基于FASTAMP的汽車減震器鈑金件沖壓工藝及修邊沖孔模設(shè)計(jì)

朱紅萍，許 淼ZHU Hong-ping， XU Miao（沙洲職業(yè)工學(xué)院，張家港 215600）

機(jī)器人技術(shù)

基于FASTAMP的汽車減震器鈑金件沖壓工藝及修邊沖孔模設(shè)計(jì)

朱紅萍，許 淼
ZHU Hong-ping， XU Miao
（沙洲職業(yè)工學(xué)院，張家港 215600）

以某型號(hào)汽車減震器上的鈑金件拉延成形過程分析為例，對(duì)該鈑金件的沖壓成形過程進(jìn)行模擬分析。 借助于FASTAMP分析軟件對(duì)汽車減震器上鈑金件的成形過程、成形極限圖和減薄率的進(jìn)行預(yù)測(cè)，得出了坯料的形狀和拉延筋深度、形狀等工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響。在此基礎(chǔ)上對(duì)成形參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，解決了起皺和拉伸不足等缺陷。并利用UG軟件，設(shè)計(jì)了修邊沖孔模具中的上模、下模等其他結(jié)構(gòu)。

沖壓工藝；修邊模；汽車減震器

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，對(duì)汽車的要求也不斷的提高。在汽車中，沖壓零件占比例很大。例如減震器鈑金件，合理的成形工藝設(shè)計(jì)能夠給零件帶來很大的質(zhì)量提升。在汽車研發(fā)過程中，沖壓零件的工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)及制造周期很長(zhǎng)，以往零件的工藝分析、設(shè)計(jì)、制造等環(huán)節(jié)，周期長(zhǎng)，勞動(dòng)力大，成本高、效率低。隨著一些軟件的開發(fā)，能夠得到高質(zhì)量、高效率，低成本的沖壓零件。本文以某款汽車減震器鈑金件的沖壓成形為例，借助于有限元軟件FASTAMP對(duì)拉延成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，就其經(jīng)常出現(xiàn)成形過程中的不充分或成形質(zhì)量不好等問題進(jìn)行分析，確定出合適的沖壓參數(shù)。同時(shí)，對(duì)其修邊模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1　汽車減震器鈑金件的沖壓工藝分析

汽車減震器鈑金件要求沖壓成形后有較好的形狀、剛性和工藝性；零件不允許出現(xiàn)明顯的皺折、擦傷等缺陷；制件不出現(xiàn)拉裂及起皺，材料最大減薄率小于20%，且變形盡量均勻，圖1為該汽車減震器鈑金件圖。該零件材質(zhì)為DC04冷軋鋼，厚度1mm。該材料的屈服強(qiáng)度≥130MPa，抗拉強(qiáng)度≥270MPa，斷后伸長(zhǎng)率≥34%，外形尺寸近似為長(zhǎng)度150mm，寬度130mm，高度50mm，質(zhì)量約為0.182868kg。該鈑金件的幾何特征為：零件面A有三個(gè)小孔和一個(gè)大孔，有多處凹凸面，變化復(fù)雜，面A與面B是以半徑為8mm圓弧連接的，面B是傾斜的面。面C上有三個(gè)凹圓弧，半徑為6mm。綜合考慮，汽車減震器鈑金件的沖壓工序確定為落料→拉延→修邊沖孔→翻邊整形→修邊沖孔。

圖1　汽車減震器鈑金件零件模型

2　汽車減震器鈑金件的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1沖壓方向與壓料面的確定

在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要確定拉延工藝數(shù)模。而其中，沖壓方向的確定尤為重要。確定合理的沖壓方向直接決定著零件能否拉延成功。沖壓方向確定時(shí)主要考慮工件的可靠定位，拉延時(shí)不能有負(fù)角；各處拉延深度相差??；由于此處沒有斜孔需要沖制，因此無需斜楔機(jī)構(gòu)。圖2箭頭所指為沖壓方向。

壓料面設(shè)計(jì)合理與否，會(huì)直接影響到壓料面毛坯向凹模流動(dòng)的方向與速度，毛坯變形的分布與大小、破裂起皺等問題產(chǎn)生。壓料面設(shè)計(jì)不合理，還會(huì)在壓邊圈壓料時(shí)就形成皺折、余料等，有的在成形過程中不能消失而殘留在制件上。通過分析該鈑金件的形狀特點(diǎn)，其底面較為平整規(guī)則，因此，采用平面型壓料面。其最終的拉延工藝面設(shè)置如圖3箭頭所示的壓料面。

圖2　拉延工序沖壓方向

圖3 汽車減震器鈑金件的壓料面

2.2展開坯料線及必要的工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)

確定沖壓件的展開板料線的形狀及尺寸，是分析沖壓件變形程度設(shè)計(jì)工藝性及擬定工藝規(guī)程的前提。我們利用該軟件中的“展開板料線”功能即BEW，能夠快速展開復(fù)雜鈑金件的板料輪廓線，同時(shí)還可以預(yù)測(cè)鈑金件的成形結(jié)果，幫助設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計(jì)缺陷，為后續(xù)工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)提供有效參考。根據(jù)該鈑金件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及復(fù)雜程度，作必要的工藝補(bǔ)充，將其上表面的三個(gè)小孔補(bǔ)上。該鈑金件頂部的大孔無法一次成形，需后續(xù)翻邊整形后成形，繪制其工藝補(bǔ)充面及展開坯料線如圖4所示。

