基于數(shù)值模擬的鈑金零件工藝分析及級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)

虞鑫磊，王 蕾

（臺(tái)州學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

1 引言

如圖1所示某鈑金彎曲零件，前角有對(duì)稱(chēng)彎曲、兩側(cè)有彎曲和孔。根據(jù)工件形狀分析需采用彎曲成形工藝。材料厚度0.6mm，材料1Cr18Ni9Ti，具有良好的抗腐蝕性。零件外形較復(fù)雜，可近似看成一個(gè)簡(jiǎn)單的條料經(jīng)過(guò)多次彎曲成形并沖孔。彎曲過(guò)程中應(yīng)注意彎裂問(wèn)題，當(dāng)工件的相對(duì)彎曲半徑r/t較小時(shí)，凸模圓角半徑r等于工件的彎曲半徑；凹模圓角半徑不能過(guò)小，以免擦傷工件表面影響沖模壽命，結(jié)合工件的形狀，采用多次彎曲成形，以減小模具的彎曲回彈。經(jīng)過(guò)工藝分析與比較，采用7工位級(jí)進(jìn)模。本設(shè)計(jì)難點(diǎn)是解決偏移、回彈和定位問(wèn)題。

圖1 成形零件三維圖

2 成形工藝及仿真

2.1 制件工藝性分析

彎曲沖孔件的工藝性是指該工件對(duì)沖壓工藝的適應(yīng)性，即彎曲沖孔件的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小、精度等級(jí)等是否符合彎曲及沖孔加工的工藝要求。良好的結(jié)構(gòu)工藝性應(yīng)保證材料消耗少、工序數(shù)目少、模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而壽命高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單等。

（1）材料性能：制件成形材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti，具有良好的抗腐蝕性。

（2）彎曲沖孔件的形狀及尺寸：制件形狀簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)。可近似看成一個(gè)簡(jiǎn)單的條料經(jīng)多次彎曲成形。①?zèng)_孔：零件形狀簡(jiǎn)單，孔在中心線(xiàn)上，可直接沖孔成形。②彎曲：當(dāng)工件相對(duì)彎曲半徑r/t較小時(shí)，凸模圓角半徑r取值等于工件彎曲半徑；凹模圓角半徑不能過(guò)小，以免擦傷工件表面影響沖模壽命。按照材料厚度決定凹模圓角半徑，結(jié)合工件形狀，采用多次彎曲成形，以減小模具的彎曲回彈。

（3）沖裁件的尺寸精度：按工件圖要求的加工精度等級(jí)，凸模為IT8級(jí)公差，凹模為IT9級(jí)公差。

（4）尺寸標(biāo)注：分析零件的尺寸標(biāo)注情況，符合要求。

（5）送料：在送料過(guò)程中，采用中間載體可保證送料的強(qiáng)度要求。

綜上所述，該制件適合拉深及沖孔，可利用多次彎曲沖孔得到。

根據(jù)零件外形特點(diǎn)，成形過(guò)程中需采用沖孔、分刀、彎曲；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況是大批量生產(chǎn)；沖壓工件的尺寸精度、對(duì)稱(chēng)度等位置精度較高，適合于復(fù)合工序數(shù)量在三個(gè)工序以下的特點(diǎn)，因此選擇多工位級(jí)進(jìn)模沖裁成形。方案分析如下：

方案一：多套模具多次加工，即沖孔→落料→彎曲。

方案二：沖孔落料彎曲級(jí)進(jìn)模，沖孔定位→切除廢料→前角彎曲成形→切除廢料→彎曲成形，切斷。

方案三：沖孔落料彎曲級(jí)進(jìn)模，沖孔定位→切除廢料→前角彎曲成形→切除廢料→兩邊90°彎曲→90°彎曲向上成形→成形彎曲，切斷。

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)要求，方案一生產(chǎn)效率低，工件累積誤差大，需設(shè)計(jì)至少兩套模具，生產(chǎn)設(shè)備成本比較高，操作不方便。由于該零件為批量生產(chǎn)，相比較方案三和方案二更具有優(yōu)越性，方案中，彎曲成形工藝采用兩次彎曲成形，分別為前角的彎曲成形和兩邊的彎曲成形，這種方案工藝很難控制和零件的回彈值比較大，容易使模具零件加速磨損，方案三在彎曲的過(guò)程中采用三次彎曲成形的工藝，簡(jiǎn)化了模具的結(jié)構(gòu)，能夠很好地控制彎曲過(guò)程的回彈量，大大提高了零件的工藝性。

