座椅連接件沖壓成形工藝設(shè)計(jì)及成形分析*

金 星，魏秀琴，岑升波，肖振泉

(柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545416)

0 引 言

隨著國(guó)外技術(shù)的引進(jìn)，我國(guó)汽車產(chǎn)量、類型得到迅速的增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車大約有80%的零件需要設(shè)計(jì)模具進(jìn)行加工制造，其中有數(shù)百個(gè)沖壓零件，需要大量的沖壓模具的設(shè)計(jì)研發(fā)。如何快速準(zhǔn)確地對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜沖壓件進(jìn)行料片的展開，如何預(yù)測(cè)出零件在沖壓成形過程中可能出現(xiàn)的缺陷開裂、起皺、回彈，是汽車沖壓件技術(shù)發(fā)展的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)。

隨著數(shù)值研究不斷深入，板料的成型數(shù)值研究開始應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)問題中，我國(guó)很多學(xué)者開始對(duì)板料沖壓成型進(jìn)行研究，衣杰棟針對(duì)DC05材料的汽車座椅支撐板沖壓工藝優(yōu)化研究[1]。徐丁旺對(duì)高強(qiáng)鋼汽車結(jié)構(gòu)件沖壓成形及回彈控制進(jìn)行了的Box-Behnken試驗(yàn),建立多目標(biāo)優(yōu)化響應(yīng)面模型，針對(duì)模型獲得最優(yōu)的沖壓參數(shù)[2]。韓佳利用Autoform對(duì)轎車前機(jī)艙罩內(nèi)板成型模擬研究[3]。徐成林運(yùn)用 LS-DYNA 軟件，完成了對(duì)前橫梁的成型模擬，通過對(duì)不同工藝參數(shù)的模擬結(jié)果進(jìn)行研究，認(rèn)為適當(dāng)增大凹模圓角半徑和摩擦系數(shù)可以避免產(chǎn)生破裂缺陷[4]。王懷志利用LS-DYNA軟件對(duì)汽車油封骨架沖壓過程仿真，研究了壓邊力和凸模沖壓速度對(duì)其成型效果的影響[5]。

筆者結(jié)合CAD/CAM軟件，利用有限元軟件Autoform數(shù)值分析座椅連接件的沖壓成形過程，根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)，制定合理的沖壓工藝，通過“優(yōu)化修邊線”，對(duì)零件料片進(jìn)行準(zhǔn)確展開，并預(yù)測(cè)出缺陷的產(chǎn)生的位置。該數(shù)值研究結(jié)果指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，縮短了模具開發(fā)周期，增加了設(shè)計(jì)可靠度。

1 沖壓模型

連接板的整體尺寸為132 mm×95 mm×52 mm,此零件厚度為2 mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中1位置是一個(gè)凸緣，圖中2位置是折彎并成形，圖中3位置為向下拉延，圖中4位置有一個(gè)φ15孔，孔的公差在±0.5以內(nèi)，位置4還有兩個(gè)橢圓的孔，孔的公差在±0.5以內(nèi)。該零件選用材料為DC03，材料的具體參數(shù)如表 1所列。

表1 材料的力學(xué)參數(shù)

2 工藝設(shè)計(jì)及沖壓方向

結(jié)合零件的形狀特征和以往沖壓件成形設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)分析，該零件在工藝設(shè)計(jì)時(shí)可能出現(xiàn)以下兩種缺陷：(1)料片的精準(zhǔn)展開，料片展開直接影響加工零件的成形尺寸；(2)零件2位置成形時(shí)導(dǎo)致拐角可能出現(xiàn)開裂。為了提高加工質(zhì)量，板料的沖壓工藝方案為：①落料；②拉延零件位置1處凸緣:F20；③成形零件位置2和3:F30；④成形零件位置3：F40；⑤沖孔:F50。

沖壓方向的確定是沖壓工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，正確的的沖壓方向既可以保證零件成形的質(zhì)量，還可以提高材料的利用率[1]。板料的沖方向會(huì)影響到材料的流動(dòng)速度，沖壓方向設(shè)置不合理，容易發(fā)生起皺和開裂。因此在選擇沖壓方向時(shí)，盡量做到在沖壓過程中不存在拉延負(fù)角，凹模和凸模的接觸面是完全貼合的。同時(shí)盡量讓凹模和凸模初始接觸面積充分。因此選擇座椅連接板的沖壓方向如圖2所示，這樣設(shè)置沖壓方向滿足加工工藝，沒有拉延負(fù)角區(qū)域。

