基于Dynaform的可調式彎曲模結構設計與應用?

翟 林 陳 寬 武 晉 崔忠寶 王學時

(①天津中德應用技術大學機械工程學院，天津300350；②天津寶駿科技股份有限公司，天津301701)

我國焊接行業經歷了工業自動化、智能化之后，數字化技術大量溶于該行業中，正由以往單機焊接自動化裝備向焊接自動化、數字化生產線轉型。可調式殼體彎曲模就是為柔性智能自動焊接生產線提供的焊接產品。該彎曲模在沖壓成形過程中，產品要求避免回彈、破裂和起皺等缺陷發生[2］。通過采用Dynaform有限元分析軟件進行數值模擬，建立不同的成型參數，分析其成形性能的影響因素，尋找最佳產品成型方案，為生產實踐提供指導。

彎曲成形作為板料沖壓成形工序的常見方法應用于工業生產制造中。板料在彎曲成形后受到彈性恢復和殘余應力的影響而產生回彈[3］。在板料成形中，回彈量的大小直接影響著工件的成形質量以及后續的焊接質量問題。彎曲工藝虛擬驗證考慮因素包括:(1)模具開發階段:結構方面的不合理，會導致模具運行壽命短；(2)成形工藝設計階段:拉伸深度、摩擦系數設置、速度控制等因素，導致產品出現問題。本文結合焊接殼體沖壓成形模擬分析應用實例，對可能出現缺陷進行評估，確定合理的模具結構和沖壓成型工藝。

1 沖壓成形有限元分析方法及流程

建立分析模型是有限元分析的首要工作內容，其次確定板料性能參數及工具、工序、控制參數，經預覽動畫顯示后，提交任務管理器計算。模擬分析結果若發生問題，一般通過優化調整沖壓工藝參數方案來解決。運用正交試驗分析法，重新設定沖壓成型工藝參數并提交計算，直到產品質量達到設計要求為止。沖壓成形有限元分析實施過程如圖1所示。

2 工件沖壓工藝分析

2.1 成形工藝特點

該金屬焊接殼體長 500 mm、寬 400 mm、深 300 mm，材料鋅鋁合金，料厚0.8 mm，整體尺寸較大，具體形狀如圖2所示。

2.2 工藝方案設計

焊接智能自動化生產線整體思路是由沖壓機將產品沖壓成形，由傳動帶將半成品殼體，送到智能自動焊機上，由機械手自動焊接完成。半成品殼體質量差異直接影響到數模數據的采集，進而影響到自動焊機程序的編排，最終導致產品合格性能否達到設計要求。

2.3 成形風險分析

焊接智能自動化生產線在焊接鋅鋁合金殼體時，需由夾具固定殼體，在數據采集的基礎上，按照編制好的程序自動焊接4個拐角縫隙。為實現與自動化焊接線無縫對接，通過沖壓模具獲取的產品要具備以下幾點:

(1)半成品殼體4個側面回彈角度應控制在后續工程夾具的允許范圍內。

(2)焊接4角處，接縫隙寬度均勻一致。

(3)成形殼體底角處無彎曲滑痕。

(4)由于殼體高度對模具閉合高度有影響，最大限度降低對沖壓機的要求。

3 有限元分析模型建立及計算

3.1 板料沖壓成型CAE分析有限元理論

板料成形的動力一般來源于，凸模和凹模表面與板料接觸并對板料實施的作用力。板料塑性成形有限元理論分為固體塑性有限元法和流體塑性有限元法。板料沖壓成形主要采用固體塑性有限元中大變形彈性塑性有限元法，材料的彈性和塑性變形狀態是主要研究對象。彈性區采用Hook定律，塑性區采用Prandtl-Reuss方程和Mises屈服準則。胡克定律的內容為:在材料的線彈性范圍內，固體的單向拉伸變形與所受的外力成正比。在應力低于比例極限的情況下，固體中的應力σ與應變ε成正比，即σ＝Εε，式中E為常數。沖壓最常用的是4節點四邊形薄殼單元，其算法主要有2種:第一種為BELYTSCHKO-TASY算法；第二種為HUGHESLIU算法。BELYTSCHKO-TASY算法由經典薄殼理論Midlin假設導出，運算速度快，適合進行復雜沖壓件的CAE分析，但是計算過程中可能會有零能量模式出現，稱為“沙漏”。HUGHES-LIU算法由八節點實體單元退化而成，運算速度相對較慢，在單元扭曲較大時仍然能夠獲得合理的結果，適合進行復雜沖壓件的沖壓和回彈分析。

3.2 有限元分析模型建立

首先利用UG設計軟件從彎曲模中，以IGSE形式導出相關面，作為Dynaform軟件有限元分析模型[3］，如圖3所示。初始3D模具設計圖如圖3a，有限元分析模型如圖3b。

3.2.1 材料力學性能參數設定

工件選用牌號ALUMINUM T37 AA6016的鋁板，厚度0.8 mm，密度2.7 g/cm3，材料力學性能參數如表1所示，材料遵循Krupkowsky硬化規律[7］。

表1 T37 AA6016的力學性能參數

式中:σ為應力，MPa；K為硬化系數；n為硬化指數；ε0為初始應變；ε為塑性應變。選取K＝412.1 MPa，ε0＝0.02，n＝0.26。材料AA6016的硬化曲線如圖4。

3.2.2 沖壓工藝參數設定

有限元模擬金屬板料沖壓變形過程中，坯料處于塑性變形狀態且由于形狀各異，需要按照工藝要求合理設置坯料單元網絡的數量、密度、大小和形狀。單元網格大小要依據變形區域情況確定，變形量大，形狀復雜的區域，單元網絡要小，反之亦然。單元網格形狀應盡量采用四邊形單元。

