覆盖件拉延模型CAD系统的实现.pdf

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第14 卷第4 期
2007 年8 月
塑性工程学报
JOURNAL OF PLASTICITY EN GINEERIN G
Vol114 　No14
Aug1 　2007
覆盖件拉延模型CAD 系统的实现
(北京航空航天大学703 教研室, 北京　100083) 　王　伟施法中
摘　要: 汽车覆盖件拉延工艺的设计是覆盖件冲压工艺设计的重要内容, 对于模具设计的成败和制造调试的难易
程度有着直接的影响, 因此在覆盖件冲压成形数值模拟计算中, 能否方便、有效地建立合理的拉延模型是影响计算
结果好坏的重要因素。文章在分析拉延工艺设计一般原则的基础上, 介绍了在自主开发的汽车覆盖件冲压成形数
值模拟软件系统Sheetform 中, 对覆盖件零件模型添加压料面和工艺补充部分, 从而得到拉延模型, 使之适用于模
拟计算的主要算法。
关键词: 拉延件; 拉延工艺设计; 工艺补充部分
中图分类号: TG386 　　　文献标识码: A 　　文章编号: 100722012 (2007) 0420019206
王　伟　E2mail : jrrt @buaa1edu1cn
作者简介: 王　伟, 男, 1978 年生, 博士研究生, 研究
方向为CAD , CAPP , CAE
收稿日期: 2006203222
　引　言
近年来, 国内汽车工业发展迅速, 汽车行业的
竞争也日趋激烈。从生产实践中看, 汽车底盘和发
动机的生产技术已日渐成熟, 汽车的更新换代在很
大程度上取决于车身的变化[1 ] , 因此车身覆盖件质
量的好坏, 就成为各汽车生产厂家市场竞争中的核
心问题。冲压加工是车身覆盖件制造的主要加工方
法。由于覆盖件的主要型面部分都是在拉延工序中
成形的, 这样拉延工序就成为覆盖件冲压成形中最
关键的阶段。在传统的拉延模型面设计中, 往往需
要多次试生产和多次调试才能确定最终方案, 大大
影响了新车型开发的周期。为了提高模具的设计效
率, 世界主要汽车生产厂家在拉延模设计过程中广
泛采用了计算机技术, 特别是板料成形的数值模拟
已经成为生产中一个有力的辅助工具, 运用先进的
CAE 软件, 可以对板料成形过程进行模拟, 预测成
形中的开裂、起皱、回弹等缺陷, 以优化工艺参数,
提高零件的成形工艺性, 这种方式相对于传统的模
具设计方法, 由于避免了实际试模的过程, 对生产
率的提高起到了显著的促进作用, 成为汽车制造业
中广泛兴起的一种热门技术。
在早期的大多数CAE 软件中, 往往只提供用
于有限元分析的功能, 而放弃了设计环节[2 ] , 这样
模具的设计工作需要在CAD 软件中完成, 而一旦
经CAE 软件分析计算发现模具初始设计方案存在
缺陷, 就必须返回到CAD 软件中进行修改, 这种
方式显然不利于将CAE 分析计算的结果及时有效
地体现在模具设计方案的调整中, 并且修改建议在
不同设计人员之间的传递大大削弱了CAE 软件对
提高生产效率的应有作用, 因此很多板料成形分析
软件如PAM2STAMP、Auto Form、DynaForm 等
开始把必要的CAD 设计功能和CAE 分析集成起
来, 首先读入在CAD 软件中得到的零件模型, 而
在CAE 软件中进行压料面和工艺补充部分的设计,
生成拉延件模型并划分网格进行有限元分析, 这样
可以由计算分析人员根据分析结果直接调整工艺设
计参数, 相对于设计模型在CAD 和CAE 软件之间
反复传递的方式, 无疑减少了人力和时间成本, 因
此拉延模设计功能已逐渐成为CAE 软件的一个通
用模块。
本文在总结拉延件各部分的功能和相互关系以
及工艺补充部分的常见形式基础上, 介绍了在自主
开发的板料成形数值模拟软件Sheet Form 的模具型
面设计模块中, 对产品的三维CAD 模型进行拉延
件设计的基本思路, 主要涉及工艺补充部分的参数
化设计和工艺补充部分组成曲面的生成算法, 这些
方法均具有一定的通用性, 可供从事此类研究的科
研人员借鉴于同类软件的开发中。
1 　覆盖件拉延模的设计
因为通常覆盖件产品的设计只考虑了外形和其
在汽车上与其他零件的配合要求, 而将制造加工的
可能性置为其次, 因此往往不能在拉延过程中直接
成形, 而需要工艺设计人员在覆盖件本体以外添加
一些具有一定形状的材料, 以构成拉延工序件, 简
称拉延件, 这些添加的部分通常包括工艺补充和压
料面两种类型; 另外, 对于形状复杂的覆盖件, 还
需要认真选取合理的冲压方向以顺利完成拉延; 而
在拉延深度较浅的场合, 有时还需要在适当的部位
布置拉延筋以增加材料变形后的刚性。冲压方向的
确定、工艺补充和压料面的设计以及拉延筋的布置,
构成了拉延件工艺设计的主要内容。
111 　冲压方向的确定
确定合理的冲压方向, 是进行拉延工艺设计的