圖1 座椅連接板結(jié)構(gòu)圖 圖2 零件的沖壓方向

3 全工序工序數(shù)值模擬

選取零件的內(nèi)側(cè)作為研究對(duì)象，首先設(shè)置縫合距離為0.5，容錯(cuò)公差為0.05，最大邊長(zhǎng)為3 mm，全局圓角半徑為3 mm，摩擦阻力系數(shù)為0.15，壓形力50.0 kN模擬參數(shù)設(shè)置完成將已在三維軟件設(shè)計(jì)好的凹凸模工具體進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，然后進(jìn)行初步計(jì)算。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)成形的零件與設(shè)計(jì)零件尺寸偏差較大，需要對(duì)料片進(jìn)行精準(zhǔn)展開，這里采用“修邊線優(yōu)化”設(shè)置，以零件最外面邊界為優(yōu)化目標(biāo)，為了獲得較準(zhǔn)確的料片輪廓，設(shè)置最大偏差為0.35 mm(該值與零件生產(chǎn)有求有關(guān)，軟件默認(rèn)為0.5 mm)，最大迭代次數(shù)為6次，計(jì)算結(jié)果如圖3所示，發(fā)現(xiàn)第3次計(jì)算結(jié)果的偏差最小，其偏差置為0.4，因此選擇第三次計(jì)算得到的料片輪廓作為數(shù)值研究的料片輪廓，如圖4所示。

圖3 反算修邊線結(jié)果 圖4 最優(yōu)偏差下料片展開輪廓

4 成型分析

成形極限圖是金屬板料沖壓成形能力評(píng)定的重要依據(jù)，在預(yù)測(cè)金屬板料沖壓成形的缺陷時(shí)都會(huì)用到，金屬板料在進(jìn)行沖壓成形的過程中，起皺和開裂缺陷隨時(shí)有可能發(fā)生，將材料出現(xiàn)起皺和開裂的表面應(yīng)變量定義為極限應(yīng)變量，通過做實(shí)驗(yàn)得到每種材料在不同板厚下的成型曲線。成型極限圖的橫坐標(biāo)代表板料的副應(yīng)變，縱坐標(biāo)代表板料主應(yīng)變。座椅連接板成形極限圖如圖5所示，其中區(qū)域I(Splits)為破裂區(qū)；區(qū)域II(Excess of thinning)過度減薄區(qū)。區(qū)域III(Risk of Splits)為開裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū);區(qū)域IV(Safe)為安全區(qū)占19.39%，區(qū)域V(Compress)為壓應(yīng)力區(qū)，占18.77%，區(qū)域VI(Thickening)起皺區(qū)，占37.39%。灰色區(qū)域指拉延不足區(qū)域。由于該零件作為汽車后片座椅連接配件，對(duì)表面起皺要求沒有覆蓋件高，因此滿足零件的技術(shù)要求。

圖5 零件的成形極限圖

圖6 制件的回彈結(jié)果

5 回彈分析

根據(jù)零件的技術(shù)要求，座椅連接板的回彈需要控制在±0.5 mm范圍內(nèi)，圖6是連接板制件最終法向回彈云圖。

從中可以看出最大正向回彈為0.17 mm，最大負(fù)向回彈為-0.35 mm，回彈量符合制件的公差要求。

6 總 結(jié)

在掌握機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)和板料成形有限元仿真的基礎(chǔ)上，以座椅連接板制件為研究對(duì)象，對(duì)其沖壓成形的工藝設(shè)計(jì)、料片準(zhǔn)確展開、有限元仿真及回彈量計(jì)算等技術(shù)進(jìn)行數(shù)值研究。解決了該制件在料片展開輪廓不準(zhǔn)確導(dǎo)致零件偏差較大的困難，同時(shí)分析了連接板成形后可能出現(xiàn)的缺陷，為零件是否滿足技術(shù)要求提供理論依據(jù)。