1顶棚结构分析

顶棚结构如图1所示，尺寸约2 224 mm×1 227 mm，质量为14.288 kg，厚度为0.7 mm，材料牌号为JAC340P-45/45。
由于车辆外观造型的需求，两外侧翻边整形为点焊焊接边，翻边面与A级外观面存在5°的夹角。
顶棚具有尺寸大、拉深深度浅、造型简单等特点，因此为了减少模具工序、提高工序的集成度，将其两侧和尾部修边、翻边及整形工序集成，现以零件两侧流水槽的模具结构为对象进行说明。

图1 顶 棚

2原模具结构方案及疲劳寿命模拟分析

2.1 原模具结构方案

零件两侧流水槽采用2工序的成形方案。
第1工序为拉深成形零件大致形状；第2工序为斜楔修边翻边整形完成零件两侧流水槽的成形。

第1工序模具如图2所示，该拉深模采用单动拉深方式成形零件大致形状。
第2工序模具如图3所示，活动凸模2、修边翻边整形斜楔4、固定凸模5与压料板6完成顶棚两侧的修边翻边整形工序，修边翻边整形斜楔4工作时的侧向力传递到斜楔滑块3，斜楔滑块3采用桥架结构，便于修边废料顺利滑出模具，模具结构紧凑，实现了修边、翻边和整形工序的集成。
下模座采用桥架结构，如图4所示，桥架结构应力较为集中，在高强度循环工作环境下，下模座存在失效风险。

图2 第1工序模具结构

1.凸模 2.压边圈 3.凹模

图3 第2工序模具结构

1.下模座 2.活动凸模 3.斜楔滑块 4.修边翻边整形斜楔 5.固定凸模 6.压料板

图4 下模座结构

2.2 疲劳寿命数值模拟分析

对于车身覆盖件模具，模座材料一般采用灰铁铸件，常采用的材料为HT300，其材料力学性能如表1所示。

表1 HT300材料力学性能

模具零件属于高周疲劳，因此采用S-N曲线法进行全寿命的疲劳分析，根据材料的力学性能参数，利用Ncode-designlife软件的SNAnalysis模块可获得HT300的S-N曲线[5]为y=236.908-15.683ln(x+78.288)，如图5所示。

图5 HT300的S-N曲线

为了验证模拟分析结果的可靠性，首先对下模座进行应力状态及疲劳寿命的有限元分析，然后与实际生产的模具进行对比。
为了保证有限元的速度和精度，采用自适应网格划分。
根据对模具结构受力状态进行分析，下模座反侧受力P=408.1 kN，整个下模座为固定约束状态。

下模座应力分布云图如图6所示，桥架处的等效应力最大，说明该处应力集中明显，模拟得出等效应力为19.5 MPa，小于HT300的极限强度和屈服强度，下模座在工作时是安全的。
寿命模拟分析结果如图7所示，桥架处的疲劳寿命最短，为40.2万冲次，但该顶棚模具设计需求寿命为100万冲次，因此该模具结构方案不满足要求。
模具采用3工序成形方案，零件两侧顶棚搭接处仅前2道工序就完成成形，第1工序拉深，第2工序集成了修边、翻边和整形。
模具结构复杂，布局会受到限制，为了使修边废料能够顺利滑出，模具只能采用桥架结构。

图6 应力分布云图

图7 寿命模拟分析结果

模具生产40~50万件后，第2工序的桥架结构二级废料刀座面拐角处出现裂纹，裂纹最长为160 mm，模具失效，与模拟分析的失效位置和使用寿命一致，证明该模拟分析方法的准确性，实际模具失效位置如图9所示。

图9 实际生产模具失效情况

3模具结构优化及疲劳数值模拟分析

3.1 模具结构优化

优化后的模具采用3工序方案，模具结构优化如图10所示。
从图10可以看出，优化思路主要有2个：①取消模具斜楔反侧的桥架结构；②分解模具的翻边整形成形力。
最终斜楔修边翻边整形模具改进为直修边翻边整形模具+斜楔翻边整形模具。
第2工序是直修边翻边整形模具，取消斜楔结构；第3工序是斜楔翻边整形模具，没有产生废料，无需废料滑落通道，取消桥架结构。

图10 模具结构优化

（a）原模具结构 （b）优化后模具结构

3.2 优化后模具疲劳寿命数值模拟分析

优化后的下模座应力分布如图11所示，下模座反侧处等效应力为2.97 MPa，整副模具结构的应力状态改善明显；疲劳寿命模拟分析结果如图12所示，下模座疲劳寿命为100万冲次，满足顶棚模具设计需求。

图11 应力分布云图

图12 疲劳寿命模拟分析结果

▍原文标题：顶棚模具疲劳寿命分析及结构优化

▍原文作者：孙飞李鑫锋牛灵凯夏弦刘中汉马超

▍作者单位：东风本田汽车有限公司