汽車結構件級進模的料帶優化設計

聶 昕 成艾國 申丹鳳

1.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室,長沙,410082

2.東風柳州汽車有限公司,柳州,545005

3.湖南湖大三佳汽車技術開發有限公司,長沙,410205

汽車結構件級進模的料帶優化設計

聶 昕1,2成艾國1申丹鳳3

1.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室,長沙,410082

2.東風柳州汽車有限公司,柳州,545005

3.湖南湖大三佳汽車技術開發有限公司,長沙,410205

以某汽車前縱梁加強板為例,通過對級進模沖壓過程進行模擬,預測生產中可能出現的傳送帶變形、毛坯展開不準確、成形缺陷等問題,并提出采用手動修改與比例因子法相結合的方法對料帶進行優化設計。實際生產驗證了該方法的優越性,所得結果為實際調試模具提供了依據,可大大縮短模具開發周期,節約模具成本。

級進模;傳送帶變形;比例因子法;優化設計

0 引言

目前,對汽車鈑金件沖壓而言,一般都采用多工序、多工位模具才能實現,因此零件制造的全工序需要多套模具和多臺壓力機,尤其在自動化生產時需要的設備更多。如果采用級進模進行沖壓生產,就可以克服這些缺點。級進模的特點是生產效率高,生產周期短,占用的操作人員少,易于實現自動化批量生產。

在國內,復雜零件的級進模的設計特別少,而高強度鋼板復雜零件的級進模的設計則幾乎沒有。在級進模設計過程中,一旦最初板料展開尺寸出錯,最終的產品一定不合格。料帶的形狀設計決定了模具的基本結構,控制著零件的流動,而橋的設計會明顯地影響傳送帶的變形和后序零件的形狀,所以級進模設計的難點及關鍵在于產品的毛坯展開及料帶形狀的設計。傳統的毛坯估算及料帶形狀設計只能依靠工程師的設計經驗來完成,對于造型相對復雜的零件,很難估算準確,從而造成實際生產中出現模具報廢、產品定位誤差大等嚴重問題。通過對國內外有關級進模的文獻進行分析發現,幾乎所有的文獻提出的級進模沖壓成形分析都沒有真正地針對級進模的各工序沖壓特點進行整體分析[1],也沒有考慮因料帶的結構和變形而造成的零件變形的影響[2],更談不上對毛坯形狀和料帶結構進行優化設計[3]。

本文以某汽車結構件為例,在有限元仿真的基礎上,結合手動修改與比例因子法等優化方法,對該零件級進模的料帶進行優化設計,并預估其沖壓成形性,將問題消除在設計階段。最后,通過實踐驗證了該方法的有效性。

1 比例因子優化算法

比例因子法是一種優化輪廓線的方法[4],它是通過調用、比較沖壓前后終了輪廓線和目標輪廓線的差值,計算出零件變形的比例因子,通過比例因子修正輪廓線而進行自動偏置補償、迭代的一種優化方法。其基本過程如下:

(1)首先給定必要的初始條件,包括初始輪廓線A、目標輪廓線aT。通過調用有限元分析軟件進行沖壓模擬,獲得終了輪廓線a。

(2)然后將終了輪廓線與目標輪廓線進行比較,如果形狀誤差在公差允許范圍之內,則結束運算,輸出該初始輪廓線;否則對該初始輪廓線進行特定的偏置。再調用有限元軟件對偏置后的輪廓線A*進行沖壓模擬,獲得偏置后的終了輪廓線a*。

(3)最后計算出零件變形的比例因子ω。通過比例因子ω對初始輪廓線A進行修正,再將修正后的輪廓線作為下一次迭代的初始輪廓線。這樣不斷循環,直至形狀誤差均在公差允許范圍之內,結束迭代,將最后一次迭代的輪廓線作為最優輪廓線輸出。

