基于Dynaform的一種零件連續(xù)翻邊成形方法

趙會(huì)敏，李軍

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

基于Dynaform的一種零件連續(xù)翻邊成形方法

趙會(huì)敏，李軍

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

金屬板料的翻邊成形是板料成形的重要組成部分，也是板料成形中的難點(diǎn)。重點(diǎn)研究折彎并向內(nèi)的翻邊結(jié)構(gòu)，通常采用的成形工藝是先折彎成形后凸緣面翻邊成形，通常產(chǎn)生的成形缺陷是凸緣部位產(chǎn)生起皺。利用Dynaform軟件，以某企業(yè)的家用電器后殼為例，主要針對(duì)折彎并向內(nèi)的翻邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究成型缺陷并確定合理的成形工藝，以改善成型結(jié)果。

翻邊；起皺；數(shù)值模擬；模具；成形工藝

0 引言

在生產(chǎn)實(shí)際中，有很多的零件要用到翻邊的工藝方法制造。然而，現(xiàn)今的研究中，關(guān)于翻邊工藝方面的研究相對(duì)比較少，與翻邊有關(guān)的文獻(xiàn)資料更為有限。因此，有必要對(duì)翻邊工藝進(jìn)行更多、更全面和更深入的研究。在原有的翻邊技術(shù)的基礎(chǔ)上，歸納和總結(jié)現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)，改善模具的結(jié)構(gòu)和成形工藝，合理地布置拉延筋和充分使用拉延筋的作用。并以某企業(yè)折彎并向內(nèi)的翻邊件作為研究對(duì)象，通過(guò)Dynaform軟件進(jìn)行成形數(shù)值模擬，分析坯料成形相關(guān)的因素，總結(jié)出坯料成形的相關(guān)工藝參數(shù)；從而通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化相關(guān)工藝參數(shù)，改進(jìn)成形的工藝，達(dá)到改進(jìn)板料翻邊成形中存在的缺陷的目的。

1 材料成型缺陷分析及參數(shù)

1.1 成形缺陷分析

如圖1所示，在沖壓件設(shè)計(jì)中，通常采用的翻邊結(jié)構(gòu)主要有3種：(1)普通平板部位邊緣翻邊；(2)折彎同時(shí)兩面的邊緣向內(nèi)翻邊；(3)制件折彎同時(shí)兩面的邊緣均向外翻邊。

基于校企合作的合作要求，重點(diǎn)研究第二種翻邊結(jié)構(gòu)。對(duì)于折彎并向內(nèi)的翻邊結(jié)構(gòu)，通常采用的成形工藝是先折彎成形，后凸緣面翻邊成形。通常產(chǎn)生的制件缺陷是第二次翻邊導(dǎo)致凸緣面部位產(chǎn)生起皺，在實(shí)際生產(chǎn)中也是由于第二次翻邊導(dǎo)致凸緣面部位產(chǎn)生起皺。如圖2所示。

1.2 材料參數(shù)

以某企業(yè)提供的參數(shù)，材料為結(jié)構(gòu)鋼ST13，材料厚度為t=0.7 mm，剪切修正因子(SHRF)0.833，凹凸模間隙為1.1t=0.77 mm，材料的應(yīng)變-應(yīng)力曲線如圖3所示，材料參數(shù)如表1所示。

表1 ST13的材料模型參數(shù)

2 模具曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)的確定

根據(jù)合作企業(yè)的要求，即板料的最終成形要求至少達(dá)到凸緣部分(如圖2所示部分)沒(méi)有起皺現(xiàn)象或起皺缺陷得到明顯改善。所以對(duì)于整件產(chǎn)品，作者重點(diǎn)研究成形缺陷的部分。根據(jù)企業(yè)提供的三維模型，在Pro/E5.0軟件中截取需要和重點(diǎn)研究的部分作為原始的凹模曲面結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

對(duì)于折彎并向內(nèi)的翻邊結(jié)構(gòu)，通常采用的成形工藝是先折彎成形，后凸緣面翻邊成形。由成形工藝可知，此類結(jié)構(gòu)的成型模具為兩套：一套是折彎成形模具；一套是凸緣面翻邊成形模具。為了節(jié)約成本，提高效率，此次的模具針對(duì)企業(yè)要求的重點(diǎn)部位的成形缺陷進(jìn)行設(shè)計(jì)，將折彎成形與凸緣面翻邊成形在一套模具下實(shí)現(xiàn)并改善成形缺陷。

