多工位級(jí)進(jìn)沖壓成形聯(lián)動(dòng)數(shù)值模擬

黃昭明, 趙恒文, 潘金元, 陳偉國(guó)

(1.河海大學(xué)文天學(xué)院 機(jī)械工程系， 安徽 馬鞍山 243031；2.奇瑞汽車(chē)股份有限公司 汽車(chē)工程技術(shù)研發(fā)總院， 安徽 蕪湖 241006)

以有限元法為基礎(chǔ)的板料成形過(guò)程計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，為模具設(shè)計(jì)、工藝過(guò)程設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)優(yōu)化提供了科學(xué)的新途徑，該技術(shù)已是解決板料復(fù)雜成形過(guò)程設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)的最有效手段.近年來(lái)，對(duì)于多工位級(jí)進(jìn)沖壓成形仿真，通常是采用單工序法[1-3]，即單工位非聯(lián)動(dòng)模擬，對(duì)成形中各個(gè)工位分別建立模具的有限元網(wǎng)格模型，用于各工序成形工藝優(yōu)化進(jìn)行了大量研究，主要是針對(duì)落料、預(yù)彎、拉延、修邊、沖孔、翻邊以及整形工位中出現(xiàn)的成形性問(wèn)題，結(jié)果表明合理的沖壓方向、工藝補(bǔ)充、壓料面形狀、工藝切口及回彈補(bǔ)償?shù)裙に嚳梢杂行Ц纳破錄_壓成形質(zhì)量[4-8].對(duì)于應(yīng)用多工位全工序法[9-11]模擬板料從重力作用開(kāi)始至零件最終成型的整個(gè)過(guò)程也有相關(guān)報(bào)道，結(jié)果表明該方法更接近于實(shí)際生產(chǎn)，但此方法的實(shí)質(zhì)仍為單工位非聯(lián)動(dòng)模擬，無(wú)法真實(shí)、形象地揭示條料被逐步送入模具后的真實(shí)成形過(guò)程.

轎車(chē)車(chē)身鈑金件主要起連接、加強(qiáng)及支撐等作用，通常具有較復(fù)雜的形狀.鑒于單工位非聯(lián)動(dòng)模擬方法對(duì)復(fù)雜制件進(jìn)行成形分析帶來(lái)的傳遞問(wèn)題，而導(dǎo)致難以進(jìn)行工藝優(yōu)化調(diào)整的不利局面，本文以某轎車(chē)加強(qiáng)板為例，以CAE仿真軟件AutoForm為平臺(tái)結(jié)合CAD建模軟件CATIA[12]，應(yīng)用多工位聯(lián)動(dòng)模擬方式、增量法模擬類(lèi)型，研究其成形工藝方案優(yōu)化問(wèn)題，旨在更真實(shí)、形象地揭示板料在級(jí)進(jìn)模中的成形過(guò)程與制件的工藝方案規(guī)劃效果.

1 多工位聯(lián)動(dòng)數(shù)值模擬及模擬流程

單工位非聯(lián)動(dòng)模擬方式通過(guò)考察單個(gè)步距內(nèi)料片在級(jí)進(jìn)模各工位的模具體內(nèi)依次進(jìn)行的成形過(guò)程，進(jìn)而評(píng)價(jià)整個(gè)級(jí)進(jìn)模的性能.在AutoForm的操作方法及表現(xiàn)形式上，類(lèi)似于非級(jí)進(jìn)模的模擬過(guò)程，即將級(jí)進(jìn)模按工位設(shè)置拆分相應(yīng)的工序，再依照一般零件的模擬方法進(jìn)行分析.多工位聯(lián)動(dòng)模擬方式采用數(shù)個(gè)步距長(zhǎng)的料片作為分析對(duì)象，料片從生產(chǎn)起步開(kāi)始被逐步送入模具進(jìn)行成形，相對(duì)于單工位非聯(lián)動(dòng)模擬方式，多工位聯(lián)動(dòng)模擬方式能夠更真實(shí)形象地揭示級(jí)進(jìn)模的成形過(guò)程.

有限元法分析思路是把整個(gè)受力結(jié)構(gòu)劃分成有限多個(gè)小的力學(xué)單元，互相連接而成的集合體能提供整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，其計(jì)算過(guò)程和計(jì)算結(jié)果都是一組離散的數(shù)值.由于聯(lián)動(dòng)與非聯(lián)動(dòng)模擬的受力區(qū)域面積不同，在力學(xué)單元?jiǎng)澐志认嗤瑫r(shí)，其計(jì)算量大大增加.在借助高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解的同時(shí)，板料成形多工位聯(lián)動(dòng)模擬分析流程尤為重要，其分析流程如圖1所示.該流程主要包含建立計(jì)算模型、求解和分析計(jì)算結(jié)果3個(gè)基本部分.多工位級(jí)進(jìn)模聯(lián)動(dòng)模擬步驟設(shè)置如下：

圖1 多工位聯(lián)動(dòng)模擬過(guò)程分析流程Fig.1 Analysis process of multi-station linkage simulation

1)在CAD軟件中根據(jù)擬定的成形工藝方案建立板料、對(duì)應(yīng)的凸模和凹模的型面模型以及壓邊圈等模具的型面模型，然后存為IGS等文件格式，并導(dǎo)入AutoForm系統(tǒng).