其流程如圖1所示。

圖1 比例因子法流程圖

2 汽車前縱梁加強板級進模工藝

2.1 汽車前縱梁加強板

某汽車前縱梁加強板如圖2所示,其質量為1.216kg,厚度為 1.8mm,材質為高強度鋼DP340,其材料屬性如表1所示。產品邊界公差值為±1.0mm。

2.2 級進模工藝

設計多工位級進模的關鍵是零件的毛坯展開及料帶的排樣,這是模具設計的核心。合理的排樣及適當的搭邊值是降低成本和保證工件質量及模具壽命、使用性能的有效措施。

2.2.1 毛坯展開

常用的毛坯展開方法一般有傳統經驗計算公式法[5]、one-step[6]仿真分析法,或者兩者相結合的方法。此零件中部的凸包造型在沖壓時,材料將發生明顯變形,按常用展開方法進行毛坯展開無法準確計算該處的展開尺寸,只能得到一個大致的毛坯尺寸,如圖3所示。

圖3 前縱梁加強板毛坯展開圖

2.2.2 料帶排樣

級進模的工藝設計就是料帶的排樣設計。前縱梁加強板的沖壓工序內容包括:毛坯形狀的落料、凸包的拉延、側壁的翻邊及整形、頭部的小翻邊、加強板中間的沖孔以及最后的切邊。同時考慮到模具受力的平衡性,該加強板沖壓工藝總共分成八個工序:三工序落料、成形、翻邊、整形、沖孔和切斷。級進模就是將上述所有工序集中在一副模具里,每一工序稱為該模具的一個工位,其排樣如圖4所示。

圖4 級進模料帶排樣圖

為了保證料帶能夠連續精確地進入級進模內,鋼卷必須先經過開卷機、校直器及進給器才能進入級進模,再傳遞到其他工位。料帶不僅提供沖壓用的零件毛坯,還要實現將零件從一個工位傳遞到下一個工位的功能,其結構如圖5所示。

一般料帶應該包括毛坯、工件、傳送帶、橋及定位孔等。此加強板的毛坯中開了兩個工藝孔,以避免成形中間凸包造型時發生破裂。料帶中的傳送帶是用來連接相鄰工位的,橋是用來連接傳送帶與零件的,定位孔是用來保證料帶進入每個工位時位置的準確性的,步距是相鄰兩個工位之間的距離,即料帶每次向前進給的距離。

圖5 級進模料帶結構圖

3 級進沖壓仿真及料帶優化

級進模沖壓及仿真的難點主要有以下兩點:①毛坯形狀預估的準確性。如果毛坯形狀不準確,實際沖壓或者仿真出來的結果一定不合格,且調試工作量大。②料帶中橋的變形難以預估。如果橋的尺寸設計不合理,則會因橋的強度過大難以變形,使得傳送帶發生明顯變形,無法保證料帶進給時位置的準確性;或因橋的強度過小,沖壓過程中橋發生斷裂,無法保證級進沖壓正常進行。以往的仿真很少考慮橋的變形,導致仿真的結果沒有意義。

3.1 級進沖壓仿真

當級進工藝制訂好后,按照初始的毛坯形狀及橋的設計來對該前縱梁加強板進行級進全工序沖壓仿真分析。沖壓仿真結果如圖6所示,從圖6中的結果看,毛坯中間兩個工藝孔發生開裂,為凸包的成形提供材料,從而保證了凸包的成形性。整個零件的成形過程未出現開裂及明顯起皺現象,因此該加強板的成形性良好。

3.1.1 橋及傳送帶的變形結果

圖7所示為橋及傳送帶部分的變形情況,右側為局部放大圖。圓圈部分為料帶毛坯的初始狀態,網格為經過成形、翻邊及整形后的工件輪廓,從圖中可以看出,橋變形不太明顯,而兩端的傳送帶發生了明顯的變形,會造成定位孔也發生變形,這樣最終導致料帶進給時定位不準確,從而使級進模的自動進給無法實現。上下兩端的傳送帶的偏差距離分別達到了2.7mm和5.2mm。

