汽車覆蓋件多工位級進模排樣設計及數值模擬

徐月+段磊+焦雷魁

摘 要：排樣設計是多工位級進模設計最重要的環節。本文對汽車洗滌液壺安裝支架零件的成形工藝性進行了分析，利用板料一步逆成形模擬方法得到了該零件的坯料展開圖，并制定了兩種級進模排樣設計方案。采用多工位全工序數值模擬方法驗證了兩種排樣工藝設計的可行性和合理性。兩種排樣工藝設計的對比分析為同類零件的級進模生產提供重要的參考價值。

關鍵詞：安裝支架； 多工位級進模； 排樣設計； 數值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.005

級進模作為一種高效、精密、長壽命的沖壓模具，廣泛應用于汽車、航空航天、電氣電子等零部件的生產制造。由于級進模是由多個工位組成，在一套模具上同時完成多個不同的沖壓工序，制件成形質量、精度均要求高，因而，級進模模具結構復雜，設計制造難度大。

隨著CAE有限元分析技術的飛速發展，利用板料沖壓成形數值模擬軟件可對制件的成形過程進行仿真和優化，從而提高模具設計質量，縮短模具開發周期，降低模具開發成本。

本文以汽車洗滌液壺安裝支架為研究對象，首先在CAD設計軟件UG中設計該制件的級進模排樣工藝，然后利用CAE分析軟件Autoform對設計好的排樣工藝進行多工位全工序的成形數值模擬，以驗證排樣工藝設計的可行性和合理性，為該制件的級進模設計和制造提供重要參考。

1 零件工藝分析

汽車洗滌液壺安裝支架零件如圖1所示，材料牌號為B170P1，料厚為1.2mm，大批量生產。觀察零件結構可知，該制件沿兩孔的中心線兩側對稱，成形需要通過落料、壓型、整形、沖孔等工序來完成，并且該制件對沖孔、落料的尺寸精度要求較高。考慮到節約生產設備和模具，提高生產效率和經濟效益，故采用級進模制造該零件。

2 排樣設計

排樣設計是級進模設計最重要的環節，排樣設計的優劣直接影響級進模沖壓過程的流暢性、穩定性、生產效率、制件質量及模具壽命。在進行支架零件排樣設計之前，首先要根據制件的成形特征確定坯料的展開構形。該制件主要的成形工序為兩側的壓型，利用Autform軟件中的一步逆成形模擬方法將制件直接展開到料帶的基準面上，得到坯料展開如圖2所示。依據工程經驗對該制件設計了兩種排樣方案，均為9工序單列直排。

排樣方案一如圖3所示，采用雙側載體+中間載體搭邊，料帶寬度為170mm，步距為184mm，設計工序分別為：①沖3-?10定位孔②沖異形孔③沖異型孔④沖異型孔⑤上下兩側壓型⑥上下兩側整形⑦沖2-?7安裝孔⑧分離制件⑨載體切斷。

排樣方案二如圖4所示，采用雙側載體搭邊，料帶寬度為194mm，步距為138mm，設計工序分別為：①沖2-?10定位孔②沖異形孔③沖異型孔④沖異型孔⑤左右兩側壓型⑥左右兩側整形⑦沖2-?7安裝孔⑧分離制件⑨載體切斷。

3 排樣數值模擬

針對上述兩種排樣方案，為了提前驗證方案中各工序的成形質量，以判斷各工序設計的合理性，本文利用Autoform軟件數值模擬分析兩種方案中沖孔、壓型等主要工序的成形性能，并通過模擬制件的成形過程判斷工藝方案是否需要進一步改進。

由于級進模成形由多個成形工位組成，可以采用的數值模擬方法有單工位多工序模擬法和多工位單工序模擬法。為了詳細分析各工序的成形情況，本文采用多工位單工序模擬法建立了兩種方案的全工序有限元模型，如圖5、圖6所示。按照實際級進模沖壓加工定義各個工序凸模、凹模和壓邊圈的位置及運動關系，定義板料沿送料方向按步距移動。

根據實際生產只需對壓型過程進行模擬即可。圖7、圖8是兩種排樣方案壓型后的成形極限圖。從圖中可以看出，支架零件形狀通過壓型工序是可以完全成形出來的，且不存在質量缺陷。因此，可以認為兩種排樣方案設計的沖孔、壓型、整形等各工序是合理可行的。

4 排樣比較

計算上述兩種排樣方案的利用率，方案一的材料利用率為62.8%，方案二的材料利用率為73.3%，方案二的材料利用率較高。但從模具實際生產過程來看，方案二的板料沿送料方向移動時需要托起的行程較大，模具結構復雜，制造難度大。而方案一的板料沿送料方向移動時不需要托起，模具結構簡單，且送料速度要比方案二快，生產效率高，模具制造成本低。

5 結束語

本文以汽車洗滌液壺安裝支架零件為例，利用板料一步逆成形模擬方法得到了該零件的坯料展開圖，并制定了兩種級進模排樣設計方案。采用多工位全工序數值模擬方法驗證了兩種排樣工藝設計的可行性和合理性。通過對比分析兩種排樣方案，方案二的材料利用率較高，但模具結構復雜，制造成本高，生產效率低。如果僅從節省材料的角度上考慮則采用方案二較為合適。如果從簡化模具結構，降低制造成本，提高生產效率的角度上考慮則采用方案一較為合適。

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基金項目：天津職業技術師范大學國家級大學生創新創業訓練計劃資助項目（201510066028）；天津市教育委員會優秀青年教師資助計劃項目（RC14-16）；天津職業技術師范大學科研發展基金項目（KJ15-01）；天津市應用基礎與前沿技術研究計劃項目（15JCQNJC05000）。

作者簡介：徐月（1993-），女，湖北襄陽人，機械制造工藝教育專業在校本科生。

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