基于Autoform多工位連續(xù)沖壓成形數(shù)值模擬

黃昭明， 王 利， 劉小飛， 張 成

（1.宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，安徽 宣城 242000；2.無錫九和模具有限公司，江蘇 無錫 214142）

基于Autoform多工位連續(xù)沖壓成形數(shù)值模擬

黃昭明1， 王 利1， 劉小飛2， 張 成2

（1.宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，安徽 宣城 242000；2.無錫九和模具有限公司，江蘇 無錫 214142）

文章通過研究某轎車C柱連接支架件零件圖，確定零件成形工序，并運用Autoform軟件分析計算零件的原始毛坯展開圖，初步確定零件的成形工藝方案。采用Autoform軟件、單工位多工序的有限元建模及數(shù)值模擬方法模擬板料的多步成形過程，研究板料的成形工藝（凸、凹模間隙）、成形效果（是否有開裂、起皺、疊料）及彎曲回彈量等對板料變形情況的影響，從而確定合理的工藝參數(shù)，制定合理的工藝方案，并通過實沖驗證了數(shù)值模擬的有效性。

Autoform軟件；有限元建模；數(shù)值模擬；彎曲回彈量；工藝參數(shù)

數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，使得解決連續(xù)模沖壓中的制造問題成為可能。為了對沖壓變形作出準(zhǔn)確預(yù)測，有效利用數(shù)值模擬技術(shù)是研究成形工藝制造方法的前提［1］。數(shù)值仿真技術(shù)在制造業(yè)中占據(jù)了重要的地位，汽車行業(yè)尤其如此。對于沖壓成形工藝，目前許多公司都開發(fā)了成熟的模擬分析軟件來預(yù)測成形缺陷，并以此為依據(jù)開展優(yōu)化與補(bǔ)償工作。運用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，能有效地縮短模具開發(fā)周期、降低成本以及增加設(shè)計的可靠度［2］。Autoform軟件作為該領(lǐng)域常用的軟件之一，受到了廣泛的關(guān)注。

多工位連續(xù)沖壓成形的模擬，通常采用單工位多工序方法對成形中的某單一工位建立有限元網(wǎng)格模型，并對該工位進(jìn)行多工序沖壓成形數(shù)值模擬［3］。文獻(xiàn)［4］在 CATIA－CAD 提供的數(shù)模基礎(chǔ)上，通過對典型汽車覆蓋件在Autoform軟件中的計算機(jī)輔助工程（computer aided engineering，CAE）分析，研究了汽車覆蓋件沖壓成形仿真中參數(shù)設(shè)置和經(jīng)驗操作等關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)和優(yōu)化，從而為覆蓋件改進(jìn)和模具設(shè)計提供了可靠的判據(jù)和合理的參數(shù)。文獻(xiàn)［5］運用Autoform軟件分析板料與凸模、凹模的摩擦、壓邊力、拉延筋等因素對成形性能的影響，預(yù)測了板料成形過程中減薄、拉裂及起皺等缺陷，并分析缺陷產(chǎn)生的原因，進(jìn)而優(yōu)化板料成形工藝參數(shù)和改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［6］通過應(yīng)用Autoform軟件，對該板件進(jìn)行全工序分析的設(shè)置方法以及回彈分析的設(shè)置方法進(jìn)行模擬，可以判斷B柱加強(qiáng)板的成形性好壞及回彈趨勢，從而采取措施改善成形性，以獲得合格的零件，并證明了Autoform軟件在汽車覆蓋件的模具開發(fā)過程中具有實用性。

本文采用單工位多工序的方法，對多工位連續(xù)沖壓成形建立了相應(yīng)的沖壓成形有限元網(wǎng)格模型，綜合運用UG和Autoform工程軟件，采用一步逆成形法獲得了某轎車C柱連接支架件的13工位連續(xù)沖壓數(shù)值模擬排樣條料的模型，并對成形中所涉及的彎曲、成形、整形等工序進(jìn)行了單工序有限元數(shù)值模擬，據(jù)此設(shè)計制造出該零件的13工位連續(xù)模，并沖制出左右對稱的一套2件某轎車C柱連接支架件，成形質(zhì)量經(jīng)過檢具檢驗滿足使用要求。

