后端蓋零件成形工序CAE分析及沖壓模設(shè)計(jì)

目前，板料成形在航空、宇航、汽車、造船、電器、 五金等工業(yè)部門應(yīng)用廣泛，板料成形過程是一個(gè)大撓度、大變形的塑性成形過程，涉及金屬板在拉伸和彎曲的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下塑性流動(dòng)、塑性強(qiáng)化，及其引起的回彈、起皺和破裂等問題，在此之前，求解大多以解析法實(shí)現(xiàn)，其誤差甚大，并且對(duì)沖壓成形過程中板料成形分析，單憑經(jīng)驗(yàn)很難預(yù)先估計(jì)，致使模具設(shè)計(jì)正確性也難以評(píng)價(jià)，問題只有在模具加工以后才能暴露出來，給模具調(diào)試造成很大困難，甚至導(dǎo)致模具報(bào)廢。

所以本文應(yīng)用DynaForm軟件，以后端蓋為例，對(duì)后端蓋零件成形工序進(jìn)行CAE分析，針對(duì)預(yù)先的兩種方案的不足，提出拉伸兼整形的參數(shù)優(yōu)化方案，對(duì)整個(gè)工藝流程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)其進(jìn)行回彈分析。研究后端蓋零件成形可行性方案，為模具的合理設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

應(yīng)用catia建立零件的三維實(shí)體模型，如圖1所示。

對(duì)零件進(jìn)行沖壓CAE分析，首先要確定其使用的材料？在DynaForm的材料庫中，大多數(shù)是國外的牌號(hào)，通過查閱一些相關(guān)資料，將其材料與國內(nèi)材料進(jìn)行對(duì)比，并結(jié)合零件的外形，選擇材料型號(hào)為ST14_ ST14材料參數(shù)如表1所示。

根據(jù)零件，初步確定其工藝方案有兩種

(1)備料→落料→拉伸（一次成形）→修邊→沖孔

(2)備料→落料→拉伸→修邊→沖孔（翻邊）→翻邊（沖孔）

在條工藝路線中，存在著無法壓邊的問題，在成形的過程中，板料很容易偏移；而在第二條工藝路線中，存在著先沖孔后翻邊和先翻邊后沖孔的問題，這需要經(jīng)過CAE分析后，觀察翻邊是否對(duì)沖孔有影響，再確定其工藝路線

方案一的CAE分析

應(yīng)用DvnaFnrm進(jìn)行CAE分析，初步確定方案的可行性，分析結(jié)果如圖2、圖3所示：

從圖2和圖3可以看出，零件成形很限在安全區(qū)內(nèi)，厚度變化在1516-2174mm，在允許范圍內(nèi)，所以理論上其成形是可行的。在此基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行精確分析，建立9種沖壓模型，設(shè)計(jì)參數(shù)及分析結(jié)果如表1所示。模型的CAE分析結(jié)果如圖4所示：

通過1、2、3、4模型比較，在圖4處黑圈標(biāo)記處，出現(xiàn)破裂？因?yàn)橥?、凹模的間隙過小，材料流動(dòng)困難，而在該處屬于脹形，材料受到的拉應(yīng)力較大，導(dǎo)致出現(xiàn)破裂？從1、2、3、4模型的分析結(jié)果得出，逐漸增加凸、凹 模間隙，一定程度上改善其沖壓成形結(jié)果，但是效果不 明顯，仍然有嚴(yán)重減薄的缺陷，如果繼續(xù)增加凸、凹模的間隙，則該零件的外形尺寸達(dá)不到其沖壓精度。

其他幾種模型，雖然零件沒有出現(xiàn)破裂，但是已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重減薄，有破裂的危險(xiǎn)。

研究發(fā)現(xiàn)，除了有嚴(yán)重減薄的情況外，還有其拉伸后高度不一致，達(dá)不到?jīng)_壓要求，如圖5所示。造成這樣的原因，主要是在板料的A區(qū)域成形是屬于脹形，導(dǎo)致整個(gè)零件成形不是完全對(duì)稱，在該處相對(duì)與周圍將產(chǎn)生更大的應(yīng)力，導(dǎo)致更大的應(yīng)變，這也是 在該處出現(xiàn)板料嚴(yán)重減薄或破裂的原因之一j而在B區(qū)域和C區(qū)域，與D區(qū)域相比，將有更多的材料流向A區(qū)域。

在不考慮圖5中A區(qū)域出現(xiàn)的情況下，通?？刹捎玫姆椒ㄓ?種·一是增加修邊余量，在后續(xù)工序中通過修邊，保證其高度一致；二是采用壓邊圈，設(shè)置一定的壓邊力，盡量保證其材料的流動(dòng)一致；三是在定義毛坯，在B、C區(qū)域增加更多的材料？

