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冲压CAE分析技术发展现状分析

2020-11-16 168 上传者：管理员

摘要：近几年，随着计算机技术和模拟分析软件的迅速发展，冲压CAE分析技术已经得到广泛应用，从产品开发、产品冲压工艺性分析、DL图设计、模具调试，一直到冲压生产性问题的解决。通过模拟分析、虚拟制造，对整个过程进行分析，提前发现问题，分析原因，提出解决方案，进一步改善产品、优化工艺方案，创新工艺方案。因此避免了大量的设计、制造缺陷，提高了产品质量，节省了大量的时间，降低了开发成本。冲压CAE方面的软件是比较多的，目前常用的专用软件有Autoform、Dynaform、Pamstamp。通用性软件有：MSC.MARC、ABAQUS、ANSYS-DYNA系列等。本文通过一些具体的案例，运用Autoform软件，介绍CAE分析技术的应用，存在的不足及未来发展方向。

关键词：
CAE
冲压CAE分析技术
冲压工艺
模拟分析软件
计算机技术
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一、同步工程

1.1 产品冲压工艺性分析

通过CAE分析判定零件的开裂、起皱、冲压负角、滑移线等缺陷状态，进一步优化产品。⑴零件不能有开裂、起皱现象(图1)，否则需要更改产品。⑵产品不能存在冲压负角，需要优化。确定冲压方向后，软件自动计算出哪些地方存在冲压负角，并通过颜色显示出来。图2所示的红色区域存在冲压负角。⑶某车型发罩外板拉延件的棱线在拉延过程中有5mm的滑移线，但没有滑出圆角，满足工艺要求，如图3所示。

1.2 冲压工艺方案规划

通过全流程的CAE分析，确定工艺方案，包括拉延、翻边、整形、修边和冲孔方向、回弹等，通过优化产品，缩短工序，减少模具数量，降低模具投资。

1.3. 材料成本控制

⑴确定材料牌号。选择不同的材料，进行CAE分析，对结果进行分析、判断，确定产品合适的材料牌号，降低材料成本。

图1CAE分析判定零件的开裂、起皱

图2冲压零件存在负角

图3某车型发罩外板拉延件棱线滑移

图4冲压工艺方案规划

⑵优化板料排样。通过CAE分析，优化排样，提升材料利用率，降低成本。某产品的拉延毛坯，料片是凹形形状，采用矩形板料落料工艺，该产品材料利用率为40.4%；现采用无废料排样落料工艺，该产品材料利用率提升到53.7%。

⑶废料利用。图5(a)为某车型全景天窗顶盖，图5(b)为拉延件修边后产生的天窗口废料，图5(c)为顶盖后横梁，图5(d)为顶盖后横梁拉延件，用天窗口废料作为板料。从模拟分析可以看出，此方案可行，顶盖的材料利用率由43%提升到50%。

1.4 冲压设备选择

⑴确定板料尺寸。通过CAE分析，确定板料形状和尺寸，计算出模具大小，判断压机工作台尺寸是否满足要求。

⑵计算成形力。通过CAE分析，计算成形力大小，从而确定冲压设备的吨位。某车型侧围加强板拉延件，抗拉强度590MPa，成形力1800t，压边力300t。

⑶通过全流程的CAE分析，确定工序数量，选择合适的压力机生产线。

二、CAE分析技术在冲压工艺设计中的应用

2.1 全流程的CAE分析技术

图6为某车型背门内板CAE分析过程，对成形过程进行详细分析。分析拉延是否存在缺陷并进行优化，合理布置拉延筋，确定板料尺寸；判断修边冲孔方向是否合理；选择合理的翻边冲压方向；分析回弹状态等。

2.2 冲压工艺方案的创新

同一个产品可以有不同的冲压工艺方案，之间的差别十分显著。如果采用常规工艺方案，没有风险；如果采用创新的工艺方案，效益显著，但可能带来巨大的风险。此时非常需要进行CAE模拟分析，对冲压工艺方案进行判断。

2.3 用成形工艺代替拉延工艺

⑴左/右连接板，形状对称，材料DC52D+Z-60/60，料厚1.4mm，常规冲压工艺方案，左右件对接，一模双件，拉延工艺。五道工序，分别为：拉延、修边冲孔、修边冲孔、翻边、侧翻切开。创新工艺方案，左右件对接，一模双件，成形工艺，三道工序，分别为：落料冲孔、成形、修边冲孔切开，如图7所示。

