CAE技術(shù)在復(fù)雜沖壓模具開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

丁友生，李志軍

DING You-sheng1, LI Zhi-jun2

（1. 南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電分院，南京 210046；2. 南京南汽模具裝備有限公司 技術(shù)部，南京 210016）

0 引言

沖壓件的塑性成形是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性過(guò)程，長(zhǎng)期以來(lái)，工程上都是依賴(lài)定性的分析和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步制定工藝方案，經(jīng)過(guò)后期的反復(fù)調(diào)試和修改來(lái)確定模具。其最大的弊端就是模具開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，有時(shí)甚至發(fā)生模具在調(diào)試階段即告報(bào)廢的情況，不能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的要求[1]。板料成形CAE分析技術(shù)是解決這一難題的有效手段，已經(jīng)成為塑性加工領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用[2～7]。AutoForm是一款由瑞士開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)薄板成形快速模擬軟件，基于實(shí)踐、工業(yè)技術(shù)的技巧和板料成形專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)，能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)材料的流動(dòng)、厚度的變化、板料的回彈、起皺、破裂等。可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)設(shè)計(jì)師提出產(chǎn)品沖壓可行性分析；在模具設(shè)計(jì)階段對(duì)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬和驗(yàn)證；還可以在修模過(guò)程中提供直觀形象的指導(dǎo)[6]。

汽車(chē)覆蓋件較之一般的沖壓件，又具有材料薄、形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸較大、表面質(zhì)量要求高、曲面多為空間曲面、配合協(xié)調(diào)性高等特點(diǎn)。工藝很復(fù)雜，其模具的制造周期直接影響汽車(chē)的制造成本以及新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期[7]。以Autoform軟件為例，介紹了CAE技術(shù)在某轎車(chē)前減振器架前板模具開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用，大大縮短了模具的開(kāi)發(fā)周期，降低了制模成本，提高了模具質(zhì)量。

1 沖壓成形的工藝設(shè)計(jì)

板料沖壓成形是一個(gè)具有幾何非線性、材料非線性、邊界條件非線性等多重非線性的非常復(fù)雜的力學(xué)過(guò)程。由于影響成形過(guò)程的因素很多，因此人們不能精確控制材料的流動(dòng)。成形過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種各樣的缺陷，影響零件的幾何精度、表面質(zhì)量和力學(xué)性能。總的來(lái)說(shuō)，覆蓋件成形的主要缺陷有起皺、破裂和回彈。

在薄板沖壓成形過(guò)程中，當(dāng)切向壓應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)板料的臨界應(yīng)力時(shí)，就可能發(fā)生起皺。由于起皺經(jīng)常發(fā)生在汽車(chē)的覆蓋件上，形成波紋或折疊，極大地影響了表面質(zhì)量，因此近年來(lái)對(duì)起皺的研究越來(lái)越多。破裂是由于材料的強(qiáng)度或塑性不足，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)臨界值時(shí)便會(huì)發(fā)生。破裂發(fā)生的位置主要在凸模端部、側(cè)壁、凸模圓角部位、法蘭部分和拉伸筋部分。回彈是板料成形后不可避免的現(xiàn)象，回彈現(xiàn)象主要表現(xiàn)為整體卸載回彈、切邊回彈和局部卸載回彈，當(dāng)回彈量超過(guò)允許容差后，就成為成形缺陷，影響零件的幾何精度。因此，回彈一直是影響、制約模具和產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素[8]。

圖1 轎車(chē)前減振器架前板的左、右件

圖1為某轎車(chē)前減振器架前板的左、右件，材料為DC04（相當(dāng)于ST14），厚度為1.5mm。零件空間形狀復(fù)雜，多孔分布在不同的幾個(gè)型面和方向，但左、右兩件總體形狀差異不大，基本對(duì)稱(chēng)，因此成形條件接近。初定其工藝方案為：1）落料，2）合件拉深，3）修邊、沖孔、翻邊，4）分離、整形、翻邊，5）沖孔、側(cè)面沖孔，共五道工序。

圖2 初步形成的拉深件

其中第二步合件拉深為主成形工序，為使形狀適于拉深成形，避免沖壓成形缺陷的發(fā)生，需對(duì)沖壓件局部形狀進(jìn)行修補(bǔ)飽滿、圓滑以及增加工藝面，初步形成拉深件數(shù)模如圖2所示。從圖中可以看出，由于材料補(bǔ)充受限，零件A區(qū)的成形較微妙，或有局部開(kāi)裂、起皺的可能，受坯料形狀和拉延筋的影響較大；B區(qū)為面積較大的平緩凹面，有失穩(wěn)起皺的可能。為了能對(duì)成形有較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，以便減少模具調(diào)試時(shí)的修改量，縮短模具制造周期，甚至有可能用方料拉深，減少一道工序（落料），采用了CAE軟件AUTOFORM進(jìn)行拉深模擬。

