摘要:文章针对多工位级进模冲压工艺的复杂性,介绍了条料多工位冲压仿真分析的方法,设计了基于有限元分析的多工位冲压工艺设计流程,提出了有限元逆向展料法与成形工序数值模拟分析相结合的多工位成形坯料优化方法,并以某汽车结构件为例分析了该方法的实施步骤及关键技术,在其基础上设计出冲压工艺排样方案,经生产实践验证了该方案的合理性,为板料多工步冲压成形工艺的制定提供了科学的依据。
关键词:多工位级;进模成形;仿真分析;坯料优化;工艺改进;
一、多工位级进模概述
近年来专为汽车覆盖件和其它大中型冲压件配套的大型多工位级进模得到了迅速发展和应用,它是技术密集型模具的重要代表,标志着冲模技术先进水平,是我国重点发展的精密冲模。使用精密级进模,不仅能减少冲模数量、压缩工艺装备投入、降低成本,而且可大幅度提高生产效率,并实现冲床的自动化生产,确保生产安全。从精密多工位级进模的冲制件来看,包括汽车零件级进模、电机铁芯片级进模、空调器翅片级进模、集成电路引线框架级进模、电子连接器级进模、家电零件级进模等。可以说,冲制件覆盖了汽车、电子电器、机械、仪器仪表和五金家电等产品范畴。典型级进模的加工工序主要包括冲孔、落料、拉深、弯曲、整形、切边、翻孔及压扁等。被加工材料,事先加工成一定宽度的条料,采用某种送进方法,每次送进一个步距。经逐个工位冲制后,便得到一个完整的冲压工件。
二、级进模冲压成形仿真分析方法
1.多工位级进模冲压成形最显著的特点就是在一套模具上实现不同冲压工序的组合加工,在整个工序排布过程中,主要包括:冲裁一成形一切断三类工序过程,其中成形工序的设计是至关重要的,它既要考虑拉深、胀形、切边、翻边、弯曲等基本成形工序对冲压质量因素的成形性能影响,也决定了成形工序前所需切口的刃口轮廓,但与单工序冲压成形不同的是,多工位级进模成形过程中,除了最后的工位外,其余工位上的坯料都是半成品,在采用CAE分析技术对其工艺方案进行辅助设计时,首先需理清各工序的先后成形顺序,再针对性地进行模拟分析。
2.主要分为以下两种情况:(1)各工序之间是独立的成形区域,它们之间的变形区域不会产生交叉或者先后成形次序,因此可同时分别对其进行建模和仿真,以体现设计的并行性,提高效率。(2)不同成形工序之间的变形有历史承载关系的,比如连续拉深、分步弯曲成形等,由于各工位之间的材料可能在几何尺寸、材料性能、力学性能和厚度等方面发生变化,特别是上一步的应变会保留到下一工位的成形中,需考虑它们之间的先后顺序,妥善处理各工位之间的应变“继承”问题,对有“继承”关系的多工序成形分析,LS—DYNA常采用通过生成“dynain”文件的功能来实现。“如dynain”文件包括板料前一个工序结束时所有的重要信息,包括厚度变化、应力分布、网格形态等。
三、基于CAE的工艺设计流程
级进模的冲压工艺设计主要就是进行其工艺排样设计,其关键技术主要体现在两方面,其一是根据成形区域形状尺寸如何得到合理的展料尺寸,其二是在基于工件完成拉深、胀形、翻边等冲压变形工序的基础上,对这些工序的成形质量进行提前验证,以判断工序设计的合理性,以及是否进行进一步的工艺改进措施。对此本文采用基于有限元的板料多步成形逆向展料设计方法进行条料排样设计,并在其基础上,采用数值模拟方法分析拉深、翻边等主要工序的成形性能,根据成形模拟结果提出改进的工艺措施。下面以某汽车结构件为例,在基于UG、DYNAFORMDENG等CAD／CAE数字化设计平台上,研究采用仿真分析技术在多工序冲压成形工艺设计的应用方法。
四、典型零件应用
1.冲压工艺成形特征分析
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某汽车结构件如下图所示,材料为HsLA250,料厚为2．5mm,分析该零件的冲压成形特征,板料的塑性变形主要有拉深成形和翻边成形,另外还有冲孔、切边等冲裁工序。要进行排样设计,重点和难点是这A与B这两部分成形区域的展开尺寸计算。
2.直接展料一步成形实验
按照初步拟定的材料成形特征,其成形工序主要是拉深与翻边。但是否为一次成形即可满足成形质量要求,对于该例形状不是很规则的成形件而言,采用理论算式难以获得较为准确的判定,因此可采用数值模拟进行试算。首先采用一步成形法将零件直接展开在带料基准面上,得到展料构形对其进行一次成形工艺分析,分析结果如下图所示,从分析结果可看出工件底部出现了严重的破裂(红色表示此处有破裂)和起皱(深紫色表示此处有起皱)等质量问题,由此可判断出此零件不能一次成形,需安排分步成形工序。
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3.条料多步展开及成形工艺分析
(1)按照多工位级进模成形件冲压成形特征,将工件各个成形区域逆向展开,以得到初始坯料。根据冲压工序经验,此零件成形顺序为先成形A区域(拉深成形),再成形B区域(翻边成形),因此应按照逆向展开法依次展开,即先展开B成形区域,再展开A成形区域。按照通常经验,将翻边区域直接展开在翻边成形前参考面上,参考面可根据特征曲面的边界曲线按切线方向延展。
(2)建立该零件翻边成形一次展开的有限元逆算法模型为了防止翻边与拉深成形相邻区域的板料流动,一般采用两类方法,一种是通过控制压边力的大小来调整材料的流动,如果相邻区域材料流动量较大,设置较小压边力,反之,则要施加较大压边力;另一种是在材料不同变形区域交界处施加固定约束,以限制节点位移。因此在此例翻边成形逆算法模型中,假设拉深成形面为翻边展开参考面,在它们相邻的节点上施加固定约束,通过逆算法展开计算,可得到翻边前坯料的轮廓形状。
(3)将前一工序(拉深工序)的计算结果导人模型,沿修边线进行修边,将修边后的坯料通过翻边成形数值模拟分析计算后,得到如图所示的成形后处理结果,从图中可看出,工件A区域出现了拉裂,B区域发生了较严重的起皱,这显然是达不到工件的成形质量要求的,说明一次翻边成形将超过材料的成形极限,使其发生破裂。因此,工艺设计需要更改为两次翻边成形,第一次预成形翻边和第二次成形翻边。
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4.基于仿真分析的排样设计
按照本文所述的仿真分析方法进行展料计算以及对成形工序进行数值模拟和工艺改进后,最终生成该零件的冲压工艺排样方案。该方案成功应用于四川安德公司汽车某结构件级进模具设计与制造之中,经过试模验收得到的零件符合产品质量要求。
结束语
经过试制生产,本方案能满足产品交付要求,并且相比传统方法大大缩短了试模周期、降低了生产成本,对提高模具企业技术水平和生产实践具有较好的指导意义和应用价值。
参考文献:
[1]陈炎嗣．多工位级进模设计与制造,北京:机械工业出版社,2006