基于數(shù)值模擬的支架成形工藝與排樣設(shè)計*

李耀輝,李晴雨,劉英杰

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215014；2.蘇州博贏精密模具有限公司，江蘇 蘇州 215101)

0 引言

汽車工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，也是體現(xiàn)一個國家綜合實力的象征。隨著汽車制造業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車模具的市場需求日益旺盛。汽車模具種類較多，其中沖壓模和注塑模是應(yīng)用較多的兩類模具，而汽車覆蓋件和內(nèi)部結(jié)構(gòu)制件大約有60%以上都是通過沖壓加工生產(chǎn)出來的[1-2]。汽車沖壓模具是汽車生產(chǎn)的重要工藝裝備，其設(shè)計與制造時間約占整個車型開發(fā)周期的2/3，因此，將CAD/CAE/CAPP/CAM等技術(shù)應(yīng)用于汽車沖壓模具的設(shè)計與制造中，對于縮短模具開發(fā)周期，提高沖壓成形精度、降低沖壓成形風(fēng)險等具有重要的意義[3]。

目前市場上較流行的板料成形模擬軟件主要有美國的Dynaform、法國ESI集團(tuán)的PAM-STAMP系列軟件以及德國的AutoForm軟件等[4]。本文采用目前沖壓成形領(lǐng)域尤其是汽車行業(yè)應(yīng)用較多的CAE分析軟件——AutoForm軟件對翼子板支架進(jìn)行沖壓成形分析模擬，并根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果進(jìn)行沖壓排樣工藝設(shè)計。

1 翼子板下支架零件工藝分析

翼子板下支架(以下簡稱支架)材料為冷軋鋼SCG1+Z(寶鋼鍍鋅鋼板)，零件厚度為1.2 mm,年產(chǎn)量為30萬件，產(chǎn)品不允許有起皺、破裂等影響產(chǎn)品質(zhì)量的缺陷。支架零件圖如圖1所示，支架3D結(jié)構(gòu)如圖2所示。

SCG1+Z屬于冷軋鍍鋅鋼板，具有良好的耐腐性和沖壓成形性能。該零件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，但沒有尖角，屬于薄板件；形狀較規(guī)則，適合沖壓成形加工。分析零件圖可知其主要包含落料、沖孔、翻邊和整形等沖壓工序,無法通過一道沖壓工序完成,確定采用沖孔-落料-翻邊-成形-切斷的級進(jìn)沖壓工藝方案[5]。

圖1 支架零件圖

圖2 支架3D結(jié)構(gòu)

2 沖壓成形仿真分析

2.1 沖壓方向的確定

沖壓方向不僅是獲得理想沖壓件的保證，而且將對后續(xù)沖壓工序的安排和沖壓生產(chǎn)的順利進(jìn)行產(chǎn)生重要影響。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不對稱，為改善沖壓工藝性，采用對稱成形再切開的成形方案。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式，選擇Z軸為沖壓方向，產(chǎn)品沖壓負(fù)角檢查結(jié)果如圖3所示。由圖3可看出，沖壓中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上不存在小于90°的沖壓負(fù)角，因此，沖壓成形方向選擇較為合理。

2.2 成形極限分析

通過AutoForm軟件“模擬分析”模塊中的[formability]進(jìn)行產(chǎn)品的可成形性分析，成形極限(FLD)圖及模型云圖如圖4和圖5所示。圖4中，“Safe”區(qū)為安全區(qū)，表示成形性比較充分，占整個零件的9.99%；“Thickening”區(qū)表示增厚起皺，占整個零件的12.19%；Splits”區(qū)表示開裂，顯示為0%；大部分區(qū)域為“Insuff Stretch”，表示成形不充分。

圖3 沖壓負(fù)角檢查

圖4 成形極限圖(FLD)

圖5 模型云圖

根據(jù)上述分析結(jié)果可知，該產(chǎn)品成形過程中不存在開裂風(fēng)險，對于圓角處加強(qiáng)筋及側(cè)面翻邊圓角處的局部起皺，可考慮增加工藝補(bǔ)充面，通過壓邊裝置進(jìn)行控制；對于成形不充分部分可考慮增加整形工序加以改善。

