基于COPRA的電梯導(dǎo)軌輥彎成型仿真與模具調(diào)試研究

王傳紅，駱 晶，黃勇軍，趙榮國(guó)

（1.揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.江蘇帝爾保機(jī)械有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225008）

1 引言

導(dǎo)軌產(chǎn)品大多應(yīng)用于各種門(mén)框類產(chǎn)品的底部滑槽或邊框，本研究對(duì)象為電梯導(dǎo)軌的側(cè)面邊框，產(chǎn)品截面，如圖1所示。材質(zhì)為SPCC。設(shè)計(jì)者對(duì)產(chǎn)品形狀、尺寸提出較高的技術(shù)要求，以便于后續(xù)深加工[1]。在實(shí)際生產(chǎn)中以經(jīng)驗(yàn)法、試錯(cuò)法為主的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不但費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，而且往往無(wú)法成型出圖紙規(guī)定的形狀和尺寸精度[2-4]。COPRA軟件源于德國(guó)慕尼黑大學(xué)的一項(xiàng)冷彎研究項(xiàng)目，是第一個(gè)用于冷彎成型設(shè)計(jì)的商業(yè)化軟件[5-7]。借助于該軟件，設(shè)計(jì)者能夠完成復(fù)雜斷面的成型工藝設(shè)計(jì)，自定義板帶的計(jì)算方式，快速配輥，自動(dòng)標(biāo)注以及進(jìn)行軋輥板帶的三維圖生成，進(jìn)行DTM分析來(lái)調(diào)整工藝方案，在生產(chǎn)方面能夠快速生成材料的鋸切下料表，大大節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)水平。因此，運(yùn)用COPRA軟件對(duì)電梯導(dǎo)軌的成型工藝進(jìn)行有限元仿真，并根據(jù)模具調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，研究相應(yīng)的解決策略。

圖1 產(chǎn)品截面圖Fig.1 Diagram of Product Section

2 材料性能及技術(shù)要求

2.1 材料性能

產(chǎn)品材料SPCC對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)牌號(hào)為08AL，是一種優(yōu)質(zhì)的冷沖壓脫氧鎮(zhèn)靜鋼冷軋板，其性能參數(shù)，如表1所示。

表1 08AL材料力學(xué)性能Tab.1 Material Mechanical Properties of 08AL

2.2 技術(shù)要求

根據(jù)產(chǎn)品的使用要求，對(duì)該產(chǎn)品提出如下技術(shù)要求：

（1）在X-X，Y-Y面的翹度和扭曲相對(duì)全長(zhǎng)1/1000任意長(zhǎng)度的1m上，為1mm；

（2）平面度為0.4mm以下；

（3）導(dǎo)軌截?cái)嗝鎽?yīng)沒(méi)有缺陷和毛刺；

（4）在折彎部應(yīng)沒(méi)有裂紋。

3 成型工藝分析

通過(guò)產(chǎn)品的截面輪廓分析可知，應(yīng)采用先外后內(nèi)的成型順序，即先成型兩側(cè)小邊，再借助側(cè)輥進(jìn)行疊邊部分的成型，共計(jì)采用19個(gè)道次對(duì)電梯導(dǎo)軌進(jìn)行成型加工，其工藝變形圖，如圖2所示。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行配輥，操作過(guò)程中需要遵循以下六個(gè)原則：

（1）方便調(diào)試與安裝，盡量減少工人調(diào)試和裝配的難度；

（2）截面孔型可以設(shè)計(jì)成封閉式，便于借取“外力”保證彎角成型質(zhì)量，上下輥寬度相等便于直觀檢查模具是否裝配到位；

（3）對(duì)于可能影響成型的因素在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)優(yōu)先考慮；

（4）易磨損部位軋輥應(yīng)進(jìn)行分片處理以便于后期更換；

（5）疊邊部分的內(nèi)圓角需要對(duì)輥花工藝進(jìn)行調(diào)整，適當(dāng)?shù)丶哟蟑B邊部分圓角的弧長(zhǎng)，避免材料發(fā)生斷裂，疊邊部分用側(cè)滾擠壓成型；

