蔣磊 王龍 謝蛟龍 馬培兵 何奇志 崔迎君

（1.東風本田汽車有限公司新車型中心；2.東風模具沖壓技術(shù)有限公司模具分公司）

發(fā)動機蓋外板是最重要的汽車覆蓋件之一，對于強度、剛度、表面質(zhì)量以及尺寸精度均有著較高的要求[1]。傳統(tǒng)的沖壓工藝設計主要依靠設計師個人經(jīng)驗[2]，工藝穩(wěn)健性較低[3]，零件在成形過程中經(jīng)常產(chǎn)生開裂、起皺、回彈大等質(zhì)量缺陷，模具需要反復改修[4-7]。隨著彈塑性力學和有限元迭代求解技術(shù)的高速發(fā)展，汽車覆蓋件的成形過程逐漸變得可以準確預測，成形工藝設計效率和質(zhì)量亦隨之提高，從而降低了沖壓模具開發(fā)成本[8-9]。對于發(fā)動機蓋外板成形工藝的快速開發(fā)，近年來行業(yè)內(nèi)進行了一系列的研究。文獻[10]通過正交試驗設計和二次多項式回歸相結(jié)合的方法，優(yōu)化了發(fā)動機蓋外板拉延成形工藝參數(shù)，減少了試模次數(shù)。文獻[11]通過成形過程動力學模擬分析，減小了發(fā)動機蓋外板拉延成形過程中的沖擊線和滑移線。文獻[12]借助Dynaform軟件對發(fā)動機蓋外板拉延成形過程進行了數(shù)值模擬，得到與仿真分析相一致的試模結(jié)果。文獻[13]通過對成形極限圖和厚度分布圖進行分析，得到發(fā)動機蓋外板最優(yōu)工藝參數(shù)組合，解決了發(fā)動機蓋外板拉

延開裂、起皺以及成形不足等問題。上述研究表明，運用有限元迭代求解技術(shù)可以降低發(fā)動機蓋成形缺陷風險，能夠?qū)υ嚹：蜕a(chǎn)起到指導作用。本文研究了某車型發(fā)動機蓋外板成形工藝，通過工藝設計和全工序成形數(shù)值模擬，預測了發(fā)動機蓋外板潛在的成形缺陷，并提出了相應的優(yōu)化仿真。在此基礎上，進行了回彈分析，根據(jù)回彈分析結(jié)果對工藝數(shù)模進行了全型面補償。最后進行試模試驗，獲得了良好的成形效果。

1 發(fā)動機蓋外板成形仿真

1.1 材料參數(shù)

材料參數(shù)是汽車覆蓋件的重要屬性，同時也是保證成形仿真獲得最貼近真實工況的首要條件。本文所研究的發(fā)動機蓋外板選用的材料為JAC340H-45/45，料厚0.6 mm，等同于寶鋼HC220BD+ZF，屬于一種烘烤硬化鋼。該材料在鋼中保留了一定量的固溶碳、氮原子，同時添加磷、錳等強化元素來提高強度。加工成形后，經(jīng)過一定溫度的烘烤，在時效硬化的影響下，材料的屈服強度進一步提高，從而有效提高汽車覆蓋件的抗凹性能。該材料的力學性能參數(shù)如表1所示。

表1 JAC340H-45/45材料力學性能參數(shù)

1.2 工藝分析

發(fā)動機蓋外板幾何模型如圖1所示，整體尺寸為1633 mm×1130 mm×171 mm，產(chǎn)品呈左右對稱式結(jié)構(gòu)，由多個復雜的空間曲面構(gòu)成，90%以上為A級外觀曲面。整體曲率波動不大，成形深度相對較淺，在滿足材料利用率目標的前提下，應盡量增大塑性變形量，以避免因變形不充分而造成制品剛性不足。兩側(cè)主棱線圓角半徑及型面夾角均較小，滑移線控制難度較大，在工藝設計時必須充分考慮抑制棱線滑移的對策。從前風擋兩側(cè)拐角到前格柵3面均為負角法蘭結(jié)構(gòu)，需要運用斜楔機構(gòu)予以側(cè)翻邊成形。