2)利用AutoForm軟件提供的網(wǎng)格劃分工具對(duì)板料、凸模、凹模、壓邊圈進(jìn)行網(wǎng)格的自動(dòng)劃分，自動(dòng)檢查并修正網(wǎng)格缺陷.

3)定義板料及模具的屬性及相應(yīng)的工藝參數(shù)，完成第一工位的有限元模型，然后以繼承與添加方式逐步定義至所有工序的有限元模型.

4)通過(guò)AutoForm進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢查，若出現(xiàn)模具仿真運(yùn)動(dòng)不符合實(shí)際沖壓位置或運(yùn)動(dòng)過(guò)程等情況，需要進(jìn)行問(wèn)題排查，直至通過(guò)檢查后提交計(jì)算，并分析以云圖、等值線(xiàn)和動(dòng)畫(huà)等形式顯示的數(shù)值模擬結(jié)果.通過(guò)反映的變化規(guī)律找到問(wèn)題的所在，重新定義工具的形狀、運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)，以及進(jìn)一步設(shè)置毛坯尺寸，變化壓邊力的大小，調(diào)整工具移動(dòng)速度和位移等，重新運(yùn)算至制件成形最大厚度與最大減薄率符合產(chǎn)品要求.

2 加強(qiáng)板成形工藝分析

圖2為加強(qiáng)板三維CATIA數(shù)模，該制件的主要成形工藝為成形、翻邊和沖孔.考慮沖壓的形狀、立體成形沖壓件展開(kāi)毛坯的形狀、料厚及沖壓工藝工步要求，采用雙件中間載體式排樣，在入模帶料的中間設(shè)置載體，攜帶工件送進(jìn).以連續(xù)沖壓工藝工步設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，以確保沖壓件質(zhì)量及其尺寸與形位精度為核心，以沖壓工步順序安排和工位間的送進(jìn)方式選擇為先導(dǎo)，以沖模選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為目的，設(shè)計(jì)了9工位加強(qiáng)板雙件中間載體式CATIA三維排樣，如圖3所示.排樣的9個(gè)工位分別為：第1、2、3工位OP05、OP10、OP20為落料；第4工位OP30為翻邊和修邊；第5工位OP40為成形；第6工位OP50為成形；第7工位OP60為翻邊和沖孔；第8工位OP70為沖孔；第9工位OP80為切斷.

圖2 加強(qiáng)板三維CATIA數(shù)模Fig.2 Three dimensional CATIA modulus of reinforced plate

圖3 雙件中間載體式CATIA三維排樣設(shè)計(jì)Fig.3 3D Layout design of two-piece intermediate carrier

3 多工位聯(lián)動(dòng)數(shù)值模擬

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1)為確保沖壓穩(wěn)定性，按照實(shí)際模具在壓機(jī)里的擺放位置，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)定義沖壓坐標(biāo)中心為9工位料帶的第5工位定位銷(xiāo)中心，并按料帶送進(jìn)方向?yàn)閄坐標(biāo)，沖壓方向?yàn)閆坐標(biāo)定義坐標(biāo)方向制作工藝數(shù)模，避免從工藝數(shù)模導(dǎo)入AutoForm中再進(jìn)行坐標(biāo)變換而產(chǎn)生不可預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題.

2)進(jìn)料側(cè)設(shè)置托料裝置如圖4所示，模擬卷料開(kāi)卷后放入多工位級(jí)進(jìn)模生產(chǎn)的過(guò)程；所有切邊線(xiàn)應(yīng)該設(shè)計(jì)成封閉曲線(xiàn)，避免導(dǎo)入AutoForm后無(wú)法識(shí)別而終止工作.