圖4　汽車減震器鈑金件的展開坯料線

2.3汽車減震器鈑金件拉延成形CAE分析

成形分析主要是利用CAE等相關(guān)軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行性能與安全可靠性分析，對(duì)其成形過程進(jìn)行模擬，是沖壓工藝中常用的一種分析方法。

本處主要借助于FASTAMP軟件集成在NX 8.5的CAE分析功能，對(duì)該鈑金件進(jìn)行可成形性與加工工藝分析，將模擬運(yùn)算后的結(jié)果進(jìn)行比較，以選擇出最佳的成形方案。本次模擬采用單動(dòng)成形，設(shè)置成形力和壓邊力分別為250、7.5T，沖壓速度為250mm/s，壓邊圈閉合速度250mm/s，接觸條件均采用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)值，提交求解器求解。經(jīng)過多次優(yōu)化處理，得到零件的FLD圖、成形性、減薄率，如圖5所示。

從圖5（a）中可以看出，該鈑金件未有明顯的開裂區(qū)域，無需改變圓角半徑改善沖壓成形性能，其余絕大多數(shù)區(qū)域均處于安全范圍內(nèi)。從圖5（b）中可以看出，鈑金件在豎直翻邊處易開裂，其余位置成形效果較好，且大部分比較均勻，因此可通過添加拉延筋來降低零件的減薄率。從圖5（c）得到，設(shè)置拉延筋后，減薄率最高處約為11.9%，大大地提高了拉延的可成形性。

2.4提取分模線和設(shè)計(jì)修邊線

在拉延模結(jié)構(gòu)中，分模線為凸模與壓邊圈的分界線，通常是封閉曲線。提取分模線之前，一定要做出完整的拉延件，才能提取凹模圓角中間線，組合成分模線。該鈑金件的分模線如圖6箭頭所示封閉曲線。

圖5　零件CAE模擬分析結(jié)果

圖6　分模線

修邊線是為了得到零件的內(nèi)外輪廓形狀而確定下來的用于沖裁掉預(yù)保留部分以外多余的形狀（工藝補(bǔ)充部分如壓料面等）的界線。有時(shí)為了得到一個(gè)不規(guī)則的多邊形沖壓件，可能由于其直接一次成形有難度，需要進(jìn)行工藝上的補(bǔ)充，增加一些其他的形狀做成一個(gè)比較容易沖壓成形得到的形狀。成形后，下一工序采用修邊形式把原來補(bǔ)充上去的部分再切掉，即可得到需要的形狀了。該該鈑金件的分模線如圖7箭頭所示封閉曲線。

圖7　修邊線

2.5創(chuàng)建實(shí)體筋

實(shí)體筋在拉延模中用以控制材料流動(dòng)，增大進(jìn)料阻力，調(diào)節(jié)進(jìn)料阻力的分布，使四周變形均勻。本處利用軟件自帶的創(chuàng)建實(shí)體筋功能，建立如圖8（a）所示的等效筋，圖中等效筋的位置決定了實(shí)體筋的位置。等效筋為實(shí)體筋的中心線，等效筋的位置就決定了實(shí)體筋的位置。等效筋是根據(jù)分模線沿著壓料面外形偏置一定距離得到，應(yīng)保證等效筋大于修邊線5mm～10mm以上。該鈑金件實(shí)體筋的形狀如圖8（b）所示。

圖8　創(chuàng)建實(shí)體筋

圖9　汽車減震器鈑金件修邊模結(jié)構(gòu)

3　汽車減震器鈑金件的修邊工序模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

修邊模設(shè)計(jì)是在成形分析以后進(jìn)行的。本文利用UG軟件，參考CAE分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了該鈑金件修邊模具。圖9（a）為修邊模上壓料芯零件圖，上壓料芯材料選用Cr12MoV。在壓料芯上安裝有壓料芯向?qū)?，便于與下料芯配合。同時(shí)，上壓料芯上預(yù)留幾個(gè)孔，便于安裝非標(biāo)沖頭。圖9（b）為修邊模的下模。其在卸料板和壓料芯創(chuàng)建導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，便于配合。卸料板與下模座設(shè)置兩個(gè)M10×40的銷釘和4個(gè)M10×45的安全螺釘。四個(gè)螺釘以正方形四個(gè)拐角的形式擺放。銷釘只需兩個(gè)，對(duì)頂角位置擺放。卸料板與下模座之間布置彈簧壓力源，卸料板壓力源安裝在卸料板和下模座之間，負(fù)責(zé)卸料板的上下行運(yùn)動(dòng)，達(dá)到卸料的目的。

該模具經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，成功壓制出了制件，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)修邊模具結(jié)構(gòu)的合理性。

4　結(jié)束語

本文對(duì)汽車減震器鈑金件進(jìn)行了工藝分析，選擇了合理的工藝方案。借助于FASTAMP軟件對(duì)零件數(shù)模進(jìn)行了成形性分析及工藝設(shè)計(jì)，繪制工藝補(bǔ)充面、定義沖壓方向、設(shè)計(jì)修邊線等。同時(shí)，在設(shè)計(jì)的過程中，對(duì)板料流入量、FLD圖、材料減薄率、料厚分布和起皺分析等進(jìn)行分析歸納，總結(jié)出汽車減震器鈑金件的可成型性和成形過程中的不足。并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了多次的調(diào)整與優(yōu)化，設(shè)計(jì)出合格的修邊模具。經(jīng)過模具調(diào)試批量生產(chǎn)證明，模具結(jié)構(gòu)合理，能生產(chǎn)出符合精度要求、質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。

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B

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朱紅萍（1978 -），女，江蘇人，講師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造、模具設(shè)計(jì)。