1 有限元分析流程及材料模型

轎車C柱連接支架零件的3D建模如圖1所示，利用UG軟件初步設(shè)計的排樣設(shè)計如圖2所示。圖2中共有13個工序，第1工序為沖導(dǎo)引孔；第2、3工序為落料；第4工序為成形；第5、7、9工序為空步；第6、8、11工序為彎曲；第10工序為整形；第12工序為沖孔；第13工序為切斷。因為制件為多向彎曲件，且為左右對稱，故采用中間載體的雙排排樣形式，為提高條料的剛度，載體寬度盡量加大。條料厚度為1 mm，適合采用卷料自動送進(jìn)（首次送進(jìn)人工完成），采用挾持式送料裝置粗定位，并配合導(dǎo)正銷精密定位，送進(jìn)定位精度可達(dá)0.01 mm。

圖1 某轎車C柱連接支架零件3D建模圖

圖2 排樣設(shè)計圖

零件展開輪廓復(fù)雜，輪廓沖裁必須合理地分步進(jìn)行。另外，為防止沖裁不完全或斷面重復(fù)沖裁，準(zhǔn)確處理2次沖裁的“接刀”非常關(guān)鍵，如圖2中A區(qū)域所示。

圖2中，第1工序沖3個導(dǎo)引孔，其中2個孔是初始導(dǎo)向用的，導(dǎo)正銷孔后序需要切掉，后序工位以中間孔做導(dǎo)正銷定位。第6工序在工藝排樣時已經(jīng)將彎曲預(yù)計反彈量補(bǔ)償了。第8工序是為了給下步彎曲預(yù)留出回彈補(bǔ)償余量，否則90°彎曲無法補(bǔ)償回彈。第12工序為了確保裝配基準(zhǔn)孔與焊接面的相對位置，沖孔的零件定位是以產(chǎn)品型面為基準(zhǔn)。第13工序是為了提高切斷落料精度，將第12工序所沖制的孔作為導(dǎo)正銷孔定位提高精度。因為模具步距尺寸較小，為提高凹模鑲塊、卸料板和固定板的強(qiáng)度，保證各成形零件安裝位置不發(fā)生干涉，確保其結(jié)構(gòu)空間，排樣中設(shè)置了3個空工位，分別為第5、7、9工序。

1.1 13工序連續(xù)沖壓排樣條料模型的建立

在連續(xù)模設(shè)計過程中，需要獲得初始板料的展開情況［7］。對于某轎車C柱連接支架件的多步?jīng)_壓成形運用Autoform軟件，采用一步逆成形法獲得的零件坯料展開圖［8］，如圖3所示。

圖3 坯料展開圖

該零件的沖裁毛刺無方向要求，而彎曲連續(xù)模必須采用去除廢料的排樣方式，即逐步將廢料沖裁，留下部分為展開毛坯，從而決定了圖3中A區(qū)必須向上彎曲，B區(qū)和C區(qū)向下彎曲，D區(qū)和E區(qū)2個孔的尺寸精度要求較高，且位置尺寸為彎曲特征的相關(guān)尺寸，所以應(yīng)安排在彎曲成形之后。應(yīng)用Autoform軟件分析板料成形過程主要包括建立計算模型、求解和分析計算結(jié)果［9］。具體應(yīng)用步驟如下：

（1）直接在Autoform軟件的前處理器中建立模型，或者在CAD軟件中根據(jù)擬定或初定的成形方案，建立板料、對應(yīng)的凸模和凹模的型面模型以及壓邊圈等模具零件的面模型，然后存為IGES、STL或DXF等文件格式。將上述模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入Autoform系統(tǒng)。

（2）利用Autoform軟件提供的網(wǎng)格劃分工具對板料、凸模、凹模、壓邊圈進(jìn)行網(wǎng)格的自動劃分，自動檢查并修正網(wǎng)格缺陷。

（3）定義板料、凸模、凹模和壓邊圈的屬性以及相應(yīng)的工藝參數(shù)。

（4）調(diào)整板料、凸模、凹模和壓邊圈之間的相互位置，觀察凸模和凹模之間的相對運動，以確保模具動作的正確性。

（5）設(shè)置分析計算參數(shù)，然后求解。

（6）以云圖、等值線和動畫等形式顯示數(shù)值模擬結(jié)果。

（7）通過分析模擬結(jié)果的變化規(guī)律找到問題所在。重新定義工具的形狀、運動曲線，進(jìn)一步設(shè)置毛坯尺寸、變化壓邊力的大小、調(diào)整工具移動速度和位移等，重新運算直至得到滿意的結(jié)果。

1.2 材料信息與模型

文中零件所用材料為JSC270D，該材料由材料庫導(dǎo)入Autoform軟件中進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，應(yīng)力應(yīng)變曲線和成形極限曲線如圖4所示。材料性能參數(shù)如下：厚度為1 mm，屈服強(qiáng)度為161 MPa?？估瓘?qiáng)度為181 MPa，r值為1.93，n值為0.179，泊松比為0.3。

