文／张忠芳，刘棒棒·洛阳智能农业装备研究院有限公司

宗珂·第一拖拉机股份有限公司车身厂

冲压生产具有操作方便、易于实现机械化和自动化、节省材料等优点。故冲压生产在覆盖件类零件的应用上非常广泛。但是冲压生产需要克服一些常见的缺陷，如拉裂、起皱、回弹等问题。CAE 仿真软件的出现和应用为冲压生产提供了技术参考，大大降低了模具修改的成本。

冲压成形CAE 分析采用有限元法对板料成形过程进行模拟仿真，可以预测成形中可能出现的问题，并通过优化数模型面对出现的缺陷消除，最终得到合适的开模数据。CAE技术在实际应用中具有以下特点：⑴起皱的预测和消除；⑵拉裂的预测和消除；⑶回弹的计算；⑷成形性的评价；⑸压边力的优化；⑹成形力的计算；⑺毛坯尺寸的反算和翻边线展开；⑻预测和改善模具磨损。

零件分析及工艺方案分析

零件工艺性分析

零件如图1 所示，材料为DC04，厚度为1mm，外形尺寸为1406mm×670mm×94mm。中间有一个约800mm×570mm 的类似于长方形的孔，且内部四周翻边，构件上有2 个圆孔，型面较复杂，型面的落差相对比较小。本构件拉延深度为90mm。

图1 零件结构图

根据零件的基本尺寸以及客户的技术要求，我们对零件进行分析。该零件具有良好的可冲压性。因此，如何保证冲压生产中既不起皱、又不开裂是该零件冲压工艺的关键。

零件刚性指标

覆盖件在冲压成形时由于塑性变形的不均匀性，零件的某些部位容易出现刚性指标较差。因此，必须在模拟计算时规定：主应变应大于2%，副应变大于0，减薄量大于3%。

零件冲压工艺方案确定

如图2 所示，零件上有一个大的窗口，且部分边线在窗口的侧壁上，为了实现竖直修边，需要抬高拉延补充面，使修边线展开到拉延补充面的平面上。同样，外轮廓边线也在零件竖壁上，需要调整压料面的高度，使修边线展开到压料面平面上。经过工艺分析，初步确定本零件的冲压工艺方案为：⑴拉延；⑵翻边+整形；⑶修边+冲孔+侧整形。

图2 三维模型

⑴工序1：拉延。考虑到零件成形的外观质量及修边的刃口强度，在拉延时应将零件外观的棱线全部拉延成形出来，并保证足够的修边刃口平面；为保证各个方向进料均匀，将压料面做一定的随形处理。最终拉延模面如图3 所示。

图3 拉延工艺数模

⑵工序2：翻边+整形。零件内部及外部翻边均为90°，零件容易包在凸模上，需增加翻边退料机构。

⑶工序3：修边+冲孔+侧整形。为减少冲压工序，本序一次修掉所有多余的废料。处理好交刀位置结构，实现正修侧修一次完成，中间大孔废料较大，无法排出模具外，采用顶出器顶出结构。工艺图如图4 所示。

图4 修边冲孔工艺数模

模具结构与拉延仿真模拟分析

拉延成形数值模拟

由于该零件冲压成形过程中拉延工序容易产生起皱变形，对后面工序质量影响较大，因此重点对拉延工序进行模拟分析。

在SolidWorks 软件中对该零件模型的拉延面绘制工艺补充面，然后展开零件，获得修边线后，可将零件中间孔的边线内缩20mm左右，同时预留修边量，最后将处理完的模型导入到Dynaform 仿真软件，设置拉延过程的参数，进行模拟并分析结果。

拉延成形

⑴网格划分。划分的网格大小直接关系到该零件的受力和变形情况，划分完网格后须对其进行检查，修补有缺陷的网格。

⑵分析模型的建立。选择材料参数，设置好模具、板料、压边圈的位置，定义好它们之间的接触类型，然后进行模拟分析。

⑶拉延筋的设置。在第一次模拟时，无需设置拉延筋，第一次模拟分析结束后，根据结果来确认是否增加拉延筋。

⑷型面优化。通过型面优化，消除破裂及起皱风险。经过几次调整，最终得到成形性良好的型面。结果如图5 所示。

图5 模拟结果FLD 图

仿真结果分析

⑴主应变分析。图6 中主应变值均大于2%，且未出现较大主应变，因此在冲压过程中没有破裂的现象。

图6 主应变图

⑵副应变分析。由图7 可知该零件的副应变值均大于0，对于大面积区域的冲压，副应变越大，其塑性变形越充分。

图7 副应变图

⑶减薄率分析。该零件的减薄率最高为13.4%，且由图8 可见外观面减薄率均在3%以上，而板料一般减薄率在20%以内可认为属于安全范围。

图8 减薄率图

⑷成形极限图分析。通过分析结果可以看到成形过程该覆盖件成形效果好，只在四周出现起皱趋势(图5)，但是都在安全范围内，考虑到在实际冲压成形中，需对坯料四周进行修边，并不影响零件的成形质量。

⑸成形厚度分析。如图9 所示为零件的成形厚度误差。零件材料厚度为(1±0.1)mm，,从图中可以看出有2 个点(点1，点2)偏差较大，但是误差在3%之内，符合厚度误差要求。

图9 成形厚度云图

根据上述模拟分析，该工艺设置参数合理，成形性良好，分析结果均在指标范围内，零件的成形符合要求，可以按此数模开模。通过仿真软件模拟分析其成形过程，验证该工艺方案是可行的。

确定最终的冲压工艺方案

依据零件各项尺寸要求，结合CAE 仿真软件分析其可成形性，通过分析与计算，验证了之前初步确定的工艺方案是可行的。因此，最终确定该冲压工艺方案为：⑴拉延；⑵翻边+整形；⑶修边+冲孔+侧整形。

模具结构设计

经过对该覆盖件的工艺性分析，结合模拟结果与实际生产经验，再根据冲压工艺方案，最终完成了模具的设计。模具结构图如图10 所示。

图10 模具模型图

该模具设计体现了以下几个特点：

⑴上下模具选用铸铁HT250，同时在模座和压边圈上分别进行减重设计。既保证模具的实用性，又降低了模具成本。

⑵在压边圈和凹模以及凸模之间设置减摩材料的导板，保证了拉延的顺利进行，同时还避免了受力干涉现象。

⑶模具设有平衡块和排气孔。

⑷下模增加安装镦死块，避免模具在冲压过程中发生变形和破坏。

结论

本文针对覆盖件的冲压成形要求，先分析其冲压工艺性，确定初步的工艺方案，然后运用软件对工艺方案进行模拟。根据模拟结果对工艺方案进行优化和调整，同时可以确定冲压模型的结构。该过程大大地降低模具设计的成本，同时节约了时间与人力，适合工艺方案的快速评估；对确定同类零件的冲压工艺参数提供了依据。