（6）盲角處的成型需要通過(guò)反彎直線段以便于借助主輥成型，保證垂直面成型公差。

圖2 工藝變形圖Fig.2 Diagram of Process Deformation

4 COPRA DTM變形模擬及FEA仿真

4.1 COPRA DTM變形模擬

使用COPRA的成型優(yōu)化功能對(duì)圖2的變形工藝進(jìn)行變形模擬。根據(jù)客戶提供的機(jī)組參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，如表2所示。其DTM變形模擬和中心應(yīng)變歷程的峰值曲線，如圖3、圖4所示。

表2 機(jī)組參數(shù)Tab.2 Unit Parameters

從圖3中可知第11道次的應(yīng)變最大，已經(jīng)超過(guò)了材料應(yīng)變的極限值，表示生產(chǎn)時(shí)板帶的局部區(qū)域壓應(yīng)力過(guò)大，容易使材料減薄而產(chǎn)生邊波等缺陷[8-10]，甚至大大增加了板材開(kāi)裂的趨向，這說(shuō)明產(chǎn)品的工藝不合理。

圖3 DTM變形模擬圖Fig.3 Diagram of DTM Deformation Simulation

4.2 輥花及配輥工藝改進(jìn)

根據(jù)DTM的分析結(jié)果，以第11道次為例進(jìn)行輥花及配輥的改進(jìn)：

（1）適當(dāng)增大疊邊部分的圓角弧長(zhǎng)；

（2）對(duì)上輥進(jìn)行分片處理（在COPRA建模階段無(wú)需作分片處理，但在實(shí)際加工過(guò)程中需對(duì)上下軋輥進(jìn)行分片）。

根據(jù)改進(jìn)后的輥花對(duì)成型工藝進(jìn)行了DTM的變形模擬，其結(jié)果，如圖4所示。對(duì)比圖3可見(jiàn)第11道次的應(yīng)變值在應(yīng)變極限以下。通過(guò)適當(dāng)增大疊邊處圓角的弧長(zhǎng)能夠充分保證疊邊部分的成型質(zhì)量，避免開(kāi)裂的產(chǎn)生。因此，第11～17道次成型以能夠保證疊邊兩面平行為主，第18、19道次采用側(cè)輥成型以達(dá)到疊邊的最終成型。

圖4 改進(jìn)后DTM變形模擬圖Fig.4 Improved DTM Deformation Simulation

4.3 COPRA FEA仿真

由于DTM在計(jì)算時(shí)考慮的參數(shù)有材料特性、成型幾何、軋輥直徑、機(jī)架間距等因素，采用DTM分析僅僅是從輥花的工藝上進(jìn)行簡(jiǎn)單的工藝判定，并沒(méi)有能考慮實(shí)際安裝過(guò)程中可能存在的問(wèn)題，所以僅僅能作為一種趨勢(shì)來(lái)告知我們?cè)诋a(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)如何調(diào)整工藝來(lái)避免應(yīng)變較大的情況產(chǎn)生。因此，為得到貼合實(shí)際的分析結(jié)果，需要運(yùn)用COPRA FEA進(jìn)行仿真來(lái)考查成型過(guò)程中可能產(chǎn)生的問(wèn)題。

利用COPRA FEA模塊對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真前，首先需要對(duì)材料的網(wǎng)格（直線實(shí)體、圓弧實(shí)體、板帶成型方向的網(wǎng)格疏密度）、材料屬性、機(jī)架間距、是否帶摩擦運(yùn)算等進(jìn)行定義，網(wǎng)格劃分將對(duì)最終的運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生不同的影響，更多的單元數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)會(huì)使結(jié)果趨于真實(shí)，但計(jì)算的時(shí)間和過(guò)程的不可控因素也會(huì)隨之增加。由于需要研究圓角處材料減薄的情況以及便于有效數(shù)據(jù)的獲取，需要將變形圓角處的網(wǎng)格進(jìn)行加密劃分。網(wǎng)格加密后第8道次仿真效果，如圖5所示。可見(jiàn)通過(guò)對(duì)網(wǎng)格加密劃分后，得到了較好的有限元仿真模型。

圖5 第8道次的仿真效果Fig.5 Simulation Results for the 8th Time

4.4 COPRA FEA仿真解析

在利用COPRA FEA模塊分析時(shí)，通常先通過(guò)觀看動(dòng)畫(huà)的方式，盡快地先去發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題；當(dāng)動(dòng)畫(huà)中我們不能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)或需要對(duì)問(wèn)題作進(jìn)一步分析時(shí)，先通過(guò)截面對(duì)比檢查板帶是否發(fā)生了位移以及延伸量數(shù)值，當(dāng)上述步驟不能滿足對(duì)問(wèn)題的判斷，可以通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)、單元的選取進(jìn)一步對(duì)標(biāo)量和矢量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

