CAE技術在伺服壓機工藝曲線設計中的應用

文/張航偉·東風本田汽車有限公司

CAE技術在伺服壓機工藝曲線設計中的應用

文/張航偉·東風本田汽車有限公司

張航偉，工程師，主要從事沖壓品質管理和沖壓工藝方面的工作，曾獲東風公司青年科技成果優秀獎一次，東風公司青年自主創新改善優秀獎一次，擁有實用新型專利2項。

沖壓成形是制造業中最主要的加工方法，近幾年，隨著大功率交流伺服電機和變頻技術的發展與應用；伺服沖壓機在沖壓行業中的應用也變得越來越廣泛。伺服壓機工藝曲線的設計對沖壓產品的品質影響也越來越受到關注。

沖壓行業對設備的依賴程度很高，各種沖壓機械的更新換代也是日新月異，隨著自動化的推進，人們希望沖壓設備能根據自己的意愿進行運轉。雖然目前沖壓設備還不能隨心所欲的達到我們的要求，但沖壓機械的發展還是逐步向著我們的目標一點點的前進。

1978年，伺服電機的問世，使得沖壓機械逐步走向伺服時代。20世紀90年代，伺服技術變得成熟，作為第三代沖壓設備的伺服沖壓機開始被廣泛應用，不同于普通機械壓力機，伺服壓機的工藝曲線設計對沖壓產品的品質尤為重要。圖1為伺服壓力機沖壓生產線。

圖1 伺服壓力機沖壓生產線

沖壓成形特點

沖壓工藝

沖壓加工是借助于常規或專用的沖壓設備，使板料在模具里直接受到變形力，從而獲得一定形狀、尺寸和性能的產品的生產技術。沖壓工藝按照基本的變形方式分為拉延、沖裁、翻邊等.因此，不同的沖壓工藝對工藝曲線的要求不同，如拉延需要的工藝曲線滑塊速度應該低于材料塑性變形所能承受的極限速度，否則，產品有開裂風險。

拉延的工藝特點

拉延是將平板坯料拉伸成具有一定形狀空心零件的工序。一般是沖壓工藝的首道工序，對沖壓產品的品質起決定性作用，拉延工序經常出現的缺陷有開裂、暗裂、起皺、回彈等，其中，回彈問題一直困擾著各個廠家的技術人員。

拉延的運動特性

拉延過程中，沖壓速度可以表現為板料的應變速率，壓機工作速度的變化導致應變速率的變化；當沖壓速度不大時，由應變速率增大引起的塑性下降將大于溫度效應引起的塑性增加，所以，板料塑性隨壓機速度增大而減小；當沖壓速度增加時，溫度效應開始顯著，板料塑性增加與應變速率引起的塑性下降相等，所以，此時板料加工硬化不顯著。當沖壓速度進一步增加時，溫度效應引起的塑性增加將超過應變速率增加引起的塑性下降，使板料塑性回升；當速度增加到一定程度，板料塑性急速下降，板料達到極限抗拉強度，有破裂趨勢。因此，板料在成形過程中，壓機在拉延加工過程中，壓機速率的變化對產品品質起相當重要的作用。

伺服工藝曲線

伺服曲線分類

伺服沖壓機在拉延工序可以根據需要獲取多種加工工藝曲線。工藝曲線1（圖2）的特點是在拉延過程中保障產品能順利脫模，防止被拉傷，保障產品品質，此曲線應用于各類汽車覆蓋件，鋁鎂合金等產品。成形曲線2（圖3）應用于汽車內板件中高強度板件拉延，特點是有足夠的保壓時間保證產品成形，減小產品回彈。成形曲線3（圖4）適用于各類超高強度鋼板的拉延，主要特點是消除回彈，保障產品精度。另外，根據不同的需要可以訂制相應工藝曲線的沖壓設備進行加工。

汽車外觀件加工曲線

汽車外觀件一般為抗拉強度小于340MPa的薄鋼板。此種鋼板的回彈量較小，因此，在拉延曲線的選擇上一般選用工藝曲線1，在設備采購時訂制工藝曲線1的設備。

圖2 成形工藝曲線1

圖3 成形曲線2

圖4 成形曲線3

關鍵點確認及曲線生成

拉延工藝曲線的種類確認后，為了得到完整的工藝曲線，工程師們必須將工藝曲線的主要節點確定。

CAE分析確定產品拉延狀態

根據不同產品的特點，沖壓工藝曲線關鍵節點也不同，我們可以通過CAE分析手段確定產品的受力狀態和拉延變形過程；圖5是某車型底板零件的AUTOFORM分析結果。

拉延成形過程分析如圖6所示，首先伺服壓機在上下模接觸時開始減速，根據模具閉合高度和壓機開口高度確定第一個關鍵點。然后根據CAE分析的結果（圖5中），在受力極具變化的受力拐點進行再次減速；在變形過程中，如果產品在某個節點速度變化過大，有開裂趨勢，必須在此節點前進行減速，根據拉延工藝速率的變化特點，壓機速率降低使塑性和加工硬化達到平衡，防止產品開裂。因此，關鍵點的確定要充分考慮風險點和受力拐點，選擇兩者中的先行點。最后，模具行程下死點設置成為回程關鍵點，從此點開始快速回程。

圖5 拉延受力過程

圖6 拉延成形過程分析

根據實際產品狀態微調工藝曲線

根據CAE分析計算結果設置的工藝曲線存在以下假設，這是因為AUTOFORM計算的前提是存在假設條件的。假設1：模具型面完全與DL圖相同；假設2：模具和材料之間的摩擦系數固定；假設3：材料為各向同性；假設4：材料性能在材料每個區域都相同。

因此，AUTOFORM計算以及根據此計算模擬出的工藝曲線不是100%與實際相同的，根據AUTOFORM的理論計算精度，我們可以認為此種方法模擬出的工藝曲線與實際狀態的相同度為85%以上；為了使工藝曲線完全與實際狀態相同，我們需要根據現場實際情況對工藝曲線進行微調，調試方法如圖7所示。

圖7 調試切片提取

首先根據模擬出的工藝曲線預設產品的工藝曲線；然后根據預設的工藝曲線進行拉延操作，觀察產品品質狀態，產品品質狀態良好則不需要再進行調整，如果產品出現開裂、暗裂和起皺等缺陷，則可以在調試中從模具閉合開始取幾個高度作為數據采集點，然后分別讓滑塊下壓至此高度，根據產品的實際狀態確定調整關鍵點，如果產品在某高度開裂，則關鍵點上移，產品起皺則下移。

結束語

根據CAE分析的方法確定工藝曲線在實際操作中能快速的確定伺服壓機拉延工序所需要的工藝曲線，節省了大量的調試時間，在伺服壓機的工藝曲線調整時不至于盲目，使工藝曲線的設計有法可依。