圖2 工位示意圖

2.2 成形難點(diǎn)

（1）定位精度。定位精度問(wèn)題是級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)中首先需要解決的。在條料向前輸送的過(guò)程中，由于磨損和制造誤差等原因，定位精度逐漸下降，降低模具使用壽命。因此要將定位零件進(jìn)行熱處理，提高定位零件的硬度以降低磨損程度。

（2）彎曲成形缺陷。回彈和偏移是彎曲成形工藝中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題，回彈使彎曲半徑變大，彎曲件角度變大；偏移使長(zhǎng)度方向產(chǎn)生移動(dòng)，工件兩邊不符合圖樣要求。因此，要合理計(jì)算相對(duì)彎曲半徑和模具間隙，從工藝上采取措施，用校正彎曲代替自由彎曲。對(duì)于克服偏移的措施，利用毛坯上的孔或者設(shè)計(jì)工藝孔、定位銷(xiāo)插入孔內(nèi)再?gòu)澢姑鳠o(wú)法移動(dòng)，或者采用壓料裝置，使毛坯在壓緊狀態(tài)下逐漸彎曲成形，從而防止毛坯移動(dòng)，得到較為平整的工件。

（3）少?gòu)U料排樣。為提高材料利用率，降低生產(chǎn)成本，要求凸模、凹模等工作零件的尺寸精度高，送料精度高，減少修正余量。

2.3 仿真模擬

根據(jù)工藝分析和方案制定，該零件需進(jìn)行多次彎曲成形。成形中彎曲力影響受力分布和材料流動(dòng)。為驗(yàn)證彎曲成形的可行性，設(shè)計(jì)中進(jìn)行仿真分析，通過(guò)設(shè)定 P1、P2、P3、P4、P5點(diǎn)，可模擬監(jiān)測(cè)仿真數(shù)據(jù)，如圖 3、4、5、6 所示。

由圖3可得，在彎曲成形過(guò)程中，變形主要集中在兩側(cè)邊的V形彎曲邊緣。

由圖4可得，變形主要集中在彎曲區(qū)域和底部，原因是彎曲變形區(qū)受力和凸模對(duì)零件底部的壓平；前端兩側(cè)未受力，等效應(yīng)力為0。仿真的等效應(yīng)力值為640MPa。

圖3 金屬流動(dòng)

圖4 等效應(yīng)力

圖5 等效應(yīng)變

圖6 破壞程度

由圖5可得，等效應(yīng)變主要集中在兩側(cè)邊的V形彎曲區(qū)，原因是兩側(cè)從90°彎曲成設(shè)計(jì)角度，金屬流動(dòng)變化大；從整體看，等效應(yīng)變較為集中，主要分布在V形變形邊緣。兩側(cè)分析數(shù)據(jù)得知零件等效應(yīng)變介于最大值和最小值之間，仿真等效應(yīng)變值分別為 0.0945、0.0787、0.00394、0.00138、0.000717。

由圖6可得，變形破壞主要集中在V形彎曲區(qū)。兩側(cè)分析數(shù)據(jù)得知變形破壞的值介于最大值和最小值之間，分別為 0.0605、0.071、0.00444、0.000544、0.000768。

3 排樣設(shè)計(jì)

有兩種排樣設(shè)計(jì)方案即零件的橫排和豎排。根據(jù)零件工藝特點(diǎn)，零件在兩側(cè)需進(jìn)行彎曲成形，所以確定橫排即平行于彎曲成形方向的方案。

