機(jī)車前圍板蒙皮沖壓成形模具設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

王大勇，于雷，滕穎麗，黃永紅( .大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連608; .中國(guó)北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司工藝部，遼寧大連608)*

機(jī)車前圍板蒙皮沖壓成形模具設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

王大勇1，于雷1，滕穎麗1，黃永紅2
( 1.大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連116028; 2.中國(guó)北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司工藝部，遼寧大連116028)*

分析機(jī)車前圍板蒙皮成形工藝，設(shè)計(jì)沖壓成形模具，利用DYNAFROM有限元軟件模擬仿真機(jī)車前圍板蒙皮沖壓成形過程，證明有限元法具有實(shí)用性.利用數(shù)值模擬結(jié)果，驗(yàn)證沖壓模具凹型面、凸型面空間復(fù)雜曲面尺寸、定位等設(shè)計(jì)可行性，為實(shí)際生產(chǎn)中的模具設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)的制定提供參考，減少試模次數(shù)，降低生產(chǎn)成本.

沖壓;模具設(shè)計(jì);有限元

0 引言

我國(guó)軌道機(jī)車車輛工業(yè)經(jīng)歷了跨越式的發(fā)展，已經(jīng)從單一的依靠蒸汽機(jī)車到自主研制了“東風(fēng)”系列內(nèi)燃機(jī)車、“韶山”系列電力機(jī)車，形成了軌道機(jī)車車輛的系列化、型譜化和同種車型的標(biāo)準(zhǔn)化.截至2008年底，全國(guó)鐵路機(jī)車保有量達(dá)到1 8437臺(tái)，形成機(jī)車型號(hào)多樣化，同一型號(hào)批量小的特點(diǎn).當(dāng)前機(jī)車前圍板蒙皮加工方法多為震錘機(jī)的加工方式，震錘機(jī)是一種半手工的加工方式，對(duì)師傅手工技能要求高，人工需求量大.隨著我國(guó)軌道機(jī)車車輛工業(yè)的發(fā)展，對(duì)機(jī)車蒙皮的加工方式更趨于高精度、大型化.因此，基于數(shù)值模擬的機(jī)車前圍蒙皮板沖壓成形模具設(shè)計(jì)的研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)機(jī)車前圍板的沖壓成形有一定的指導(dǎo)意義.設(shè)計(jì)機(jī)車前圍板蒙皮模具時(shí)，以傳統(tǒng)的沖壓成形的模具設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，針對(duì)機(jī)車領(lǐng)域機(jī)車前圍板蒙皮的批量小、曲面復(fù)雜程度相對(duì)不高、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等一系列的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)模具，保證成形質(zhì)量的同時(shí)，突出技術(shù)經(jīng)濟(jì)性.

1 工藝分析

圖1 機(jī)車前圍板蒙皮零件結(jié)構(gòu)圖

首先對(duì)前圍板零件圖進(jìn)行工藝分析，根據(jù)零件圖，分析沖壓件的結(jié)構(gòu)、尺寸大小、使用的材料等，是否符合沖壓工藝性要求，計(jì)算成形過程中成形力的大小.機(jī)車前圍板蒙皮零件示意圖，如圖1所示.零件結(jié)構(gòu)類似半球形曲面，形狀復(fù)雜，從俯視圖中可以看出，工件變形區(qū)域?yàn)樽兘孛妫拾霃阶钚?7 mm，最大為113 mm，模具加工成本高，由于回彈的問題，尺寸精度不易保證，沖壓成形有一定難度.綜合工廠現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等多方原因，最終確定采用無壓邊圈一次沖壓成形單工序模，沖壓工藝流程為:下料－拉深－修整.

2 模具型面設(shè)計(jì)

2.1凹模型面設(shè)計(jì)

凹模型面是依據(jù)機(jī)車前圍板蒙皮的型面特點(diǎn)對(duì)局部進(jìn)行改進(jìn)完成設(shè)計(jì)的，如圖2所示，凹模型面由兩個(gè)小變形區(qū)和一個(gè)大變形區(qū)組成.根據(jù)機(jī)車前圍板蒙皮的三維模型特點(diǎn)，模面的設(shè)計(jì)要易于板料的流動(dòng)入模，使板料發(fā)生一定的塑性變形時(shí)，容易控制起皺、拉裂等質(zhì)量問題.為了使模具間隙趨于均勻，流動(dòng)速度趨于一致，利于板料定位，防止板料移動(dòng)，保證沖壓過程順利完成，凹模型面的四個(gè)頂角要盡量在一個(gè)平面上.根據(jù)機(jī)車前圍板蒙皮表面形貌特點(diǎn)，沖壓過程中可能出現(xiàn)的回彈等質(zhì)量問題，對(duì)局部進(jìn)行改進(jìn)，變形區(qū)進(jìn)行5°的補(bǔ)償.

