基于CAE的側(cè)圍內(nèi)板中段成形工藝分析及模具設(shè)計

崔禮春，徐迎強

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 工藝分析

側(cè)圍內(nèi)板中段零件如圖1所示，材質(zhì)DC04，料厚1.0mm，不僅在高度方向上呈“臺階”形式，在水平方向也有彎曲，且左側(cè)端頭位置存在型面落差，不利于成形走料。該零件成形關(guān)鍵在于工藝方案的選擇、工藝補充面的生成及工藝參數(shù)設(shè)置，而目前CAE仿真可有效使沖壓成形由“經(jīng)驗”走向“科學(xué)”，由“定性”分析走向“定量”計算，從而優(yōu)化工藝參數(shù)，縮短模具試模周期[1-4]。本文基于CAE平臺技術(shù)，研究側(cè)圍內(nèi)板中段成形工藝，完成拉深模的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖1 側(cè)圍內(nèi)板中段

2 工藝方案

該零件傳統(tǒng)成形工藝方案，采用了左右合件的封閉拉延工藝，如圖2所示，包括拉延型面1，坯料線2，分模線3，拉延筋4及拉延后零件邊界線5。其工藝缺點如下：

圖2 傳統(tǒng)拉延工藝模面

（1）拉延型面的工藝補充面較多，其材料利用率僅為30%；

（2）兩零件相連部分長度大，需多序分切，且拉延型面為封閉形式，后續(xù)修邊后存在較大應(yīng)力釋放，回彈較大，必須增加整形工序，因此工序內(nèi)容多，包括 OP10拉延，OP20修邊沖孔，OP30修邊分切，OP40修邊翻邊整形，OP50沖孔側(cè)修邊，降低生產(chǎn)效率，增加模具工裝成本；

（3）圖1左側(cè)端頭位置存在型面落差，不利于成形走料，起皺開裂風(fēng)險較大，工藝適用性差。

圖3 基于單邊壓料的敞開拉深工藝模面

工藝補充后型面如圖3所示，為提高材料利用率及減少工序數(shù)，優(yōu)化零件品質(zhì)，結(jié)合零件造型特點，采用了基于兩側(cè)壓料的左右合件的敞開拉深工藝，包括成形型面1，坯料線2，分模線3，拉延后零件邊界線4、送料方向5、檻結(jié)構(gòu)壓料面6、驅(qū)動壓料面7、預(yù)先壓料面8。其工藝優(yōu)缺點如下：

（1）基于拉深成形后修邊工藝，來保證零件料邊準(zhǔn)確性，其工藝補充面較少，其工藝材料利用率達(dá)57%；

（2）兩零件相連部分長度段，設(shè)置一序分切，且敞開拉深后進(jìn)行修邊，板料存在較小的應(yīng)力釋放情況，同時CAE仿真可優(yōu)化型面回彈量，無整形工序，因此工序內(nèi)容少，提高生產(chǎn)效率，降低模具工裝成本；

（3）由于壓料不構(gòu)成封閉輪廓，有利于圖1中左側(cè)端頭位置處落差型面成形，規(guī)避零件起皺開裂風(fēng)險，工藝適用性強，因此合理分布托料點及平衡托料力就成為模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的一大要點；

（4）考慮成形充分，檻結(jié)構(gòu)壓料面6采用檻結(jié)構(gòu)對坯料進(jìn)行約束，考慮兩側(cè)壓料不同步，保證板料定位穩(wěn)定，采用預(yù)先壓料面8預(yù)先壓料工藝，因此最終拉深過程：預(yù)先壓料面8下行預(yù)先壓料→檻結(jié)構(gòu)壓料面6下行檻結(jié)構(gòu)約束→驅(qū)動壓料面7下行成形零件；

（5）本成形工藝受力不平衡，其側(cè)向力較大，為保證模具導(dǎo)向精度及模具強度，上模座及下模座設(shè)置側(cè)導(dǎo)向機構(gòu)，保證壓料塊工作穩(wěn)定性；