由變形結果分析可知,造成傳送帶變形的主要原因是由于橋的剛性過大,橋難以變形。為解決這個問題,必須重新設計橋的形狀及尺寸。

3.1.2 毛坯沖壓后的工件邊界

對采用經驗計算公式和one-step仿真分析展開的方法獲得的毛坯形狀進行級進沖壓仿真,沖壓后工件邊界結果如圖8所示。粗實線為產品邊界線,網格面為沖壓仿真后工件的形狀,從放大圖可看出,工件邊界與產品邊界線在凸包處誤差最大,一側最大誤差值為12.53mm,另一側的誤差值為 14.28mm,這與產品邊界公差要求±1.0mm相比,差距太大。

圖6 級進沖壓成形性分析

圖7 橋及傳送帶變形簡圖

如果按這樣的設計進行制造加工,不僅造成最終工件不合格,還會使得級進模的前三個工位的落料模具報廢,造成非常嚴重的損失。因此必須在設計階段消除這些問題,這需要對級進模料帶進行優化。

圖8 產品零件邊界圖

3.2 料帶優化

從仿真結果分析,造成工件不合格和定位不準確的主要因素是料帶中的兩個組成部分——橋及毛坯形狀尺寸設計不合理,因此料帶的優化設計主要針對這兩部分進行。本文采用手動修改與比例因子法相結合的方法對料帶中的橋及毛坯進行優化。

3.2.1 橋優化

橋是料帶中傳送帶與毛坯的連接部分,此部分在沖壓過程中可以發生明顯變形,但不能斷裂,且需保證傳送帶部分不發生明顯變形。由于橋的最終形狀沒有明確要求,其最終目標邊界無法給定,所以只能通過手動調整。

仿真結果顯示橋的剛性過大,未發生變形,因此將橋的寬度減小(由8mm減小為5mm)、線長增加,其中一端的兩條橋變成一條橋,以減小其剛性,具體細節如圖9所示。細虛線為橋的初始形狀,粗實線為修改后橋的形狀 。

圖9 橋優化前后形狀對比

3.2.2 毛坯優化

初始毛坯級進沖壓仿真結果顯示,工件邊界相對于產品目標邊界有較大差距,遠不在公差允許范圍內,為保證沖壓后的工件合格,需對毛坯形狀進行優化,本文采用比例因子法對毛坯進行優化。

根據前面仿真的結果,定義沖壓后工件邊界為a,產品最終邊界線為目標aT,毛坯形狀為變量A,根據變形前后的偏置量Δ和δ,求出比例因子ω:

然后根據比例因子ω進行多次迭代,當結果a與目標a T的誤差在公差±1.0mm內時迭代結束,輸出變量A即為優化后的毛坯形狀。

本算例的工件邊界與目標邊界的誤差由初始的14.29mm經過一次迭代后降為1.46mm,直至第七次迭代,誤差值為 0.88mm,在公差±1.0mm內,滿足要求,迭代停止。圖 10所示為迭代優化結果的比較,點劃線為目標值1mm,共迭代7次,第七次迭代的數據為虛線以下,即達到要求。

圖10 優化迭代結果比較

圖11所示為初始毛坯線和第七次迭代后所得的毛坯線比較,虛線為初始毛坯線,實線為第七次迭代后的毛坯線,從圖11可以明顯看出,被圈出的部分變化最大,也是產品的凸包展開處,即經驗展開與實際差距最大的位置。

圖11 優化前后毛坯比較

3.2.3 優化后仿真結果

將優化后的橋及毛坯形狀組合成新的料帶,如圖12所示。其中,虛線為初始料帶,實線為優化后料帶。

圖12 優化前后料帶比較

將優化后的料帶再進行級進沖壓模擬,其仿真結果如圖13所示,可看出,產品未出現開裂及明顯起皺,與料帶優化前一樣,該加強板的成形性良好。

圖13 優化后成形結果

除了成形性外,應更加關注的是,在進行級進沖壓成形后優化后料帶的傳送帶、橋的變形情況,以及成形后工件的邊界與產品邊界之間的誤差值。圖14所示為橋及傳送帶的變形情況,網格為成形后工件的位置,外輪廓線為初始料帶位置,從圖右側的放大圖可以明顯看出,新料帶的橋發生了明顯變形,而傳送帶幾乎與初始位置重合,達到了優化的目的,即保證了料帶在進給過程中定位的準確性。