2.1 凹模曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善

根據(jù)圖4所示的曲面結(jié)構(gòu)，利用Dynaform軟件進(jìn)行展料處理。所得的平面板料的橫向長(zhǎng)度必大于凹模曲面的橫向長(zhǎng)度，所以在板料的翻邊成形過(guò)程中，由于凹模在成形運(yùn)動(dòng)過(guò)程中也必將是凹模兩邊的凸點(diǎn)先與板料接觸并壓制板料，由此導(dǎo)致的后果是在板料的成形過(guò)程中，凹模與板料先是點(diǎn)接觸，壓強(qiáng)較大會(huì)導(dǎo)致板料被壓破或達(dá)不到成形效果。所以有必要對(duì)凹模的結(jié)構(gòu)曲面進(jìn)行改進(jìn)，使凹模與板料的首次接觸是線接觸，這樣就可以使板料所受到的壓強(qiáng)大大減小不至于板料被壓破。通過(guò)對(duì)凹模的兩邊進(jìn)行延長(zhǎng)即增加凹模的橫向長(zhǎng)度，這樣凹模與板料的首次接觸將是凹模的曲面與板料的邊線接觸。如圖5所示。

2.2 成形方式和沖壓方向的確定

與傳統(tǒng)的翻邊成形比較，文中的翻邊成形是板料的翻邊和成形同時(shí)進(jìn)行。采用的成形方式與一般的沖壓成形方式大同小異；但是與一般的沖壓成形不同，翻邊沒(méi)有工藝補(bǔ)充面、沒(méi)有分模線，所以此次采用的成形方式是單動(dòng)成形即凹模先接觸板料，再與壓邊重合，最后再與凸模重合完成翻邊成形。

沖壓方向是板料翻邊成形的關(guān)鍵，沖壓方向的正確與否直接影響板料的成形結(jié)構(gòu)和能否成形。沖壓方向確定的首要條件是保證沿著沖壓方向，零件不會(huì)出現(xiàn)拉延負(fù)角；其次，起皺是由于板料在成形過(guò)程中材料向凸緣部分堆積產(chǎn)生的，所以沖壓方向要改善材料向凸緣部分堆積的現(xiàn)象。利用Dynaform軟件的DFE模塊，采用自動(dòng)調(diào)整和手動(dòng)調(diào)整相結(jié)合的方式，并根據(jù)上述原則，獲得的沖壓方向，如圖6所示。

2.3 模具曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常的翻邊成形只用有單一的凹模、凸模、壓邊，此次模具設(shè)計(jì)在以往的翻邊模具基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)一次性成形，凹模的數(shù)量增加為兩個(gè)，并且為了改善成形質(zhì)量增加了拉延筋，并將拉延筋鎖定在兩個(gè)凹模上,如圖7所示。模具曲面模型結(jié)構(gòu)如圖8所示。

拉延筋的作用是：(1)防止試模時(shí)因調(diào)整流入量而產(chǎn)生褶皺、表面變形；(2)利用拉延筋產(chǎn)生的附加張力提高產(chǎn)品尺寸精度，減小回彈；(3)因?yàn)橥ㄟ^(guò)拉延筋時(shí)得到了充分控制，可以防止法蘭褶皺進(jìn)入產(chǎn)品區(qū)域；(4)使得壓料面研配簡(jiǎn)單化，模具制造更加容易。與一般的沖壓成形不同，翻邊沒(méi)有工藝補(bǔ)充面、沒(méi)有分模線，所以此次設(shè)計(jì)所用的拉延筋并不是由分模線偏移而來(lái)，而是為了改善指定區(qū)域的成形情況，必須讓拉延筋在板料成形的全過(guò)程始終作用在板料上。根據(jù)板料的成形特點(diǎn)，拉延筋的分布與分段情況如圖7所示；其中凹模Ⅱ上的拉延筋是板料第一次成形時(shí)作用在板料上的拉延筋，根據(jù)板料的成形特點(diǎn)對(duì)拉延筋進(jìn)行分段；凹模Ⅰ上的拉延筋是對(duì)指定部位成形缺陷的二次改善，所以拉延筋的分段基本與凹模Ⅱ上的拉延筋分段一樣。根據(jù)文獻(xiàn)[1]來(lái)確定拉延筋的最優(yōu)拉延阻力，如表2所示。