圖4 變化曲線及成形極限曲線

2 有限元模型及數(shù)值模擬

某轎車C柱連接支架件連續(xù)模成形模擬過程有1次成形、1次整形和3次彎曲等工序。從連續(xù)沖壓成形的第4工序“成形”開始建立有限元模型，如圖5所示。

圖5 有限元模型

模擬開始時的主要參數(shù)設(shè)置如下：壓力機(jī)噸位為630 t，摩擦系數(shù)為0.15，成型力為1 000 k N，基準(zhǔn)面為凹?；鶞?zhǔn)；單元類型為殼單元，凸凹模間隙為1 mm，模擬精度為精算設(shè)置，虛擬沖壓速度為5 m／s。5個關(guān)鍵工序的成形極限圖如圖6所示。

圖6 不同工序后成形極限及模擬結(jié)果

由圖6可以看出，制件彎曲結(jié)果比較理想，在成形極限（FLD）曲線上部未見彎裂，應(yīng)變充分且均勻。板料的變薄率分析如圖7所示。由圖7可以看出，制件最大變薄率為－0.099 6，即制件最薄處為0.900 4 mm，說明整個設(shè)計過程是合理的，可以用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

圖7 板料的變薄率分析

3 成形方案的驗證

根據(jù)上述分析所建立的有限元數(shù)值模擬模型及數(shù)值模擬結(jié)果，設(shè)計制造的某轎車C柱連接支架件13工位連續(xù)模，試模是在江蘇海鍛630 t的壓力機(jī)上進(jìn)行的，所用材料為JSC270D，厚度為1 mm。

試驗所獲得的一出二左右對稱的某轎車C柱連接支架件如圖8所示。該零件的外觀質(zhì)量好，表面光滑，無起皺、破裂的現(xiàn)象發(fā)生，關(guān)鍵成形部位的成形質(zhì)量完全符合檢具和三坐標(biāo)儀的檢驗。將所設(shè)計制造出的13工位連續(xù)模用于實際生產(chǎn)，在大于25沖次／min的壓機(jī)速度下，模具能夠適應(yīng)100×104沖次的批量生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量合格且模具本身不會出現(xiàn)問題。

圖8 生產(chǎn)出的某轎車C柱連接支架件

4 結(jié)束語

通過Autoform軟件對轎車C柱連接支架多步彎曲成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，可以根據(jù)模擬結(jié)果預(yù)測零件的開裂、起皺、疊料、彎曲回彈等缺陷的部位，分析引起缺陷的原因，并及時修改工藝方案，減少實際試模次數(shù)，縮短模具開發(fā)周期。

目前，CAE技術(shù)仍無法替代模具試模過程，但隨著計算機(jī)技術(shù)和有限元理論的進(jìn)一步發(fā)展，CAE技術(shù)將能夠更真實地模擬沖壓成形過程，從而能夠更高效地指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。

［1］許 斌.轎車骨架件連續(xù)模開發(fā)技術(shù)研究與應(yīng)用［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2010.

［2］李飛舟.板料成形CAE設(shè)計及應(yīng)用：基于AUTOFORM［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：3.

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Numerical simulation of multi－position progressive stamping based on Autoform software

HUANG Zhao－ming1， WANG Li1， LIU Xiao－fei2， ZHANG Cheng2

（1.Dept.of Automobile Engineering，Xuancheng Vocational and Technical College，Xuancheng 242000，China；2.Wuxi Jiuhe Mould Co.，Ltd.，Wuxi 214142，China）

In this paper，the parts forming process is identified through the study of parts drawing of a car’s C column connecting brackets.The original blank diagram of parts is analyzed and calculated by using Autoform software，and the forming technique scheme of parts is determined.Then the multistep forming process of the sheet is simulated by using the Autoform software and the finite element modeling and numerical simulation of the single－position and multi－process method.The influence of the sheet’s forming technique like the clearance between the punch and the die，shaping effect like the cracking，wrinkling and stacking，and bending rebound quantity on the sheet’s deformation is analyzed.Finally，the reasonable technical parameter and scheme are determined and the validity of the numerical simulation is verified by the practical stamping.

Autoform software；finite element modeling；numerical simulation；bending rebound quantity；technical parameter

TG386.1

A

1003－5060（2015）02－0157－04

10.3969／j.issn.1003－5060.2015.02.004

2014－01－02；

2014－03－11

黃昭明（1981－），男，江蘇南京人，宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師.

（責(zé)任編輯 閆杏麗）