2.2凸模型面設(shè)計(jì)

凸模型面是依據(jù)凹模型面和零件的型面特點(diǎn)設(shè)計(jì)的.如圖2所示，機(jī)車前圍板蒙皮是類似半球形的曲面，曲面上并無明顯的凸模圓角，在設(shè)計(jì)過程中考慮更多的是凸模型面位置，如何更好的方便板料入模.圖3為機(jī)車前圍板蒙皮凸模型面.

3 模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)車前圍板蒙皮凹模采用整體式［1］，為了使凹模工作時(shí)可靠、穩(wěn)定，采用螺栓－壓板的固定方式.這樣可以保證固定的可靠性，便于更換和拆裝.

機(jī)車前圍板蒙皮凹模的三維模型如圖4所示，由于在機(jī)車領(lǐng)域形面的更新?lián)Q代快，批量小，模具的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性尤為重要，為了減輕重量提升技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，機(jī)車前圍板蒙皮模具的內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用支撐板組焊的方式，根據(jù)圖2機(jī)車前圍板蒙皮三維視圖和凹型面的位置，支撐板的布置以大變形區(qū)域?yàn)橹髦螀^(qū)，依次向兩側(cè)排列如圖所示.內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖4 機(jī)車前圍板蒙皮凹模三維模型

圖5 機(jī)車前圍板蒙皮凹模三維模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.2凸模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)車前圍板蒙皮凸模也采用整體式，為了使凸模工作時(shí)可靠、穩(wěn)定，采用機(jī)械式螺栓－壓板的固定方式.

機(jī)車前圍板蒙皮凸模內(nèi)部結(jié)構(gòu)同樣采用布置支撐板的方法，支撐板的布置以板料大變形區(qū)域?yàn)橹髦螀^(qū)，依次向兩側(cè)排列如圖6所示.

圖6 機(jī)車前圍板蒙皮凸模內(nèi)部結(jié)構(gòu)

為了方便支撐板的定位，提升模具強(qiáng)度，支撐板采用拼接的方式，在橫板和豎板分別開凹槽，為了方便觀察，取凸模三塊橫板中的一塊，四塊豎板中的一塊，圖7、8為橫板和豎板的二維視圖，從圖中可以清晰的看出支撐板的拼接方式.

3.3沖壓方向的選擇

沖壓方向就是指凸模的運(yùn)動(dòng)方向和板料在凹模中的位置關(guān)系，沖壓方向的選擇決定了機(jī)車前圍板蒙皮成形是否能夠順利完成.沖壓方向決定了板料能否全部流入凹模，能否使得沖壓件的各部分拉深深的均勻.如果沖壓方向選擇的不合理，會(huì)出現(xiàn)坯料移動(dòng)等不良現(xiàn)象，影響成形質(zhì)量.沖壓方向應(yīng)使板料各部分的進(jìn)料速度均勻，充分發(fā)揮板料的塑性性能［2］.

在沖壓開始時(shí)，盡量使模具與板料的接觸點(diǎn)比較多，使板料受力均勻.盡量保證接觸位置靠近模具的中心位置，保證模具產(chǎn)生較小的側(cè)向力，使沖壓穩(wěn)定，根據(jù)機(jī)車前圍板蒙皮的實(shí)際特點(diǎn)綜合考慮，選取的沖壓方向如圖9所示.

圖9 機(jī)車前圍板蒙皮沖壓成形方向

3.4模具間隙的確定

根據(jù)機(jī)車前圍板蒙皮沖壓成形零件圖的相關(guān)尺寸，以凹模為基準(zhǔn)，凸模配作相應(yīng)的尺寸.一般冷沖壓的凸凹模間隙為1.1～1.2倍板料厚度，對(duì)于機(jī)車前圍板蒙皮，為了使成形的尺寸形狀更精確和避免表面拉傷，凸凹模的間隙為1.1倍的板料厚度.

3.5模具材料的選擇

組成模具的零件主要有兩類:①工藝零件，直接參與工藝過程并和坯料有直接接觸零件;②結(jié)構(gòu)零件，不直接參與完成工藝過程，也不和坯料有直接接觸，只對(duì)模具完成工藝過程起保護(hù)作用.在模具材料的選擇上，主要考慮是否滿足耐磨性和強(qiáng)韌性工作要求，是否滿足可加工性、可鍛造性、熱處理性能等要求，最后是技術(shù)經(jīng)濟(jì)性.綜合多方面原因工藝零件材料選取45鋼，結(jié)構(gòu)零件選取16Mn.

4 模擬分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，有限元方法有了良好的基礎(chǔ)，并在當(dāng)今各個(gè)領(lǐng)域都有重要的作用.有限元數(shù)值模擬可以很好的解決非線性接觸的金屬材料塑性成形問題，大大的縮短模具設(shè)計(jì)和調(diào)整的時(shí)間以及減少制造成本［3］.