圖14 橋及傳送帶變形情況

圖15所示為新料帶成形后工件邊界與產品邊界的比較,從圖15可以看出,工件邊界與產品邊界幾乎是重合的,特別是在凸包位置,其誤差值非常小。誤差最大的位置為圖中A處,其誤差值為0.894mm,在公差允許范圍內。

從上述仿真結果分析,在級進沖壓中,優化后的料帶既保證了進給時料帶定位的準確性,又滿足了產品邊界的公差要求。

圖15 工件邊界與產品邊界比較

4 實踐驗證

該前縱梁加強板采用優化后的料帶進行級進模設計,經模具制造及初步調試后,其結果如圖16所示。從檢具檢測結果可知,產品邊界符合公差要求,最大誤差值為0.95mm,與仿真預測結果0.89mm比較一致。

圖16 檢具上的前縱梁加強板

5 結論

(1)級進模料帶的優化設計是成功設計級進模的關鍵,而料帶的設計是由毛坯的形狀及橋的結構設計所決定的。

(2)有限元仿真配合料邊優化算法能夠很好地優化、指導級進模設計,但必須同時考慮傳送帶可能發生變形的影響。

(3)實踐證明,比例因子法在料帶邊界優化方面有較好的可行性及較高的精度。

[1] 吳春明,阮鋒,夏琴香,等.基于有限元分析的級進模拉深工序優化設計[J].機床與液壓,2006(2):29-31.

[2] 黃珍媛,阮鋒,管燦,等.基于數值模擬的級進模筒形拉深工步工藝分析[J].電加工與模具,2006(4):50-53.

[3] Lin Bor-Tsuen,Kuo Chun-Chih.Application o f an Integrated RE/RP/CAD/CAE/CAM System for Magnesium A lloy Shell of M obile Phone[J].Journal of M aterials Processing Techno logy,2009,209(6):2818-2830.

[4] 聶昕,成艾國,鐘志華,等.比例因子法在沖壓件外輪廓線優化中的應用[J].中國機械工程,2007,18(1):90-94.

[5] BlountG N,Fischer B V.Com puterized Blank Shape Prediction for Sheet Metal Components H aving Doub ly-curved Surfaces[J].Int.J.Prod.Res.,1995,33(4):993-1005.

[6] Lee C H,H uh H.Blank Design and Strain Prediction of Automobile Stam ping Parts by an Inverse Finite Element Approach[J].J.M ater.Proc.Technol.,1996,63(6):645-650.

Optim ization Design of Blank Sheet in Body Panel Progressive Stamping

Nie Xin1,2Cheng Aiguo1Shen Danfeng3
1.State Key Laboratory of A dvanced Design and Manufacture for Vehicle Body,Hunan University,Changsha,410082
2.Dongfeng Liuzhou Motor Co.,Ltd.,Liuzhou,Guangxi,545005
3.Hunan Sunja Auto R&DCo.,Ltd.,Changsha,410205

A front rail reinforcement panel is an exam ple to illustrate how the process of progressive stamping was simulated by finite-element method herein,so the problem s occurred in p roduction cou ld be p redicted such as carrier distortion,inaccurate blank size,cracks,and w rink les and so on.Besides,themethod which combined manualmodification and the scale factormethod were supp lied to op timize blank sheet.In the end,the method is proves its advantages and supp lies reference fo r trial in p ractice.It can also shorten development cycle and reduce cost.

progressive stamping;carrier distortion;scale factor method;op tim ization design

TG156

1004—132X(2011)06—0723—06

2010—05—13

“十一五”國家科技支撐計劃資助項目(2006BAF02A 02);國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(007AA 042006);教育部長江學者和創新團隊發展計劃資助項目(531105050037);湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室自主課題(60870002)

(編輯 蘇衛國)

聶 昕,男,1982年生。湖南大學機械與運載工程學院講師,東風柳州汽車有限公司博士后研究人員。主要研究方向為車身結構優化及新工藝、新材料的應用。發表論文7篇。成艾國,男,1973年生。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室教授。申丹鳳,女,1981年生。湖南湖大三佳汽車技術開發有限公司碩士。