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[摘 要]影响汽车覆盖件冲压成形结果的因素很多。在汽车覆盖件的冲压过程中，材料的流动阻力（简称约束力）对冲压结果的成败就具有决定性的影响。约束力过小，则容易导致材料堆积严重甚至出现起皱现象，而约束力过大，则会导致材料被拉裂。压边力、拉延筋（拉延埂）形式与尺寸、坯料初始形状等是常用的约束力控制手段，但对具体的冲压问题而言，究竟要提供多大的约束力才能获得满意的冲压结果的问题，至今没有一个明确的答案。除此之外模具间隙、坯料初始形状、摩擦状态、压边力大小等真实因素对冲压结果产生都有直接影响。
[关键词]汽车覆盖件；冲压成形；工艺参数优化
中图分类号：TG386 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）03-0023-01
引言
汽车覆盖件具有形状复杂、外轮廓尺寸大、相对厚度小等特点，其工艺方案设计过程复杂且经验性强，影响因素很多。同一冲压件往往存在着多种冲压工艺方案，由于生产环境不同，其最优工艺方案也不同。要实现覆盖件冲压工艺方案的智能优化设计，减少对专家个人经验的依赖，不仅需要解决生成工艺方案的智能决策技术，生成可行的工艺方案，还要建立完整的方案评价体系，确定决策的目标，以便从可行工艺方案中优选最佳方案，达到提高设计质量和效率、优化资源利用的目的。
1 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C A E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。
4 结语
覆盖件冲压工艺过程设计是典型的复杂问题，包含了分析、选择、规划、优化等不同性质的功能要求，涉及范围广，应用信息量大，并与具体的生产环境及个人经验密切相关。长期以来，对于汽车覆盖件工艺设计的研究局限于若干单项技术的应用，虽然取得了一定的成绩，但未能从根本上解决设计中的难点问题，造成开发和实际应用CAPP系统的困难，也使新概念、新技术、新方法的应用受到限制。从现代汽车工业和制造业的整个产品生命周期对覆盖件工艺设计的需求出发，以虚拟企业和网络化全球制造为背景，采用多种智能技术，配合管理技术和仿真技术，对覆盖件冲压CAPP展开全面的研究，建立智能型的优化CAPP系统及与CAD/CAE/CAM的集成化将是汽车车身制造信息化的重要内容和发展方向。
参考文献
[1] 王平，练毅，刘德仿，廖萍. 基于DEFORM-3D的外凸台内齿圈件正交试验法工艺优化研究[J]. 机械设计与制造，2011，（4）：127-129.
[2] 林权. 基于综合平衡法的注塑工藝参数多目标优化设计[J]. 塑料科技，2011，39（1）：84-88.
[关键词]汽车覆盖件；冲压成形；工艺参数优化
中图分类号：TG386 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）03-0023-01
引言
汽车覆盖件具有形状复杂、外轮廓尺寸大、相对厚度小等特点，其工艺方案设计过程复杂且经验性强，影响因素很多。同一冲压件往往存在着多种冲压工艺方案，由于生产环境不同，其最优工艺方案也不同。要实现覆盖件冲压工艺方案的智能优化设计，减少对专家个人经验的依赖，不仅需要解决生成工艺方案的智能决策技术，生成可行的工艺方案，还要建立完整的方案评价体系，确定决策的目标，以便从可行工艺方案中优选最佳方案，达到提高设计质量和效率、优化资源利用的目的。
1 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C A E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。
4 结语
覆盖件冲压工艺过程设计是典型的复杂问题，包含了分析、选择、规划、优化等不同性质的功能要求，涉及范围广，应用信息量大，并与具体的生产环境及个人经验密切相关。长期以来，对于汽车覆盖件工艺设计的研究局限于若干单项技术的应用，虽然取得了一定的成绩，但未能从根本上解决设计中的难点问题，造成开发和实际应用CAPP系统的困难，也使新概念、新技术、新方法的应用受到限制。从现代汽车工业和制造业的整个产品生命周期对覆盖件工艺设计的需求出发，以虚拟企业和网络化全球制造为背景，采用多种智能技术，配合管理技术和仿真技术，对覆盖件冲压CAPP展开全面的研究，建立智能型的优化CAPP系统及与CAD/CAE/CAM的集成化将是汽车车身制造信息化的重要内容和发展方向。
参考文献
[1] 王平，练毅，刘德仿，廖萍. 基于DEFORM-3D的外凸台内齿圈件正交试验法工艺优化研究[J]. 机械设计与制造，2011，（4）：127-129.
[2] 林权. 基于综合平衡法的注塑工藝参数多目标优化设计[J]. 塑料科技，2011，39（1）：84-88.