2 CAE分析及優(yōu)化

在預(yù)防成形缺陷的研究中，通常采用實(shí)驗(yàn)和理論研究相結(jié)合的方法。但是對(duì)于復(fù)雜的板料成形過(guò)程，特別是汽車(chē)覆蓋件沖壓成形過(guò)程而言，以上方法存在明顯的局限性。近年來(lái)計(jì)算機(jī)和有限元數(shù)值模擬技術(shù)的不斷發(fā)展完善，為分析板料成形過(guò)程的成形缺陷問(wèn)題提供了一種嶄新有效的方法。采用板料成形數(shù)值模擬技術(shù)可用于解決板料沖壓成形工藝和模具設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，具體包括：起皺和破裂的預(yù)測(cè)，確定壓邊力，確定成形力，估算坯料尺寸和回彈分析等[1]。

應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)板料成形過(guò)程進(jìn)行有限元分析的一般過(guò)程如圖3所示：

圖3 有限元分析過(guò)程

以Autoform軟件為例，介紹了CAE技術(shù)在某轎車(chē)前減振器架前板模具開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用，大大縮短了模具的開(kāi)發(fā)周期，降低了制模成本，提高了模具質(zhì)量。用AUTOFORM軟件進(jìn)行拉深模擬的邊界條件如表1所示，采用方料及兩種尺寸的拉延筋，尺寸如圖4所示。

表1 模擬條件

圖5為所示為板料成形過(guò)程的仿真結(jié)果。可見(jiàn)坯料尺寸滿足要求，主要缺陷是1、2、3處嚴(yán)重變薄，C區(qū)輕度起皺。C區(qū)起皺是由于該區(qū)域?yàn)檩^大平緩凹面，成形初期周邊拉應(yīng)力不均勻，材料在懸空狀態(tài)下失穩(wěn)而引起。為避免這種情況，可將其周邊圓角4適當(dāng)加大，并適當(dāng)增大壓邊力，使該區(qū)材料向周邊流動(dòng)加強(qiáng)，提高硬化效果和材料剛性，同時(shí)亦可減緩2處的過(guò)度變薄。由于A區(qū)材料增厚和B區(qū)材料變薄的區(qū)域差異非常明顯（色差分明），可見(jiàn)A區(qū)材料向B區(qū)流動(dòng)困難，增大壓邊力變薄會(huì)更嚴(yán)重，僅僅增大1、2處圓角半徑恐難消除缺陷，所以需去除A區(qū)部分材料，改變坯料形狀。至于3區(qū)角部變薄，增大圓角半徑即可。所有形狀修改處，由后續(xù)的整形工序達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖4 方料及拉延筋尺寸圖

圖5 板料成形過(guò)程的仿真結(jié)果

圖6 坯料尺寸圖

圖7 調(diào)整壓邊力后的模擬結(jié)果

在不改變坯料形狀、拉延筋的條件下，按上述分析將局部圓角半徑加大1mm，再次進(jìn)行模擬，C區(qū)起皺基本消除，3處缺陷消除，1、2處變薄率分別降至23%和29%。由于拉延筋的位置基本無(wú)可改變，更多的是改變其尺寸，所以決定先改變坯料形狀，去除A區(qū)部分材料。經(jīng)兩次模擬，采用圖6所示坯料，壓邊力調(diào)整為70噸，模擬的結(jié)果如圖7所示，所有缺陷均消除。

根據(jù)最后模擬的拉深數(shù)模制造模具后，通過(guò)歷時(shí)兩周的三輪調(diào)試、修改即告合格，坯料形狀稍有更改，壓邊力為84噸。若按傳統(tǒng)常規(guī)方法開(kāi)發(fā)，此類(lèi)復(fù)雜拉深模調(diào)試一般需5-6輪。通過(guò)采用CAE技術(shù)，大大縮短了模具的開(kāi)發(fā)周期，降低了成本。

3 結(jié)論

CAE在沖壓模具開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用是對(duì)模具設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估優(yōu)化的過(guò)程，應(yīng)用CAE技術(shù)，可以避免和減少傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生的浪費(fèi)、失誤甚至報(bào)廢，有效地提高模具開(kāi)發(fā)的效率，降低開(kāi)發(fā)成本，提高模具質(zhì)量。同時(shí)，利用CAE軟件虛擬模具調(diào)試還需要沖壓工藝知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的配合，在模具設(shè)計(jì)師提供的方案下進(jìn)行模擬，逐步靠近合理狀態(tài)，方能高效地進(jìn)行。

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