基于AutoForm的固定支架毛坯尺寸計算及排樣設計

徐海斌

(常州大學懷德學院，江蘇 靖江 214500)

0 引言

沖壓是通過借助沖壓設備對模具加載壓力，使板料分開隔離或者塑性變形，從而獲得某種形狀尺寸部件的一種工藝技術[1]。憑借著精度高、互換性強、生產效率高、能耗低等加工優勢，沖壓技術已廣泛應用于我國制造行業中，如航空航天部件、汽車部件、五金產品等生產領域。沖壓產品的質量不僅與模具制造精度有關，還與零件的初始毛坯尺寸和排樣方式有很大的關系。同時，毛坯的排樣對企業的生產成本也有著較大的影響。傳統的毛坯尺寸計算是依靠設計人員的經驗估算，這種方法設計周期長，尺寸精度無法保證，生產成本較高。隨著制造技術的發展，各種有限元分析軟件的不斷問世，簡化了毛坯尺寸的計算過程，縮短了生產周期，還提高了產品精度[2]。本文通過AutoForm分析軟件對一種固定支架類零件進行毛坯外形尺寸計算及排樣方式設計，再根據實際生產條狀板料的規格尺寸選擇合適的工件間距值，優化排樣方式，從而為沖壓模具從業者提供參考。

1 AutoForm軟件介紹

AutoForm是由歐洲AutoForm工程公司開發的國際著名的板料成形模擬分析軟件，它利用有限元法對金屬沖壓成形的全過程進行模擬分析[3]。AutoForm主要包含的模塊有用戶界面、自動網格劃分、一步成形、模面設計、增量求解、切邊以及液壓成形等，能夠完成從產品概念設計到模具設計全過程的模擬仿真，并且可對產品成形的可行性進行系統檢查，預判可能存在的失效行為，其操作簡便，可靠性高，被全球約90%的汽車部件制造商用于產品開發和模具設計過程中。AutoForm中可對一些形狀簡單的產品快速形成毛坯輪廓圖，并利用毛坯輪廓圖進行排樣設計，具體操作步驟包括三維建模、模型導入、參數設置、毛坯外形尺寸計算、排樣參數設置和排樣圖計算，最終得到產品排樣圖及材料利用率。

2 固定支架毛坯外形尺寸計算

2.1 三維建模

本文通過SolidWorks 2018繪制固定支架的三維模型，如圖1所示。從三維模型可知，該產品由兩個相互垂直的平面組成，兩平面相交處由圓角過渡，產品可通過落料、沖孔、折彎三道工序完成制作，繪制完成的三維模型以igs格式保存。

2.2 模型導入

將繪制完成的三維模型(igs格式)導入AutoForm中，由于AutoForm無法對實體模型進行展開計算，因此需將實體模型轉化為片體模型。選定需要展開的平面，利用AutoForm中的Extract功能，將實體模型抽取為片狀模型，如圖2所示。

圖1 固定支架三維模型 圖2 固定支架的片狀模型

2.3 參數設置

設置沖壓方向為平均法向，材料為SPHE，其抗拉強度不小于270 MPa，斷后伸長率不小于37%，零件厚度為3 mm。

2.4 毛坯外形尺寸計算

利用AutoForm中的成形檢測功能設置計算零件的毛坯外形和尺寸，得到毛坯的輪廓線圖，如圖3所示，輪廓面積約為8 270 mm2，該輪廓圖可用于落料工序排樣設計。

圖3 固定支架毛坯輪廓圖

3 排樣及材料利用率分析

3.1 按理論狀態進行排樣設計

利用AutoForm可對計算得出的毛坯輪廓進行排樣設計，不僅方便快捷，而且準確度較高。本零件為軸對稱結構且形狀較規則，因此按單排排樣進行設計。根據零件的外形尺寸、材料性質及厚度，查閱相關資料得出排樣最小搭邊值：工件間距為2.5 mm，側面為2.8 mm[4]。將所選的最小搭邊值輸入AutoForm并設定排樣方式依次為橫排(0°)、斜排(45°)、豎排(90°)，得出排樣設計圖及材料利用率，如圖4所示。