4.1幾何模型的建立

由于有限元軟件前處理建立三維模型的功能有限，不能在DYNAFORM中直接建模和修改，只能在專業(yè)的三維CAD軟件Proe中建模，然后將建好的模型導(dǎo)入到CAE軟件DYNAFORM中.

仿真分析時(shí)，不將整個(gè)模具三維模型導(dǎo)入，只導(dǎo)入模具曲面進(jìn)行仿真模擬，由于模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了減少計(jì)算時(shí)間，不用將整個(gè)模具的三維模型都導(dǎo)入，只需提取曲面就可以準(zhǔn)確的完成仿真過程.板料的模型采用三維實(shí)體，通過在Proe中實(shí)體的拉伸等操作完成.模擬時(shí)需要用到的零件有凸模、凹模、板料.裝配模型如圖10所示.

圖10 數(shù)值模擬裝配模型

4.2網(wǎng)格劃分

圖11所示，單元類型凸模、凹模為殼體單元，板料為實(shí)體單元，劃分模具和板料的最小網(wǎng)格尺寸均為0.5 mm，最大為5 mm，設(shè)置沖壓力為1 000 kN.摩擦系數(shù)為0.125，板料網(wǎng)格總數(shù)為17 639.

圖11 模型的網(wǎng)格劃分

4.3材料屬性的定義

將建好的凸模、凹模、板料三個(gè)零件的幾何模型以.igs格式導(dǎo)入到DYNAFROM中，分別定義凸模、凹模、板料，然后定義板料材料屬性.凸凹模為殼體單元，板料為實(shí)體單元.本課題的鋼板是09CuPCrNiA，鋼板的屈服強(qiáng)度357 MPa，楊氏模量204 000 MPa，泊松比0.27，與軋制方向成0°角方向的塑性應(yīng)變比0.28，與軋制方向成45°角方向的塑性應(yīng)變比1.267，與軋制方向成90°角方向的塑性應(yīng)變比0.988.

4.4結(jié)果分析與驗(yàn)證

從圖12回彈量偏移云圖中可以看到，板料的最大回彈量出現(xiàn)在大變形區(qū)，回彈量最大值為1. 7 mm，小于對(duì)外覆蓋件回彈量2 mm的要求［4-7］.根據(jù)模擬結(jié)果，制作沖壓模具，對(duì)機(jī)車前圍板蒙皮沖壓成形的試驗(yàn)檢驗(yàn)，結(jié)果表明試制的機(jī)車前圍板蒙皮成形質(zhì)量良好，表面無明顯缺陷.

圖12 回彈偏移量云圖

5 結(jié)論

( 1)借助有限元模擬軟件DYNAFORM對(duì)模具凹型面、凸型面進(jìn)行空間復(fù)雜曲面尺寸、定位等設(shè)計(jì)可行性驗(yàn)證，模具設(shè)計(jì)滿足要求;

( 2)數(shù)值模擬成形過程中，機(jī)車前圍板蒙皮沖壓成形回彈量為1.7 mm，小于2 mm;

( 3)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模具設(shè)計(jì)符合要求.

［1］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì).中國(guó)模具設(shè)計(jì)大典［M］.南昌:江西科學(xué)技術(shù)出版社，2003: 350-400.

［2］方華松.汽車B柱成形仿真與回彈分析［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

［3］陳文亮.板料成型CAE分析教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4］徐丙坤，施法中.板料沖壓成形回彈的數(shù)值模擬［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2001( 2) : 194-197.

［5］陳煒，王曉路，高霖.板料多步?jīng)_壓回彈的數(shù)值模擬研究［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，2005( 5) : 12-15.

［6］龔紅英.板料沖壓成形CAE實(shí)用教程［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［7］MAKER BRADLEY N，ZHU XINHAI.Input Parameters for Metal Forming Simulation using LS-DYNA［M］.Livermore: Software Technology Corporation，2000: 1-10.

FEA and Mold Design of Locomotive Front-End Panel Skin in Stamping Process based on Numerical Simulation

WANG Dayong1，YU Lei1，TENG YingLi1，HUANG Yonghong2
( 1.Liaoning Key Material Laboratory for Railway，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China; 2.Dalian Locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.CNR Group，Dalian 116022，China)

Stamping process of locomotive front-end panel skin was analyzed，and the stamping process mold was designed.DYNAFORM software is used to simulate and study the stamping process of locomotive frontend panel skin.The study proves that FEA is practical，and the stamping mold complex surface size，location and other design feasibility can be obtained.It is also can be used as a reference to the mold design and setting technical parameter to decrease the time of trying dies and reduce the product cost.

stamping; process; mold design; FEA

A

1673-9590( 2016) 01-0060-04

2015-03-30

王大勇( 1971－)，男，副教授，碩士，主要從事金屬塑性成形技術(shù)的研究

E-mail: wangdy@ djtu.edu.cn.