如果采用修邊的方法，需要的高度只有/mm，而 且是非圓筒直壁修邊，實(shí)現(xiàn)這種方法比較困難。而對(duì) 于采用壓邊圈的方法，從零件圖中可以看出，毛坯能 被壓邊圈壓住的地方很小，起不到壓邊的作用？如果增大毛坯，則造成材料的浪費(fèi)？較后一種定義毛坯的方法，通過仿真軟件反求毛坯，發(fā)現(xiàn)毛坯的外形是非 圓的，其外形的尺寸很難確定，對(duì)于設(shè)計(jì)落料凸、凹模增加了一定的難度。

通過對(duì)零件CAE成形分析，發(fā)現(xiàn)這種方案很難實(shí)現(xiàn)，因此方案一不可取。

方案二的CAE分析

同方案一，首先進(jìn)行快速CAE分析，同樣得到快速成形FLD圖，快速成形厚度變化圖

同樣可以看出，這種拉伸后再翻邊的方案在理論上是可行的。對(duì)其建立8種沖壓模型，如表3所示；

從表3結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，整體效果與方案一比較，其成形效果相對(duì)較好，未出現(xiàn)破裂的情況一 在這幾種模型中，通過改變沖壓間隙，在一定程 度上能改善沖壓效果，但不是很明顯，與方案一中改 變沖壓間隙類似。

而采用改變壓邊力的大小的方法，當(dāng)壓邊力逐漸減小，減薄的情況明顯改善，但是卻出現(xiàn)了起皺的問題？通過對(duì)沖壓過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)起皺的主要原因是該零件是非圓筒直壁零件，在圓錐面處，材料的貼模性較差。模型二的CAE分析如圖6所示？

為了防止起皺，需要增加壓邊力，但是壓邊力過 小，無法起到防止起皺的作用，但是當(dāng)壓邊力過大，在沖壓件脹形處叉會(huì)出現(xiàn)板料輕微減薄的情況？對(duì)于 一般的沖壓件，在該處出現(xiàn)輕微減薄，如果不影響沖 壓件的使用性能，可以允許其存在，但是在該處，需要沖咖lOmm的孔？在后續(xù)的沖孔工序中，由于該處加工 硬化較嚴(yán)重，在沖孔時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)裂紋，這需要在該 處進(jìn)行退火處理，相對(duì)而言比較麻煩；也可能沖孔后， 該處出現(xiàn)圓孔，該處的內(nèi)應(yīng)力減小，對(duì)該處有所改 善。這只是預(yù)測(cè)可能的情況，當(dāng)中存在不定的因素， 如果在實(shí)際中出現(xiàn)了不理想的情況，就有模具報(bào)廢的危險(xiǎn)。

通過對(duì)兩種的方案進(jìn)行的分析，發(fā)現(xiàn)方案二相對(duì) 于方案一的成形性較好，但是也無法達(dá)到滿意的結(jié) 果，需要對(duì)方案二進(jìn)行改進(jìn)，其突破口在于是否設(shè)置 壓邊力，如何解決起皺情況？

在方案二中，當(dāng)壓邊力減小時(shí)，減薄的情況就會(huì)有所改善，而出現(xiàn)起皺的情況，可以通過整形，對(duì)起皺的地方進(jìn)行校平，達(dá)到改善沖壓件的成形結(jié)果的目的，如圖7所示：

從圖7中，可以看出，在容易出現(xiàn)嚴(yán)重減薄或破裂的地方，未出現(xiàn)嚴(yán)重減薄或破裂的情況，而起皺的情況有所改善，其成形結(jié)果基本達(dá)到要求，只需要通過優(yōu)化成形參數(shù)，使沖壓結(jié)果滿足要求？

為了使仿真結(jié)果更接近實(shí)際，在這道拉伸工序中，不設(shè)置壓邊力，通過拉伸兼整形使其成形，其成形結(jié)果見圖8，7通過對(duì)圖8和圖7進(jìn)行比較，其成形結(jié)果雖然相對(duì)較差但是并未出現(xiàn)嚴(yán)重減薄的情況，不僅滿足工藝要求，且更接近實(shí)際成形

在后續(xù)工序中，為了使零件較終成形，需要修邊、沖孔、翻邊。在前面方案一中提到，由于在拉伸時(shí)，存 在著脹形，在拉伸后，其整形面是非圓的，需要通過修邊使其近似于圓形，修邊后翻邊，其高度基本一致，如圖9所示