2.3 破裂缺陷分析

通過AutoForm軟件“模擬分析”模塊中的[MAX Failure]進(jìn)行最大線性失效分析。理論模擬分析中，一般規(guī)定MAX Failure≤0.8即為安全條件。該產(chǎn)品的最大線性失效分析結(jié)果如圖6所示，支架零件沖壓成形中的最大線性失效值為0.8，表示產(chǎn)品成形中沒有開裂風(fēng)險。

2.4 變薄率檢查

通過AutoForm軟件“模擬分析”模塊中的[thinning]進(jìn)行變薄率分析，該產(chǎn)品的變薄率分析結(jié)果如圖7所示。根據(jù)企業(yè)經(jīng)驗值，變薄率范圍一般為-0.25～0.03。由圖7可看出，產(chǎn)品最大減薄率為-0.02，全部在安全范圍內(nèi)；支架側(cè)面翻邊部位有部分區(qū)域最大增厚率為0.02，表示這些部分出現(xiàn)一定的變厚現(xiàn)象，但仍在極限范圍內(nèi)，后續(xù)可增加工藝補(bǔ)充面，通過壓邊裝置進(jìn)行控制。所以產(chǎn)品均在安全成形范圍內(nèi)。

圖6 線性失效分析結(jié)果

圖7 變薄率檢查結(jié)果

2.5 起皺檢查

通過AutoForm軟件“模擬分析”模塊中的[wrinkling]進(jìn)行產(chǎn)品成形過程中的起皺分析。根據(jù)企業(yè)經(jīng)驗，該值一般為-0.02～0.02。產(chǎn)品的起皺分析結(jié)果如圖8所示，支架零件側(cè)面圓角處局部值為0.03，表示這些部位可能會出現(xiàn)起皺，可在后續(xù)工藝設(shè)計中增加工藝補(bǔ)充面，采用壓邊裝置控制起皺現(xiàn)象。

圖8 起皺檢查結(jié)果

綜上分析，該零件的沖壓成形工藝性良好，適合沖壓加工。

3 沖壓排樣設(shè)計

3.1 排樣工藝設(shè)計

由于該零件的形狀較復(fù)雜，按理論公式計算無法保證其展開形狀的準(zhǔn)確性，故采用UG8.5中的“分析→分析可成形性→一步式”進(jìn)行毛坯展開尺寸計算。毛坯展開結(jié)果如圖9所示。

3.2 沖壓排樣方式

毛坯展開完成后即可進(jìn)行排樣設(shè)計，零件沖壓工序安排如圖10所示。條料寬度為148 mm，步距為48 mm，共采用15個工位進(jìn)行沖壓，即：工位1(OP10)，沖導(dǎo)正孔及側(cè)刃沖切；工位2(OP20)，沖切廢料；工位3(OP30)，空工位；工位4(OP40)，沖切廢料；工位5(OP50)，空工位；工位6(OP60)，沖切廢料；工位7(OP70)，翻邊；工位8(OP80)，成形；工位9(OP90)，右翻邊；工位10(OP100)，左翻邊；工位11(OP110)，整形；工位12(OP120)，成形；工位13(OP130)，空工位；工位14(OP140)，沖孔；工位15(OP150)，切斷，將工件與載體分離。

圖9 毛坯展開結(jié)果

圖10 零件沖壓排樣工序

產(chǎn)品試模及沖壓結(jié)果如圖11所示，經(jīng)檢測產(chǎn)品的尺寸精度和外觀質(zhì)量均符合要求。

4 結(jié)語

通過AutoForm軟件對翼子板下支架進(jìn)行沖壓成形過程數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果分析零件產(chǎn)生起皺、破裂等缺陷的主要部位，從而進(jìn)行相應(yīng)的成形工藝優(yōu)化[6]。在沖壓工藝數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，結(jié)合UG軟件對零件進(jìn)行排樣工藝設(shè)計與計算，為后續(xù)模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供依據(jù)，并且經(jīng)過試沖檢測，產(chǎn)品的尺寸精度和表面質(zhì)量均符合要求。因此，采用沖壓數(shù)值模擬手段，不僅可以縮短模具開發(fā)周期，而且大大降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品沖壓質(zhì)量。

圖11 沖壓產(chǎn)品