圖4 進(jìn)料側(cè)托料裝置的設(shè)置Fig.4 Setting of supporting device at feeding side

3)將所有的切邊線(xiàn)逐個(gè)以IGS文件格式導(dǎo)出；制件初始料片的長(zhǎng)度按照公式“進(jìn)料步距×(工位數(shù)+1)”設(shè)置為3 750.00 mm；以IGS文件格式導(dǎo)出料片輪廓線(xiàn)；標(biāo)注各個(gè)工位導(dǎo)正/定位銷(xiāo)中心點(diǎn)的坐標(biāo)，以便于后期定義各工位模具有限元模型時(shí)備用.開(kāi)啟AutoForm，新建sim文件，導(dǎo)入CATIA模型文件，用殼單元自動(dòng)劃分成容錯(cuò)公差為0.1 mm、最大邊長(zhǎng)為50 mm的網(wǎng)格；生成CATIA模型的邊界線(xiàn)與孔位；定義模擬類(lèi)型為增量法、單動(dòng)拉延、凹模側(cè)參考模型；導(dǎo)入料片輪廓.材料DC04信息由AutoForm材料庫(kù)導(dǎo)入，材料采用的是彈塑性本構(gòu)關(guān)系模型，具體性能參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 DC04材料力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Mechanical properties of DC04 material

3.2 關(guān)鍵工位工藝過(guò)程

1)OP05工位，沖2個(gè)定位孔并切2處邊，定義OP05工位的模具與工步過(guò)程.OP05模具的位置與工步過(guò)程如圖5所示.OP05落料工步由重力Gravity、第1次閉合Closing1、第2次閉合Closing2和切邊Cutting共4個(gè)動(dòng)作完成.料片Blank在重力動(dòng)作下作用于托料板Lifter上；壓料板Pad向下運(yùn)動(dòng)50壓住料片，完成第1次閉合動(dòng)作；然后壓料板、料片和托料板一起向下運(yùn)動(dòng)150與凸模Punch接觸，完成第2次閉合動(dòng)作，并由2D模具切邊完成切邊動(dòng)作.

2)OP05～OP10工位，切兩處邊，復(fù)制OP05的工位內(nèi)容，OP10工步過(guò)程設(shè)置與OP05相同.添加2個(gè)定位銷(xiāo)1和2，并按CATIA模型中的定位孔位置精確設(shè)置其坐標(biāo)位置，定位銷(xiāo)直徑為12mm、高度為坐標(biāo)點(diǎn)上方40mm.OP10模具和OP05相同，移位工步在開(kāi)始位置只添加1次，后續(xù)會(huì)被自動(dòng)復(fù)制，再增加OP10切邊工步.

3)OP05～OP30工位，翻4處邊并切2處邊，復(fù)制OP05～OP20工位內(nèi)容，在OP05～OP20的基礎(chǔ)上增加OP30工位的部分，再增加向下和向下翻邊塊Steel1、Steel2，增加OP30定位銷(xiāo)4，增加向下和向上翻邊兩個(gè)工步以及修邊.OP05～OP30模具工步過(guò)程設(shè)置如圖6所示.OP30翻邊和修邊工步由換位Positioning、第1次閉合Closing1、第2次閉合Closing2、第1次翻邊Forming1、第2次翻邊Forming2、第1次切邊Cutting1、第2次切邊Cutting2共7個(gè)動(dòng)作完成.前3個(gè)動(dòng)作與OP05相同.完成第2次閉合動(dòng)作后，翻邊塊Steel1向下運(yùn)行完成2處翻邊；接著翻邊塊Steel2向下運(yùn)行完成2處翻邊；然后2D模具切邊完成2次切邊動(dòng)作Cutting1與Cutting2.

圖5 OP05模具工步過(guò)程設(shè)置Fig.5 Step process setting of OP05 mould

圖6 OP05～OP30模具工步過(guò)程設(shè)置Fig.6 Step process setting of OP05 to OP30 mould

4)OP05～OP80工位，將制件從載體系帶上切斷，復(fù)制OP05～OP70工位內(nèi)容、增加OP80模具、工步過(guò)程、定位/導(dǎo)向銷(xiāo)，保存；在OP05～OP70的基礎(chǔ)上增加OP80工位的部分，增加OP70定位銷(xiāo)9，增加切斷工步，OP05～OP80的工具有限元模型如圖7所示.至此，多工位聯(lián)動(dòng)模擬過(guò)程的前處理工作全部完成.

圖7 OP05～OP80模具有限元模型Fig.7 Finite element model of OP05 to OP80 mould

3.3 求解運(yùn)算與分析

多工位聯(lián)動(dòng)模擬過(guò)程的前處理工作完成后，需通過(guò)AutoForm運(yùn)行菜單進(jìn)行檢查，若出現(xiàn)模具仿真運(yùn)動(dòng)不符合實(shí)際沖壓位置或運(yùn)動(dòng)過(guò)程等情況需要進(jìn)行問(wèn)題排查，直至通過(guò)檢查才可提交運(yùn)算.從落料到切斷工位的模擬結(jié)果如圖8所示.應(yīng)用色帶圖可以直觀地顯示制件的成形性問(wèn)題.成形性問(wèn)題的具體量化可以用制件減薄率分析輔助成形極限圖FLD來(lái)確定，如圖9所示.

