内工作多年的资深工程师来完成。覆盖件冲压工艺设计的合理与否，不但影响覆盖件成形质量，也对覆盖件模具开发费用，开发周期等有较大影响，好的覆盖件冲压工艺设计，不仅能够提高覆盖件冲压质量，避免破裂、起皱和回弹等严重质量问题，对外覆盖件，在冲压工艺设计中，还需考虑如何避免出现滑移线、冲击线的外观缺陷，而且好的冲压工艺还需使得在冲压中，板料的应变尽量充分均匀，以减少在行驶中的振动问题，提高驾驶舒适性和车身的疲劳耐久性能。另外，好的冲压工艺还可以有效降低汽车车身的生产成本，有资料表明，覆盖件的成本构成中，材料费用约占 60%-70%，因此在冲压工艺中考虑减少工艺补充部分（外工艺补充面和压料面）的材料消耗，可以有效地降低覆盖件的生产成本。

2.基于响应面近似模型的拉延筋优化

2.1 单元技术及网格划分

板料成形有限元技术中主要采用三种单元形式：膜单元、壳单元和实体单元。这三种单元中，膜单元计算效率较快，但是由于在厚度方向上只有一个积分点，因此不能计算板料成形中的起皱和回弹；而实体单元虽然具有计算精度最高的特点，能够准确地计算出板料的起皱和回弹，但是因为计算速度慢，且目前还没有较好的实体单元裁剪技术，不能模拟板料成形中的修边及后续的工序，因此应用范围有局限；壳单元分为 Kirchhoff 壳单元、Mindlin壳单元、退化壳单元、相对自由度壳单元，壳单元由于具备了计算速度快、结果精度高的特点，因此是目前在板料成形有限元软件中应用最为广泛。网格划分是将覆盖件拉延数模离散为有限元网格，当前主流板料成形有限元软件都采用壳单元划分。一般而言，在板料成形仿真中，模具作为刚体，只用于接触判断，模具网格不发生变形，因此，模具网格采用三角形和四边形两种形式，三角形网格计算精度低，但是具有适应性好，能够准确描述模具型面；而板料的单元划分必须侧重于计算精度，因此，坯料单元一般采用四边形单元的形式，只在坯料边界才能使用一些少量的三角形单元。

2.2 接触问题的处理

在汽车覆盖件冲压仿真中，由于模具几何型面的复杂性，使得坯料和模具型面之间的接触问题变的异常复杂，接触边界条件不断变化，由此产生的接触面之间的相互作用也是非常复杂并处于动态变化中。接触问题包含两个相互关联的两个方面：接触搜索以及接触的处理。目前，在显式有限元算法中，接触搜索一般是基于段的接触搜索算法，而在冲压上接触面上接触力的处理一般通过是罚函数法。

3 覆盖件拉延模工艺补充面优化设计

3.1 工艺补充面的参数化设计

参数化设计在系列化产品设计、相似设计以及CAD系统开发中具有重大应用价值。将参数化设计方法引入工艺补充面几何模型的设计，目的是为了提高覆盖件工艺补充面的设计及修改效率，提高技术人员的设计效率。目前二维参数化建模方法主要有以下几种：1）几何变量法。几何变量法是一种通过分析图形几何模型的特点，建立主要设计参数及各设计参数之间的代数关系，当设计参数发生变化时，使用迭代方法，通过求解各尺寸之间的代数关系式，确定其他相关尺寸的参数值，进而更新获得新的几何模型。2）人工智能法。人工智能法将手工绘图的过程分解为一系列最基本的的作图规则，采用人工智能的符号处理、知识表示、几何推理等手段将当前的作图步骤与基本规则想匹配，从中求解出未知参数，与已知参数一起引导绘图。为了实现对工艺补充面的优化，必须首先提高工艺补充面的设计效率，必须实现对工艺补充面的参数化设计。实现工艺补充面的参数化，必须先研究工艺补充面的特点。由于常见的工艺补充面的截面线可以由基本曲线段（直线、圆弧）组合而成，因此，使用编程法，可以对工艺补充面的截面线进行参数化，而后通过对参数化的界面线进行扫掠等处理方式，生成工艺补充面，以后对工艺补充面的修改，都通过修改控制界面线的方式进行。

3.2 工艺补充面优化算例

通过某车型整体侧围外板的CAE模拟分析，对分析过程发现的问题进行深度挖掘，寻求优化措施，优化工艺模面，调整工艺内容与相关工艺参数。现已根据优化后的工艺完成的模具设计、加工、调试工作，得到客户单位的认可及实现量产，最终通过生产验证，量产件如图11所示，表明了CAE成形分析的必要性与优化设计的准确性，同时也为几种冲压件的典型缺陷问题的优化途径进行了验证。冲压件内部交角处问题，可通过放大R角进行解决，若冲压件造型约束，可在拉深工序进行过拉深处理，在后工序进行局部整形至冲压件要求形状。外覆盖件的冲击线问题，可通过分模线的外移及光顺进行优化。冲压件局部拉深不充分、多料问题，可通过增加余肉的方案进行解决。拉深过程中存在轻微的起皱问题，通过压料面形状优化，缩短线长进行优化。通过CAE成形模拟仿真，能够在设计阶段尽早识别成形存在的缺陷，寻求优化措施，优化工艺模面、调整工艺内容与相关工艺参数，指导模具结构设计及调试工作，有效控制模具开发周期，同时保证冲压件质量。

参考文献：

[1]张利雯.汽车发动机罩外板工艺与模具设计[D].河北科技大学，2013.

[2]姜彥翠，刘献礼，丁云鹏，陈涛，岳彩旭.汽车大型覆盖件淬硬钢模具切削加工技术[J].哈尔滨理工大学学报，2013（01）.