圖1 發(fā)動機蓋外板幾何模型

綜合分析考慮，確定了發(fā)動機蓋外板3工序的工藝方案，即拉延（OP10）、修邊+側(cè)修邊（OP20）、翻邊+側(cè)翻邊（OP30），如圖2所示。

圖2 發(fā)動機蓋外板工藝方案

1.3 有限元模型構(gòu)建

將發(fā)動機蓋外板各工序工藝數(shù)模分別以IGS格式導出，并逐一導入AutoForm軟件中，縫合公差設置為0.5 mm，網(wǎng)格公差設置為0.05 mm，最大單元邊長設置為10 mm。仿真材料選擇材料庫中的HC220BD+ZF，板料尺寸為1755 mm×1310 mm。按照工藝方案依次設置拉延、修邊、翻邊各工序的工具體和工藝參數(shù)，各工序工具體有限元模型如圖3所示。摩擦因數(shù)設置為0.15，壓機滑塊行程設置為900 mm，沖壓速度設置為1500 mm/s，其他工藝參數(shù)如表2所示。

表2 發(fā)動機蓋外板沖壓工藝參數(shù)

圖3 全工序有限元模型

1.4 全工序成形仿真

工藝參數(shù)設置完成之后即可提交求解計算，得到如圖4所示的全工序成形仿真結(jié)果。由圖4a～4c可知，發(fā)動機蓋外板各工序成形良好，塑性變形充分，無變形不足和過度減薄區(qū)域。圖5d為拉延減薄率數(shù)值云圖，零件各部位板厚減少率均在25%以內(nèi)，板厚增加率均在5%以內(nèi)，說明零件具有較好的成形裕度，無開裂、起皺風險。圖4e、4f分別為拉延成形后的主應變和次應變，產(chǎn)品型面所有區(qū)域主應變均大于3%，次應變均大于0，說明零件獲得了足夠的剛性。圖4g為滑移線分析結(jié)果，兩側(cè)主棱線無明顯超出棱線圓角的滑移痕跡，說明主棱線發(fā)生滑移線的風險較小。圖4h為拉延回彈前接觸應力分析結(jié)果，當接觸應力大于材料屈服強度的15%時，棱線區(qū)域?qū)l(fā)生滑移線或者明顯凹陷。HC220BD+ZF最小屈服強度為220 MPa，因此，為保證棱線區(qū)域不發(fā)生滑移或者凹陷，接觸應力必須小于33 MPa。由圖4h可知，拉延回彈前，最大接觸應力為29.82 MPa，滿足33 MPa的上限基準，棱線區(qū)域基本不會發(fā)生滑移。圖4i為矯直應變分析結(jié)果，最大矯直應變?yōu)?.007，根據(jù)經(jīng)驗可知，矯直應變在0.008時，棱線區(qū)域發(fā)生滑移和凹陷的可能性較低，因此可以判定發(fā)動機蓋外板棱線區(qū)域出現(xiàn)滑移線缺陷的風險較小，可以達到A級表面外觀質(zhì)量要求。

圖4 全工序成形仿真結(jié)果截圖

1.5 回彈模擬

在完成全工序成形仿真確認無成形風險及工藝穩(wěn)健后，即可進行回彈約束條件和參考體設置。約束條件與檢具定位基準、夾持點保持一致，參考體選擇產(chǎn)品面。提交求解計算后得到如圖5所示的回彈模擬結(jié)果。由圖5a、5b可知，發(fā)動機蓋外板所受夾持力較小，所有夾頭施加的夾持力均在30 N以內(nèi)，且位移均為0，表明回彈約束穩(wěn)定可靠。由圖5c可知，發(fā)動機蓋外板整體

圖5 回彈模擬結(jié)果截圖

回彈不大，50%以上區(qū)域回彈矢量在±0.5 mm以內(nèi)，75%以上區(qū)域回彈矢量在±1.0 mm以內(nèi)，僅在左、右前大燈配合部位和后風擋兩側(cè)部位存在較大的回彈。其中，最大正向回彈矢量為1.947 mm，最大負向回彈矢量為-1.507 mm，超出了發(fā)動機蓋外板沿周輪廓匹配面±0.5 mm以及中間自由型面±1.0 mm的公差要求。因此，需要對發(fā)動機蓋外板進行回彈補償。

2 發(fā)動機蓋外板回彈補償

2.1 回彈補償方法

回彈補償基本原理：將回彈所造成的形狀偏差逆向施加至模具型面，即進行所謂的過成形，從而使過成形的制品在回彈后剛好滿足尺寸公差要求。傳統(tǒng)的回彈補償方法以經(jīng)驗和試模為主，需要反復的調(diào)試和修模才能得到正確的模具型面補償數(shù)據(jù)，回彈補償過程極其耗時耗力，效率非常低下。隨著計算機技術(shù)和有限元分析技術(shù)的高速發(fā)展，基于全工序成形仿真的迭代回彈補償方法應運而生。該方法利用迭代計算替代人工試模，從而大幅削減模具制造成本和開發(fā)周期。迭代回彈補償策略如圖6所示。