（6）這種拉深方式采用兩側(cè)壓料方式，模具結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。

3 CAE仿真

一般傳統(tǒng)評估拉深工藝的好壞，是采用經(jīng)驗和類比設(shè)計方法，待模具設(shè)計完成后，用規(guī)定的板料在模具中沖壓零件，再按照零件出現(xiàn)的各種質(zhì)量問題如破裂、起皺、剛性不足、回彈過大等，對模具和沖壓工藝參數(shù)進(jìn)行反復(fù)修正，直到?jīng)_出合格零件為止。而基于CAE仿真平臺技術(shù)，可解決此問題[5-9]。

3.1 有限元建模與參數(shù)設(shè)置

在UG軟件中對原有產(chǎn)品數(shù)模進(jìn)行工藝面補充，建立滿足仿真要求的零件三維模型，再導(dǎo)入Dynaform軟件中進(jìn)行沖壓仿真。材質(zhì)為DC04，料厚1.0mm，板料為落料后的料邊輪廓，預(yù)先壓料面8和檻結(jié)構(gòu)壓料面6壓邊力4.0x105N，驅(qū)動壓料面7壓邊力2.0x105N，摩擦系數(shù)為0.15，零件剛性為50，利用Dynaform建立有限元模型，如圖4所示，包括驅(qū)動壓料面7、檻結(jié)構(gòu)壓料面6、預(yù)先壓料面8、坯料2、成形凹模面1、托料模塊3。

圖4 有限元模型

3.2 成形過程及結(jié)果分析

從圖5成形效果圖可以看出，零件成形充分，回彈量小，且無開裂風(fēng)險，成形效果佳，滿足工藝需求。后續(xù)工作將以此模面進(jìn)行模具設(shè)計工作，將設(shè)計風(fēng)險降到最低，為制造出合格的沖壓件做準(zhǔn)備。針對此方案進(jìn)行后工序工藝設(shè)計，為保證產(chǎn)品后續(xù)工藝的可行性，模具強度及零件最終質(zhì)量，確定最終工藝內(nèi)容：OP10落料，OP20拉深成形，OP30修邊沖孔，OP40分切修邊沖孔，如圖6所示。

圖5 成形效果圖

圖 6 OP30、OP40工藝

4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

模具以零件下型面為基準(zhǔn)（凹?；鶞?zhǔn)），凸模按照單邊1.0mm配做，模具結(jié)構(gòu)圖如圖7～9所示。上模增加排氣孔?6mm，便于零件脫離凸凹模型面；本工藝受力不平衡，其側(cè)向力較大，為保證模具導(dǎo)向精度及模具強度，上模座及下模座設(shè)置側(cè)導(dǎo)向機構(gòu)；兩側(cè)壓料氮氣彈簧型號，因根據(jù)所需壓邊力來設(shè)計，以保證壓邊力均勻及大小合適，同時氮氣彈簧應(yīng)串聯(lián)連接，若某氮氣彈簧損壞，充氣時可及時發(fā)現(xiàn)并更換[10-12]。

圖7 下模結(jié)構(gòu)圖

圖8 上模結(jié)構(gòu)圖

圖9 下模實物圖

5 實物驗證

現(xiàn)階段該產(chǎn)品已完成批量生產(chǎn)，產(chǎn)品驗證效果良好，無開裂暗傷，零件精度達(dá)標(biāo)，實物圖見圖10。

圖10 零件實物圖

6 結(jié)論

針對側(cè)圍內(nèi)板中段“彎曲臺階”類零件，基于CAE仿真平臺技術(shù)，分析了兩側(cè)壓料的敞開拉深工藝的成形過程，將材料利用率提高至57%，降低零件工序數(shù)，提高生產(chǎn)效率，降低模具工裝成本。并根據(jù)工藝優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計開發(fā)了該工藝的模具工裝，經(jīng)批量產(chǎn)品驗證，效果良好。