文／張忠芳，劉棒棒·洛陽(yáng)智能農(nóng)業(yè)裝備研究院有限公司

宗珂·第一拖拉機(jī)股份有限公司車身廠

沖壓生產(chǎn)具有操作方便、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化、節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)。故沖壓生產(chǎn)在覆蓋件類零件的應(yīng)用上非常廣泛。但是沖壓生產(chǎn)需要克服一些常見(jiàn)的缺陷，如拉裂、起皺、回彈等問(wèn)題。CAE 仿真軟件的出現(xiàn)和應(yīng)用為沖壓生產(chǎn)提供了技術(shù)參考，大大降低了模具修改的成本。

沖壓成形CAE 分析采用有限元法對(duì)板料成形過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，可以預(yù)測(cè)成形中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，并通過(guò)優(yōu)化數(shù)模型面對(duì)出現(xiàn)的缺陷消除，最終得到合適的開(kāi)模數(shù)據(jù)。CAE技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有以下特點(diǎn)：⑴起皺的預(yù)測(cè)和消除；⑵拉裂的預(yù)測(cè)和消除；⑶回彈的計(jì)算；⑷成形性的評(píng)價(jià)；⑸壓邊力的優(yōu)化；⑹成形力的計(jì)算；⑺毛坯尺寸的反算和翻邊線展開(kāi)；⑻預(yù)測(cè)和改善模具磨損。

零件分析及工藝方案分析

零件工藝性分析

零件如圖1 所示，材料為DC04，厚度為1mm，外形尺寸為1406mm×670mm×94mm。中間有一個(gè)約800mm×570mm 的類似于長(zhǎng)方形的孔，且內(nèi)部四周翻邊，構(gòu)件上有2 個(gè)圓孔，型面較復(fù)雜，型面的落差相對(duì)比較小。本構(gòu)件拉延深度為90mm。

圖1 零件結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)零件的基本尺寸以及客戶的技術(shù)要求，我們對(duì)零件進(jìn)行分析。該零件具有良好的可沖壓性。因此，如何保證沖壓生產(chǎn)中既不起皺、又不開(kāi)裂是該零件沖壓工藝的關(guān)鍵。

零件剛性指標(biāo)

覆蓋件在沖壓成形時(shí)由于塑性變形的不均勻性，零件的某些部位容易出現(xiàn)剛性指標(biāo)較差。因此，必須在模擬計(jì)算時(shí)規(guī)定：主應(yīng)變應(yīng)大于2%，副應(yīng)變大于0，減薄量大于3%。

零件沖壓工藝方案確定

如圖2 所示，零件上有一個(gè)大的窗口，且部分邊線在窗口的側(cè)壁上，為了實(shí)現(xiàn)豎直修邊，需要抬高拉延補(bǔ)充面，使修邊線展開(kāi)到拉延補(bǔ)充面的平面上。同樣，外輪廓邊線也在零件豎壁上，需要調(diào)整壓料面的高度，使修邊線展開(kāi)到壓料面平面上。經(jīng)過(guò)工藝分析，初步確定本零件的沖壓工藝方案為：⑴拉延；⑵翻邊+整形；⑶修邊+沖孔+側(cè)整形。

圖2 三維模型

⑴工序1：拉延?？紤]到零件成形的外觀質(zhì)量及修邊的刃口強(qiáng)度，在拉延時(shí)應(yīng)將零件外觀的棱線全部拉延成形出來(lái)，并保證足夠的修邊刃口平面；為保證各個(gè)方向進(jìn)料均勻，將壓料面做一定的隨形處理。最終拉延模面如圖3 所示。

圖3 拉延工藝數(shù)模

⑵工序2：翻邊+整形。零件內(nèi)部及外部翻邊均為90°，零件容易包在凸模上，需增加翻邊退料機(jī)構(gòu)。

⑶工序3：修邊+沖孔+側(cè)整形。為減少?zèng)_壓工序，本序一次修掉所有多余的廢料。處理好交刀位置結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)正修側(cè)修一次完成，中間大孔廢料較大，無(wú)法排出模具外，采用頂出器頂出結(jié)構(gòu)。工藝圖如圖4 所示。

圖4 修邊沖孔工藝數(shù)模

模具結(jié)構(gòu)與拉延仿真模擬分析

拉延成形數(shù)值模擬

由于該零件沖壓成形過(guò)程中拉延工序容易產(chǎn)生起皺變形，對(duì)后面工序質(zhì)量影響較大，因此重點(diǎn)對(duì)拉延工序進(jìn)行模擬分析。

在SolidWorks 軟件中對(duì)該零件模型的拉延面繪制工藝補(bǔ)充面，然后展開(kāi)零件，獲得修邊線后，可將零件中間孔的邊線內(nèi)縮20mm左右，同時(shí)預(yù)留修邊量，最后將處理完的模型導(dǎo)入到Dynaform 仿真軟件，設(shè)置拉延過(guò)程的參數(shù)，進(jìn)行模擬并分析結(jié)果。