3.1 條料設(shè)計(jì)

制件在條料上的獲取方法，根據(jù)相關(guān)帶料排樣的設(shè)計(jì)要求，有4種：①切制件留載體；②切載體留制件；③切載體也切制件；④留載體也留制件。

結(jié)合零件擬定的方案，即多步彎曲成形工藝，采用載體也切制件的方式。在下模座要讓制件有料斗或漏料通道，將它們分別排出，此法在自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)中普遍應(yīng)用。

3.2 載體的設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)資料，載體的基本類(lèi)型有雙側(cè)載體、單側(cè)載體、中間載體。本零件是對(duì)稱(chēng)零件，且在成形過(guò)程中是兩側(cè)彎曲成形，所以采用中間載體，提高生產(chǎn)效率，保證精度。

載體分段切除的原則：形狀輪廓的分割，應(yīng)有利于簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)，形成的凸模外形簡(jiǎn)單規(guī)則，便于加工，并且要有足夠的強(qiáng)度。同時(shí)應(yīng)保證產(chǎn)品零件的形狀、尺寸、精度和使用原則。

3.3 工位數(shù)的設(shè)計(jì)

工位數(shù)不是越多越好，工位數(shù)太多，將帶來(lái)一系列問(wèn)題，如不可避免的累積步距誤差、模具面積和質(zhì)量變大、模具材料費(fèi)用加大等。當(dāng)遇到復(fù)雜的制件外形或者孔之間間距太近時(shí)，要考慮沖裁凸模、凹模的強(qiáng)度和模具加工等問(wèn)題。

適當(dāng)設(shè)計(jì)空工位，當(dāng)條料送至此工位時(shí)，不做任何加工，隨條料送進(jìn)再進(jìn)入下一工位，其目的：①保護(hù)凹模、卸料板、凸模固定板有足夠的強(qiáng)度，確保模具使用壽命；②便于在模具中設(shè)置特殊結(jié)構(gòu)；③必要的儲(chǔ)備工位。

3.4 材料利用率

通過(guò)UG級(jí)進(jìn)模向?qū)В?jì)算本排樣設(shè)計(jì)的材料利用率79.22%，符合工藝和成本要求。

本排樣采用橫排（圖7），主要基于條料兩側(cè)需彎曲成形，橫排有利于模具結(jié)構(gòu)，降低模具成本。若采用豎排，則與條料的成形角度發(fā)生干涉，影響模具和零件制造。

圖7 排樣示意圖

4 模具結(jié)構(gòu)

該級(jí)進(jìn)模沖裁、彎曲精度高。凸模和凹模采用簡(jiǎn)單高效的凸肩固定。第一個(gè)工位的沖裁采用初始擋料銷(xiāo)定位，條料的浮動(dòng)采用浮動(dòng)送料裝置，即采用浮動(dòng)導(dǎo)料桿，沖裁過(guò)程中采用彈性卸料板。模具結(jié)構(gòu)如圖8所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)合理布置零件的成形工序，并利用仿真進(jìn)行輔助排樣設(shè)計(jì)，以此設(shè)計(jì)出可行的模具結(jié)構(gòu)。模具精度高，效率好，可為同類(lèi)零件模具設(shè)計(jì)提供參考。

圖8 模具裝配圖

[1] 孫偉杰.基于數(shù)值模擬的升降器模具設(shè)計(jì)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48（4）.

[2] 孫志輝.基于數(shù)值模擬的支撐板成形工藝分析及模具設(shè)計(jì)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48（4）.

[3] 史 翔.模具CAD/CAM技術(shù)及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[4] 張鼎承.沖壓機(jī)械化與自動(dòng)化.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[5] 許發(fā)樾.模具標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

[6] 吳樹(shù)森，柳玉起.材料成型原理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[7] 丁松聚.冷沖模設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[9] 孫立君，阮 鋒.預(yù)沖工藝孔的板料沖壓成形性分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2007，42（6）.