圖6 迭代回彈補償策略

AutoForm回彈補償模塊（compensation）可基于回彈結(jié)果對模具型面進行迭代回彈補償。常用的迭代方案有3種：方案1為全工序均基于最終工序回彈結(jié)果進行補償，即所有工序的模具采用相同的回彈補償型面；方案2為各工序分別基于各自回彈結(jié)果進行補償，每一工序補償后模具型面均不相同；方案3為僅對拉延序進行補償，后工序模具型面與產(chǎn)品型面保持一致。一般而言，發(fā)動機蓋外板的回彈主要集中于拉延和翻邊工序，即成形類工序卸載后彈性變形回復導致回彈的產(chǎn)生，因此，不能采用方案3這種簡單的補償方式。采用方案2則會導致上一工序的制件與下一工序凸模型面發(fā)生干涉。綜上所述，應采用方案1。

在回彈補償模塊修改操作界面（modify）中，利用最終工序回彈結(jié)果依次對OP10、OP20、OP30工具體進行固定區(qū)域、過渡區(qū)域和補償區(qū)域定義，并通過計算自動獲得新的工具體型面，然后啟動新一輪的回彈模擬，之后在此輪回彈結(jié)果的基礎上實施下一輪回彈補償以及仿真分析，直至將發(fā)動機蓋外板全型面回彈矢量控制在尺寸公差以內(nèi)。當回彈矢量達到零件尺寸公差要求以后，即可將工序體型面以IGS格式導出，作為模具型面回彈補償設計的參考依據(jù)。將最后一輪補償?shù)墓ぞ唧w型面導入CATIA軟件，并在創(chuàng)成式曲面設計模塊（generation surface design）中對模具型面進行曲面重構(gòu)。之后，還需要對曲面光順性和曲率連續(xù)性進行校核，以確保補償后的模具型面（A面區(qū)域）達到G2及以上連續(xù)。最終回彈補償且校核通過的全工序工藝模面如圖7所示。

圖7 最終回彈補償后的全工序工藝模面

2.2 回彈補償結(jié)果

運用最終回彈補償后的全工序工藝模面進行成形仿真和回彈模擬結(jié)果如圖8所示。由圖8a可知，回彈補償后發(fā)動機蓋外板依舊獲得了良好的成形性，無成形不充分以及開裂、起皺風險。由圖8b可知，回彈補償后發(fā)動機蓋外板所有區(qū)域回彈矢量全部減小至±0.5 mm以內(nèi)，符合零件輪廓匹配面和自由型面的尺寸公差要求，證明上述采用方案1的迭代回彈補償策略有效可行。

圖8 回彈補償后的成形仿真和回彈模擬結(jié)果截圖

3 試模驗證

按照最終回彈補償?shù)娜ば蚬に嚹Ｃ孢M行發(fā)動機蓋外板模具加工，并利用全工序成形工藝參數(shù)及仿真結(jié)果指導模具調(diào)試，得到的發(fā)動機蓋外板成形充分，無開裂、起皺以及明顯的外觀面凹陷等缺陷，兩側(cè)主棱線亦未產(chǎn)生滑移線，滿足了零件批量生產(chǎn)的需求。

將發(fā)動機蓋外板安裝于檢具之上，并利用藍光掃描儀對零件進行全型面掃描，得到如圖9所示的零件尺寸偏差數(shù)值云圖。由圖9可知，發(fā)動機蓋外板沿周輪廓匹配面區(qū)域尺寸偏差均在±0.5 mm以內(nèi)，中間自由型面區(qū)域尺寸偏差均在±1.0 mm以內(nèi)，與最終補償后的回彈模擬結(jié)果基本保持一致，達到了零件尺寸公差要求。

圖9 發(fā)動機蓋外板試模零件截圖

4 結(jié)論

1）運用全工序成形仿真技術(shù)能夠準確模擬發(fā)動機蓋外板成形過程，預判了零件的成形質(zhì)量，并能指導模具加工以及現(xiàn)場試模，提高了模具設計精度；2）采用全工序均基于最終工序回彈結(jié)果進行補償?shù)牡貜椦a償方案，可以有效地對發(fā)動機蓋外板全工序回彈進行精準補償，實際試模吻合度高，解決了為降低回彈需要反復修模的問題，縮短了模具制造、調(diào)試周期；3）利用AutoForm自動補償和CATIA曲面重構(gòu)相結(jié)合的方法，促成了CAE與CAD軟件功能的優(yōu)勢互補，實現(xiàn)了模具型面回彈補償?shù)目焖倬_建模，提升了發(fā)動機蓋外板迭代回彈補償?shù)男?，對于同類零件的成形仿真與回彈補償均有一定借鑒意義。