利用Dynaform提供了自適應網格劃分功能，依據變形大的部位網格劃分較密，變形較小的部位網格劃分較稀原則，在不影響模擬精確的前提下，盡量縮短計算時間。工件成形有限元分析模型中凹模、凸模、打料板的網格單元總數為3 160個，板料網格單元總數為6 610個，板料網格單元的初始尺寸為6.4 mm，網格細化等級為3級。采用單動彎曲模具結構，閉合階段凸模模擬運動速度800 mm/s，運動到距凹模0.8 mm時停止，沖壓階段凸模的模擬運動速度150 mm/s，各工具與板料間摩擦潤滑條件等效為摩擦系數0.12[4］。控制系數時間步長-9.67×10-8s，自適應次數21，最小單元尺寸1.0 mm，最大自適應等級4。至此，工件沖壓成形有限元分析模型的建立、材料性能參數和沖壓工藝參數的設置均已完成。

3.2.3 提交分析計算

設置好材料性能參數和沖壓工藝參數后，需要檢查各項屬性，檢查所有工具的運動情況，確保各工具的單元法向和運動方向正確后，可通過工具定位檢查板料、凹模、凸模、打料板等相對關系。預覽動畫正常顯示后，提交給求解器進行分析計算。

4 成形模擬結果分析及設計改進

4.1 成形模擬結果分析

采用Dynaform有限元成形對彎曲工序進行模擬分析，拉伸前與拉伸后板材變形狀態見圖5。采用正交試驗分析法通過多組數據模擬實驗[1-2］，計算其結果見表2、表3。表2實驗條件是摩擦系數和凸模拉伸速度一定條件下，在不同凸模拉伸深度時，板料彎曲后側面回彈角度的區別。表3凸模拉伸深度、凸模拉伸速度一定條件下，在不同摩擦系數情況下，對板料彎曲后側面回彈角度變化的影響。綜合表2和表3的模擬實驗結果考慮，凸模拉伸深度控制在15 mm左右，產品側面回彈角度最小，摩擦系數變化對回彈角度影響不大[4］。

表2 殼體彎曲模不同拉伸深度條件下回彈角度模擬數據

表3 殼體彎曲模不同摩擦系數條件下回彈角度模擬數據

5 改進后成形模擬結果、模具結構設計及實施驗證

5.1 改進后模具結構設計

5.1.1 模具閉合高度優化

圖6所示為彎曲模具裝配結構圖。依據Dynaform有限元成形對彎曲工序進行模擬分析結果，對模具結構進行了優化處理，限位柱17設定距離由初始值25 mm調整為15 mm，凹模側整體高度控制在180 mm以內，這樣即使殼體高度300 mm情況下，同樣可以實現殼體整體成形。彎曲模閉合高度在允許的情況下，降到最低程度，從而降低了模具成本，縮短了模具制造周期，對沖壓機要求配置降低了許多，并且很好地控制了產品成本。彎曲模凹模側視結構見圖7。

5.1.2 板料流動改善措施

鋁合金板材與W18Cr14V模具材料互溶性相近，正是這一特點促使板料和模具之間容易發生粘附現象。其后果為一則減少模具的使用壽命，二則在工件表面產生滑痕。鋁合金板材硬度模量412.1 MPa，它自身物理特性決定了鋁合金工件與彎曲模具之間產生摩擦，其后果往往是工件表面會產生滑痕。為更好改變板料流動性，彎曲模凹模側由4塊下模凹模段(大)、4塊下模凹模段(小)、4塊連接塊組成。在這些零件的內側均設計成R2 mm倒角，有利于板料流動性提升，減少板料滑傷缺陷發生，如圖8所示。

5.1.3 可調式結構設計

鋅鋁合金焊接殼體彎曲模具特點，是在一套模具上可以通過模具主要成形零件能重新調整組合，達到不同尺寸產品成形效果，做到一套模具可以完成多尺寸規格的產品生產[5-6］。

5.2 改進后成形模擬結果

在優化成型參數基礎上，再次提交計算，我們觀察圖9成型零件的成形極限云圖及圖10厚度變化分別云圖，發現計算數據分析成形結果是滿足工藝要求，殼體4個側面回彈角度已控制在3°以內，均在后續夾具的使用范圍內，達到最初產品設計技術要求。

5.3 工藝改進結果應用實施

在模具制造加工之前，基于Dynaform有限元分析技術，可以驗證產品設計、模具設計、成型工藝等方面的事宜。分析新產品試模產生缺陷的原因，優化設計方案。歸納內容如下:

(1)驗證了在滿足彎曲成型條件下，以最小模具閉合高度來完成整體設計。

(2)沖壓成型工藝參數在驗證中可以獲取最佳的數值，為模具設計、沖壓成型提供保障。

(3)前期可以驗證各類情況下成形參數、板料材質、摩擦系數，對產品回彈角度的影響[7］。

依據優化后技術參數進行模具結構設計、備料、加工、裝配、調試。由該模具成形產品，后經智能自動生產線焊接，獲取的產品如圖11所示。

6 結語

本文借助CAE分析軟件Dynaform對鋅鋁合金焊接殼體彎曲模過程進行仿真分析，為后續彎曲模具的設計及制造做了充分準備。通過5種參數的組合，分析回彈變化情況，采用角度差的成形效果評價方法，確定了該模具具有較好成形效果的參數組合。并將這些參數組合應用到模具結構設計中。經研究可知，工藝設計、結構設計和現場制造是密不可分，但建立完善的CAE分析軟件應用流程也至關重要。試驗證明CAE分析軟件Dynaform可以充分發揮成形仿真的優勢，縮短模具設計周期，降低生產成本，提高市場競爭力。