第一步, 其不但决定能否拉延出满意的拉延件, 而
且还会影响到工艺补充部分的多少和压料面的形状。
冲压方向的确定一般应遵循以下原则:
1) 保证冲压过程中没有死角;
2) 开始冲压时凸模与板料接触面积要大, 并且
接触点均匀;
3) 使冲压深度相对较浅, 并尽量使各处冲压深
度均匀。
在实际生产中, 通常需要工艺人员借助丰富的
生产经验选择合理的冲压方向。随着建模技术和优
化设计的发展, 国内对于冲压方向的优化设计进行
了很多研究工作, 这些研究通常是根据冲压方向确
定的基本原则, 建立冲压方向的优化模型和评价函
数, 通过零件的截面线将三维问题转化为二维问题,
求出可行域, 再将二维问题的分析结果综合起来得
到三维问题的解, 求得最佳的冲压方向[ 3 ] 。
112 　压料面和工艺补充部分的设计
在拉延时, 为防止起皱, 必须采用压边圈将毛
坯压紧, 坯料上和压边圈接触的部分称为压料面,
它可以是零件本体的一部分, 也可以是在拉延工序
中添加到零件本体上的材料。因为压料面是一个必
须能被可靠压紧的面, 因此其几何形式一般相对比
较简单, 通常为某种形式的直纹面, 如平面、圆柱
面、圆锥面等, 根据实际需要, 压料面也有可能采
取小曲率的双曲率曲面的形式。
很多形状复杂的覆盖件由于难以满足直接进行
拉延成形的工艺要求, 还需要在零件模型和压料面
之间添加一些材料从而改善拉延件的工艺性, 这部
分添加上去的材料称为工艺补充部分。添加工艺补
充的原则, 是在保证零件成形的基础上, 使零件能
够发生充分的塑性变形。如将零件上的孔洞补齐;
去掉整形部分; 将翻边部分沿翻边线法线方向展开;
按照一定的拔模斜度建立侧壁; 在侧壁和零件边缘
之间进行圆角过渡; 设计拉延台阶等。工艺补充部
分的不同形式主要体现在不同的工艺补充截面线形
状上, 这些截面线一般由简单的直线和圆弧段连接
而成, 因其反映了工艺补充的形状特征, 也常被称
为工艺补充特征截面线。常用的工艺补充特征截面
线类型如图1 所示, 工艺设计人员通常根据实际问
题的需要, 从中选择适当的形式, 如有需要, 也将
会设计专门适用于所处理问题的特殊形状的工艺补
充特征截面线。
113 　拉延筋的布置
拉延筋的作用是控制压料面上毛坯材料的流动,
根据拉延工序的需要增加或减少压料面上不同部位
的进料阻力。工艺人员应根据拉延变形的具体要求、
凹模口的不同形状、拉延深度以及希望拉延筋提供
的变形阻力大小等因素来布置拉延筋的位置和数量,
并采取适当的截面形式和尺寸, 常见的拉延筋截面
形式有半圆形和矩形两种。
图1 　常用的工艺补充特征截面线
Fig11 　Common section characteristic lines of addendum
2 　Sheet Form 中的拉延模工艺设计
211 　SheetForm中拉延模工艺设计流程
根据拉延件工艺设计的需要, 在Sheet Form 的
模具型面设计模块中, 为用户提供了冲压方向设定、
压料面设计和工艺补充部分设计等功能。因为本系
统在成形模拟部分采用等效拉延筋的形式模拟拉延
筋在成形中的作用, 而型面设计模块主要从几何方
20 塑性工程学报第14 卷
面改进拉延件的工艺性, 所以在这一部分中, 并未
提供等效拉延筋布置的功能, 而将这一功能放在有
限元建模部分实现。图2 为进行拉延模工艺设计的
流程图。系统的原始数据为产品的CAD 模型, 以
IGES 文件格式导入, 由工艺设计人员根据模型的
具体特点按图中所示步骤进行处理之后, 将生成的
网格模型以NAS 文件格式导出, 用于拉延模型的
有限元分析计算。
212 　SheetForm中冲压方向的设定
冲压方向的设定是一个几何问题, 在Sheet2
Form 中, 主要通过交互设计方式确定合理的冲压
方向。为了和后续有限元计算程序相一致, 要求最
终确定的冲压方向与几何空间中z 坐标轴的负向同
向, 因此只需调整零件模型的空间位置即可。用户
在本系统中输入冲压中心的坐标值后, 可以直接输
入理想的冲压方向在当前坐标空间内的方向矢量,
或者指定某一平面, 以其法矢方向为冲压方向, 或
以多个曲面的平均法矢方向作为所设计的冲压方向,
零件的模型将自动调整位置, 使冲压中心与三维坐
标空间的原点重合, 冲压方向矢量与z 轴负向重合。
程序还提供了等高线检查功能, 在设定冲压方向之
后, 可以指定某一数值的步长来观察零件本体上等
高线的分布状况, 以此判断零件上各处的拉延深度
是否均匀, 从而为所得冲压方向的合理与否提供判
据。
图2 　Sheet Form 中的拉延工艺设计流程图
Fig12 　The flow chart of drawing
process planning in Sheet Form
213 　SheetForm中压料面的设计
压料面的选择与冲压方向具有一定的关系, 因
此需在冲压方向确定之后进行压料面的设计。压料
面属于广义的工艺补充的一部分, 因此有些同类软