圖4 排樣設計圖

由模擬結果可知：對于軸對稱且外形規則零件，斜排的排樣方式材料利用率最低，橫排和豎排的排樣方式材料利用率差異不大。

3.2 按實際狀態進行排樣設計

實際生產中，沖壓所用的材料一般為各種規格的板材，再根據沖壓產品的排樣方式裁剪成長寬為整數的條狀板材。上文所選的搭邊值是按照理論狀態下確定的最小搭邊值，但在實際生產過程中，搭邊值的確定還需要根據條狀板材的尺寸進行優化，一方面可以提高材料的利用率，另一方面也可以提高模具使用壽命，避免沖壓缺陷的產生，確保產品質量。本文按照實際生產狀態，假定條狀板材的長度固定值為1 000 mm，側搭邊值設定為2.8 mm，針對橫排和豎排兩種排樣方式，通過調整工件間距，優化排樣設計并計算實際的材料利用率。

3.2.1 橫排排樣設計優化

圖5(a)為優化前排樣設計，條料板材長度L=1 000 mm，零件毛坯輪廓寬度為90 mm，工件間距為2.5 mm，側搭邊值設定為2.8 mm時，條料的寬度為：90+2.8+2.8=95.6 mm，取整后寬度為96 mm。在一塊條料只能沖裁8個產品的情況下，可將多余的條料長度平均分配至工件間距中。優化后的工件間距a(mm)由下式計算：

a=L-n×lN.

(1)

其中：n為可沖壓的產品數量，n=8；l為產品毛坯輪廓在板材長度方向的尺寸，l=117.27 mm；N為條狀板材上工件間的間隔數量，N=9。

將相關數值代入式(1)，計算得a=6.87 mm。

將工件間距設定為6.5 mm，并按新工件間距優化設計橫排排樣，如圖5(b)所示，優化后的排樣設計材料利用率η為：

η=S×nL×B×100%.

(2)

其中：S為毛坯輪廓的面積，S=8 270 mm2；B為條狀板材的寬度，B=96 mm。

將相關數值代入式(2)，計算得η=68.9%。

圖5 橫排排樣設計優化

3.2.2 豎排排樣設計優化

圖6(a)為優化前排樣設計，條料板材長度為1 000 mm，零件毛坯輪廓寬度為117.27 mm，工件間距為2.5 mm，側搭邊值設定為2.8 mm時，條料的寬度為：117.27+2.8+2.8=122.87 mm，取整后寬度為123 mm。在一塊條料只能沖裁10個產品的情況下，可將多余的條料長度平均分配至工件間距中。優化后的工件間距仍可采用式(1)計算，此時L=1 000 mm，n=10，l=90 mm，N=11。將相關數值代入式(1)，計算得a=9.10 mm。

將工件間距設定為9 mm，并按新工件間距優化設計豎排排樣，如圖6(b)所示，優化后的排樣設計材料利用率η仍采用式(2)計算，此時S=8 270 mm2,n=10,L=1 000 mm,B=123 mm。將相關數值代入式(2)，計算得η=67.2%。

3.3 排樣方案確定

從模擬計算結果和實際計算結果可知：固定支架的排樣方案中橫排(0°)設計的方式材料利用率最大，側搭邊值按照理論最小數值2.8 mm進行設計，工件間距按照條狀板材規格尺寸設計為6.5 mm，不僅提高了模具的使用壽命，也確保了產品質量。

圖6 豎排排樣設計優化

4 結論

本文利用AutoForm軟件對固定支架的毛坯外形進行了計算并進行了初步排樣設計。先按照理論數值得出初步排樣方案，選擇其中材料利用率最大的方式，再根據實際生產狀態下的條狀板材尺寸進行工件間距的優化，從而得到最優的排樣方案。結果表明,AutoForm模擬計算的結果與實際計算的結果相符。本文研究結果對于同種類型的零件排樣設計具有一定的參考價值。另外，使用AutoForm軟件，也可以縮短模具設計周期，減少設計成本，從而提高企業效益。