图5废料利用

图6某车型背门内板CAE分析过程

图7创新工艺方案

图8CAE模拟图和实际成形图

对成形工艺进行CAE分析，主要针对成形工序进行分析，如图8所示，没有起皱开裂的现象发生，图8右图所示为实际生产的成形件，成形工艺方案取得了成功。采用新工艺，节省两套模具，模具结构也很简单，产品质量好，而且材料利用率提升6%。提高了产品质量，降低了模具投资，减少了材料成本、生产成本，效果十分显著。

⑵轿车背门外板上部、下部对接拉延工艺。背门外板上部、下部常规工艺方案，不在同一套模具加工，每个产品一般为4道工序。为了降低投资，提高效率，创造性的提出轿车背门外板上部、下部对接拉延工艺，采用一张板料，4道工序。图9(a)为背门外板上部、下部产品形状，图9(b)为背门外板上部、下部对接拉延件造型。通过CAE分析，可以看到，没有产生起皱开裂的缺陷，滑移线在合理的范围内，没有产生冲击线，因此方案可行，已经批量生产。

⑶汽车外表面件型面补偿技术。板材在成形后，一般都要发生回弹，特别是外表面件，由于形状平缓，结构强度弱，变形不充分，发生回弹。高强度板零件、铝合金板材成形后，回弹也比较大，尺寸超差严重，造成模具多次整改，成本很高。现在模具厂家试图通过CAE分析进行回弹预测，通过回弹补偿技术解决这一难题，也有不少成功的案例。某轿车顶盖回弹补偿值和CAE分析结果，实际结果与分析结果比较接近，试模一次成功。

图9轿车背门外板上部、下部对接拉延工艺

影响回弹的因素很多，有工艺、材料、凸凹模间隙、设备吨位、产品形状、模具制造精度等，型面补偿技术，目前多数模具厂家采用CAE模拟分析和经验相结合的方式进行，还不够成熟，还没有完全改变多次试模的状态。

三、CAE技术在模具调试中的应用

3.1 前门内板角部起皱问题的解决

图10(a)为前门内板起皱区域，(b)为产品加筋位置形状。角部拉延起皱，增大进料阻力，则开裂。最后确定更改产品，加筋吃皱、形状尺寸位置，既要考虑将皱吃掉，又要满足造型美观的要求。经过详细的CAE分析，确定了产品加筋的形状位置，并且一次更改成功。

图10前门内板角部起皱问题

3.2 某车型左右地板连接板成形起皱问题

该产品左右件不完全对称，左右件对接拉延成形后，在中间切开，图11所示区域起皱明显。在中间工艺补充部分增加一条筋，经过CAE分析，起皱消除。采用该方案，模具更改一次成功。

图11左右底板连接板成形起皱

四、CAE分析技术在内高压成形工艺中的应用

图12(a)为某轿车前副车架主管的产品形状，(b)为工艺流程图，(c)为CAE分析的成形性，(d)为CAE分析的管的壁厚分布。调试过程中出现的问题，与分析过程很接近，通过调整工艺参数，得到合格的产品零件，模具调试比较顺利，已经批量生产。

图12内高压成形工艺

五、CAE分析技术在热冲压成形中的应用

图13(a)为某车型前底板中通道，钢板厚度为0.9mm，材料为USIBOR1500P,(b)为CAE分析模型，其中包括上模、下模和板料。(c)为CAE分析的壁厚分布，(d)为热成形零件(激光切割前)。该零件在调试期间并没有出现开裂和起皱缺陷，调试过程比较顺利，已经批量生产。

图13热冲压成形工艺

六、结束语

以上通过一些实际的案例，介绍了CAE分析技术在模具制造中的应用，我们可以看到，应用范围已经十分广泛，为模具行业的快速发展，起到了关键的作用。国内大型汽车覆盖件模具设计已经100%进行CAE分析，优化工艺设计，提前规避风险，使调试问题越来越少，缩短了模具制造周期，提高了模具质量。随着汽车轻量化的要求，高强板、铝合金板的应用越来越多，如何解决回弹问题，已经是制约模具制造的瓶颈，如何克服这一难关，已经是摆在我们技术人员面前的一道难关。CAE分析技术向着精确计算的方向发展，结合现场的成功经验，指导模具设计加工制造，仍是未来几年的发展方向。

苏传义,邰伟彬,任闯,代晓旭.冲压成形CAE技术的现状与发展[J].锻造与冲压,2020(22):34-38.