拉延成形

⑴網(wǎng)格劃分。劃分的網(wǎng)格大小直接關(guān)系到該零件的受力和變形情況，劃分完網(wǎng)格后須對(duì)其進(jìn)行檢查，修補(bǔ)有缺陷的網(wǎng)格。

⑵分析模型的建立。選擇材料參數(shù)，設(shè)置好模具、板料、壓邊圈的位置，定義好它們之間的接觸類型，然后進(jìn)行模擬分析。

⑶拉延筋的設(shè)置。在第一次模擬時(shí)，無(wú)需設(shè)置拉延筋，第一次模擬分析結(jié)束后，根據(jù)結(jié)果來(lái)確認(rèn)是否增加拉延筋。

⑷型面優(yōu)化。通過(guò)型面優(yōu)化，消除破裂及起皺風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)幾次調(diào)整，最終得到成形性良好的型面。結(jié)果如圖5 所示。

圖5 模擬結(jié)果FLD 圖

仿真結(jié)果分析

⑴主應(yīng)變分析。圖6 中主應(yīng)變值均大于2%，且未出現(xiàn)較大主應(yīng)變，因此在沖壓過(guò)程中沒(méi)有破裂的現(xiàn)象。

圖6 主應(yīng)變圖

⑵副應(yīng)變分析。由圖7 可知該零件的副應(yīng)變值均大于0，對(duì)于大面積區(qū)域的沖壓，副應(yīng)變?cè)酱?，其塑性變形越充分?/p>

圖7 副應(yīng)變圖

⑶減薄率分析。該零件的減薄率最高為13.4%，且由圖8 可見(jiàn)外觀面減薄率均在3%以上，而板料一般減薄率在20%以內(nèi)可認(rèn)為屬于安全范圍。

圖8 減薄率圖

⑷成形極限圖分析。通過(guò)分析結(jié)果可以看到成形過(guò)程該覆蓋件成形效果好，只在四周出現(xiàn)起皺趨勢(shì)(圖5)，但是都在安全范圍內(nèi)，考慮到在實(shí)際沖壓成形中，需對(duì)坯料四周進(jìn)行修邊，并不影響零件的成形質(zhì)量。

⑸成形厚度分析。如圖9 所示為零件的成形厚度誤差。零件材料厚度為(1±0.1)mm，,從圖中可以看出有2 個(gè)點(diǎn)(點(diǎn)1，點(diǎn)2)偏差較大，但是誤差在3%之內(nèi)，符合厚度誤差要求。

圖9 成形厚度云圖

根據(jù)上述模擬分析，該工藝設(shè)置參數(shù)合理，成形性良好，分析結(jié)果均在指標(biāo)范圍內(nèi)，零件的成形符合要求，可以按此數(shù)模開(kāi)模。通過(guò)仿真軟件模擬分析其成形過(guò)程，驗(yàn)證該工藝方案是可行的。

確定最終的沖壓工藝方案

依據(jù)零件各項(xiàng)尺寸要求，結(jié)合CAE 仿真軟件分析其可成形性，通過(guò)分析與計(jì)算，驗(yàn)證了之前初步確定的工藝方案是可行的。因此，最終確定該沖壓工藝方案為：⑴拉延；⑵翻邊+整形；⑶修邊+沖孔+側(cè)整形。

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)對(duì)該覆蓋件的工藝性分析，結(jié)合模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，再根據(jù)沖壓工藝方案，最終完成了模具的設(shè)計(jì)。模具結(jié)構(gòu)圖如圖10 所示。

圖10 模具模型圖

該模具設(shè)計(jì)體現(xiàn)了以下幾個(gè)特點(diǎn)：

⑴上下模具選用鑄鐵HT250，同時(shí)在模座和壓邊圈上分別進(jìn)行減重設(shè)計(jì)。既保證模具的實(shí)用性，又降低了模具成本。

⑵在壓邊圈和凹模以及凸模之間設(shè)置減摩材料的導(dǎo)板，保證了拉延的順利進(jìn)行，同時(shí)還避免了受力干涉現(xiàn)象。

⑶模具設(shè)有平衡塊和排氣孔。

⑷下模增加安裝鐓死塊，避免模具在沖壓過(guò)程中發(fā)生變形和破壞。

結(jié)論

本文針對(duì)覆蓋件的沖壓成形要求，先分析其沖壓工藝性，確定初步的工藝方案，然后運(yùn)用軟件對(duì)工藝方案進(jìn)行模擬。根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)工藝方案進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，同時(shí)可以確定沖壓模型的結(jié)構(gòu)。該過(guò)程大大地降低模具設(shè)計(jì)的成本，同時(shí)節(jié)約了時(shí)間與人力，適合工藝方案的快速評(píng)估；對(duì)確定同類零件的沖壓工藝參數(shù)提供了依據(jù)。