為了節(jié)約成本，減少工序，采用修邊沖孔模，在修 邊的同時(shí)沖咖7mm的孔，但是這其中涉及到一個(gè)問題， 那就是在翻邊后，是否對(duì)所沖的孔有影響。在經(jīng)過 DynaForm仿真后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)翻邊后對(duì)所沖的孔影響很 小，其變化在002mm左右，在允許的變化范圍內(nèi)，如圖10所示；

通過對(duì)后端蓋零件沖壓成形工藝仿真模擬，較終確定其沖壓工藝為·

備料落料、拉伸兼整形_修邊、沖咖7mm孔_翻 邊_沖#lOmm孔j

在前面對(duì)工藝規(guī)程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定了沖壓工 藝，現(xiàn)在對(duì)整個(gè)工藝流程仿真結(jié)果進(jìn)行分析，并優(yōu)化 工藝參數(shù)？

對(duì)落料、拉伸兼整形這道工序仿真結(jié)果如圖11和圖12所示

如圖11所示，在沖壓件脹形的地方（圖11中A區(qū) 域），板料輕微減薄，而成形效果較好的是B區(qū)域，在該 處，在成形的過程中，主要是受到拉應(yīng)力，而且材料變形 充足j在沖壓件的其他區(qū)域，主要是受到壓應(yīng)力的作 用，板料厚度有昕增加，如果是重要沖壓件，是不允許有 這樣情況出現(xiàn)，因?yàn)樵谶@種情況下的材料成形不足，強(qiáng) 度較低？而對(duì)于不重要零件在工藝方案無法改進(jìn)的情 況下，可以允許其存在？在圖12中，可以看到，沖壓件 的較大減薄量和增厚量，在材料ST14的允許范圍。

在工藝參數(shù)中，對(duì)凸、凹模間隙進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如表4所示：

在這幾種方案中，除了方案一出現(xiàn)嚴(yán)重減薄外， 其他都在允許的范圍內(nèi)？通過對(duì)厚度變化進(jìn)行比較 后，確定凸、凹間隙為2 immj

當(dāng)凸、凹模的間隙為/imm時(shí)，在板料成形的過 程中，其較大的減薄量為38 5010，而ST14這種材料允 許的較大減薄量在40010左右，在其允許的范圍內(nèi)；其 較大增厚量為l 3010，也在允許的范圍內(nèi)，所以該方案 符合工藝要求；

回彈分析，主要是對(duì)成形零件，回彈后進(jìn)行分析， 確定其回彈量。當(dāng)回彈后，沖壓件的外形尺寸、角度 及半徑變化不大時(shí)，在允許的范圍內(nèi)，則無需改進(jìn)；而 當(dāng)回彈量過大，則需改進(jìn)凸、凹模，設(shè)置回彈補(bǔ)償量？ 利用DvnaFnlm進(jìn)行回彈分析。結(jié)果如下：

(1)外形尺寸回彈測(cè)量？

其在外圓直徑上的回彈量在0.05mm左右，小于其公差值，在允許的范圍內(nèi)。

(2)角度回彈測(cè)量。

其圓錐面上角度的回彈量在0.457。左右，在允許的范圍內(nèi)。

(3)半徑回彈測(cè)量。

其翻邊后半徑的回彈量在0.023mm左右，在允許的范圍內(nèi)。

通過對(duì)外形尺寸、角度、半徑的測(cè)量，并切回彈前和回彈后的對(duì)比，其回彈量很小，都在允許的范圍內(nèi)， 無需對(duì)凸、凹模進(jìn)行修正。

本文主要是應(yīng)用DynaForm對(duì)后端蓋零件成形工序的仿真分析，得到以下結(jié)論。

(1)利用DynaForm軟件可以較好地模擬板料在成形過程中的材料流動(dòng)，可直觀地觀察起皺及破裂等缺陷。

(2)研究分析各種參數(shù)對(duì)成形的影響，發(fā)現(xiàn)壓邊力的大小對(duì)成形有較大影響。

(3)通過仿真分析得到零件在有壓邊力的情況下，成形的效果并不理想，而沒有壓邊力，又會(huì)出現(xiàn)起皺。因此針對(duì)該問題，采用拉伸加整形使其成形方案，實(shí)現(xiàn)零件的成形工藝？應(yīng)用DynaForm軟件對(duì)板料成形性及沖壓模設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬仿真，縮短了生產(chǎn)周期，減少模具的報(bào)廢率，提高了經(jīng)濟(jì)性，為模具的合理設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。