表2 拉延阻力分布狀況 N

2.4 工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在金屬薄板翻邊成形工藝過(guò)程中，成形主要的缺陷是起皺和拉裂。這些缺陷主要與壓邊力、相對(duì)圓角半徑、潤(rùn)滑、凸凹模間隙、沖壓速度等因素有關(guān)。為了獲得高質(zhì)量的制件，需對(duì)以上工藝參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)置。以壓邊力、凹模Ⅰ沖壓速度、凹模Ⅱ沖壓速度為試驗(yàn)因素，設(shè)置正交試驗(yàn)，得出上述三因素對(duì)制件成形質(zhì)量的影響程度。通過(guò)正交試驗(yàn)和利用Dynaform軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，得到3組優(yōu)化工藝數(shù)據(jù)，如表3所示。

從表3可以看出:只有第3次實(shí)驗(yàn)板料出現(xiàn)了拉裂的情況，其余兩次均沒(méi)有出現(xiàn)拉裂的情況，所以第3組并不是最優(yōu)的工藝參數(shù)。從局部最小厚度指標(biāo)來(lái)看，第1和第2次實(shí)驗(yàn)均沒(méi)有出現(xiàn)拉裂情況且起皺部位都在制件邊緣；第一組實(shí)驗(yàn)的局部最小厚度0.530 989 mm大于第二組實(shí)驗(yàn)的局部最小厚度0.519 822 mm，因此認(rèn)為實(shí)驗(yàn)1的工藝參數(shù)是最優(yōu)的工藝參數(shù)。3次實(shí)驗(yàn)的成形極限圖見圖9。

表3 優(yōu)化分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9 不同工藝的成形極限圖3 結(jié)論

在翻邊的3種典型結(jié)構(gòu)中，以折彎并向內(nèi)的翻邊結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究了此結(jié)構(gòu)翻邊成形的缺陷。在原有的翻邊模具的基礎(chǔ)上，根據(jù)成形特征對(duì)模具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得成形效率和成形質(zhì)量有所提高，為以后類似類型的翻邊提供借鑒。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)是對(duì)成形工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用正交實(shí)驗(yàn)法得到一組優(yōu)化的成形工藝。

【1】 唐炳濤，王兆清，鹿曉陽(yáng). 一種快速有效的板料成形拉延筋優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J]. 塑性工程學(xué)報(bào)，2008，15(5)：155-159.

【2】 蘇春建，于濤.金屬板料成形CAE分析及應(yīng)用[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

【3】 朱偉. 板料拉深成形變壓力理論模型與應(yīng)用研究[D]. 上海：上海交通大學(xué)材料加工工程學(xué)院，2006：31-38.

【4】 吳建軍，周維賢．板料成形性基本理論[M]．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

【5】 陳昕. 汽車板料成形中拉延筋的力學(xué)性能及影響因素研究[D]. 長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，2009：2-5.

【6】 張士宏，程幸葉，唐杰. 汽車覆蓋件成形拉深筋的有限元模擬與優(yōu)化[J]．鍛壓技術(shù)，2008，33(6)：140-143.

【7】 黃桂美，詹艷然. 等效拉延筋模型及其在板料成形數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代制造工程，2005(10)：57-58.

【8】 劉丹丹，郭慶時(shí). DYANFORM在汽車覆蓋件沖壓成形模擬中的應(yīng)用研究[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009(5)：1.

【9】 THORPE M D,ADAM H. ULSAB-Advanced Vehicle Concepts-Overview and Design[R].SAE Technical Paper. 2002-01-0036,2002.

【10】 JEANEEAU M,PICHANT P. The Trends of Steel Products in the European Automotive Industry[J]. Larevue De Metallurgies-CIT,2000,97(11):1399-1408.

Continuous Flanging Forming Method for Parts Based on Dynaform

ZHAO Huimin，LI Jun

(School of Mechanical and Automotive Engineering,Hefei University of Technology,Hefei Anhui 230009,China)

Sheet metal flanging forming is an important part,but also the difficulty in sheet metal forming. The structure to bend the flange inside was focused on. Common forming process is first bending then forming a flange surface flanging,forming defect is usually flange wrinkling. Using Dynaform software,taking a shell of household appliances as an example,numerical simulation was made aiming at the structure to bend flange inside,molding defects were researched and the reasonable forming process was determined in order to improve molding results.

Flanging;Wrinkling;Numerical simulation;Mold; Forming process

2014-12-01

趙會(huì)敏(1988—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造。E-mail：1092630732@qq.com。