圖8 OP05～OP80工位的聯(lián)動(dòng)模擬結(jié)果Fig.8 Linkage numerical simulation results from OP05 to OP80 stations

圖9 制件的減薄率分析及成形極限圖Fig.9 Thinning rate analysis and forming limit diagram of part

通過(guò)圖8(i)底部顏色條可以看出料帶上OP40～OP80的成形性情況.由圖9可以看出，制件最大減薄率為-0.193，即制件最薄處為1.007mm，制件未開(kāi)裂；起皺情況也在可接受的范圍內(nèi)，切斷后的零件外側(cè)翻邊處及零件與載體的連接端局部成形不足，此現(xiàn)象是由OP30工位至OP40工位成形卸載后的回彈現(xiàn)象所致，且該現(xiàn)象在OP70工位中未被消除，而被逐步帶入OP80切斷工位.顯然，通過(guò)分析多工位聯(lián)動(dòng)模擬可以揭示板料在級(jí)進(jìn)模中的成形過(guò)程與制件的工藝方案連線(xiàn)情況，可用于指導(dǎo)多工位單動(dòng)模擬工藝方案的進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整.對(duì)多工位單動(dòng)模擬工藝優(yōu)化提出的調(diào)整方案為：通過(guò)回彈補(bǔ)償OP30翻邊和修邊工位來(lái)消除OP40成形工位的回彈現(xiàn)象，即在OP40成形工位中借助CAE軟件計(jì)算回彈量，反向修正OP30翻邊和修邊模具來(lái)完成整形前模具的型面，型面修正后的模具對(duì)OP30翻邊和修邊工位后的制件成形能夠補(bǔ)償OP40成形工位的回彈量.

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)加強(qiáng)板成形工藝分析，獲得了合理的9工位排樣設(shè)計(jì)圖，建立了9工位聯(lián)動(dòng)模擬工具有限元模型，并進(jìn)行求解獲得了OP05～OP80的模擬結(jié)果.OP80切斷模擬結(jié)果與成形極限圖FLD顯示制件未開(kāi)裂，切斷后的零件外側(cè)翻邊處及零件與載體連接端成形不足.由此可知OP80的多工位聯(lián)動(dòng)模擬結(jié)果可以揭示板料在級(jí)進(jìn)模中的成形過(guò)程與制件的工藝方案規(guī)劃效果，可用于指導(dǎo)多工位單動(dòng)模擬工藝方案的進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整.

[1]李軒穎,徐雪峰,付春林，等. 某型飛機(jī)鈦合金鈑金件熱沖壓成形工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 塑性工程學(xué)報(bào),2017,24(1):92-97.

[2]周均,王勇. 基于AutoForm軟件的沖壓成形工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 兵器材料科學(xué)與工程,2017,40(1):73-76.

[3]王樹(shù)博. 基于CAE技術(shù)的多工位薄板沖壓成形數(shù)值模擬工藝研究[D]. 長(zhǎng)沙：湖南大學(xué),2016.

[4] SOLFRONK P, SOBOTKA J. Utilization of forming tool with variable blank holder force for drawing of Al alloys[J]. Physics Procedia, 2011, 22: 23-38.

[5] ROBERT H W, HOJUN L I M. Advanced issues in springback[J]. International Journal of Plasticity, 2013, 45:3-20.

[6]黃昭明,王利,劉小飛，等. 基于AutoForm多工位連續(xù)沖壓成形數(shù)值模擬[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,38(2):157-160.

[7]劉慶東,夏琴香. 某汽車(chē)結(jié)構(gòu)件多工位連續(xù)沖壓傳送模設(shè)計(jì)[J]. 鍛壓技術(shù),2016,41(10):126-131.

[8]孫佳楠,呂永鋒,范建蓓. 基于ANSYS LS-DYNA的連續(xù)正反拉深成形有限元模擬研究[J]. 機(jī)電工程,2016,33(2):183-186.

[9]劉輝,江莉,何歡歡. 某汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板沖壓成形數(shù)值模擬及試驗(yàn)[J]. 鍛壓技術(shù),2017,42(2):56-59.

[10]杜國(guó)康. 汽車(chē)覆蓋件成形全工序仿真技術(shù)研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué),2013.

[11]夏琴香,魏光明,葉福源，等. 多工位級(jí)進(jìn)沖壓全工序數(shù)值模擬關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,40(7):62-66，72.

[12]涂小文. AutoForm原理技巧與戰(zhàn)例[M]. 武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社,2013.