由于產(chǎn)品的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，使得在成型過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生橫向位移。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)X方向的位移使板帶在橫向發(fā)生了移動(dòng)，板帶邊長(zhǎng)了，但最終的型腔是按照產(chǎn)品的成型截面設(shè)計(jì)，多余的材料會(huì)向圓角處流動(dòng)，圓角的成型比較飽滿，但內(nèi)部的圓角半徑可能會(huì)有減小的趨勢(shì)[11]。而通過(guò)接觸法向應(yīng)力分析我們也能發(fā)現(xiàn)邊部的圓角成型會(huì)比較飽滿，但內(nèi)角尺寸達(dá)不到要求。設(shè)計(jì)截面與仿真截面的對(duì)比（圖中部分線條為設(shè)計(jì)截面的輥花），量取圖中圓圈處的厚度值t=2.0269mm，實(shí)際生產(chǎn)中測(cè)得的數(shù)值為1.96mm，可見(jiàn)仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)的數(shù)據(jù)相差2.0269-1.96=0.0669mm，該誤差在允許范圍內(nèi)，因此COPRA FEA仿真能夠?yàn)楫a(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)意義，如圖6所示。通過(guò)分析有限元模型彎角處節(jié)點(diǎn)的寬度應(yīng)變，能夠看出與疊邊相鄰的圓角寬度變化較為明顯。通過(guò)上述對(duì)位移、接觸應(yīng)力、截面對(duì)比、單元節(jié)點(diǎn)的寬度應(yīng)變分析，仿真結(jié)果中圓角的減薄量與實(shí)際的結(jié)果基本一致。實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)接到客戶訂單時(shí)，有時(shí)產(chǎn)品的交期緊而且截面復(fù)雜，再有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師也很難保證產(chǎn)品的成型工藝符合要求。借助于COPRA軟件的仿真功能，能夠判斷出設(shè)計(jì)的工藝是否會(huì)導(dǎo)致成型缺陷，當(dāng)不能以經(jīng)驗(yàn)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，參考仿真數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行優(yōu)化也是行之有效的辦法。

圖6 仿真截面測(cè)量數(shù)值Fig.6 Measurement Value of Simulation Section

5 模具調(diào)試研究與生產(chǎn)驗(yàn)證

5.1 模具調(diào)試的問(wèn)題與解決策略

具有扎實(shí)的理論知識(shí)并具備豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)是能夠設(shè)計(jì)出合格模具的前提，但并不意味著能夠生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。因?yàn)槟＞叩默F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試對(duì)產(chǎn)品的最終質(zhì)量具有重要的意義。該產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試所出現(xiàn)的問(wèn)題及所采用的解決策略，如表3所示。

表3 調(diào)試分析與解決策略Tab.3 Debugging Analysis and Solution Strategy

5.2 生產(chǎn)驗(yàn)證

根據(jù)電梯導(dǎo)軌仿真后軋輥孔型優(yōu)化設(shè)計(jì)的軋輥圖紙，并采用模具調(diào)試分析與解決策略在成型機(jī)組上進(jìn)行電梯導(dǎo)軌的驗(yàn)證生產(chǎn)，最終產(chǎn)品試樣合格，截面形狀清晰，技術(shù)要求達(dá)到客戶需求。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)COPRA仿真與現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)實(shí)際對(duì)比，我們不難發(fā)現(xiàn)，仿真能夠幫助設(shè)計(jì)者檢驗(yàn)成型工藝的設(shè)計(jì)是否合理，幫助設(shè)計(jì)者改善成型工藝，優(yōu)化配輥。從而減小成型缺陷，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。（2）模具調(diào)試時(shí)問(wèn)題的解決仍然離不開(kāi)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)應(yīng)變能力。應(yīng)牢固樹(shù)立嚴(yán)謹(jǐn)和細(xì)致的工作風(fēng)格，立足于數(shù)據(jù)，立足于客戶，盡可能考慮實(shí)際過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題，把現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和解決的問(wèn)題的時(shí)間優(yōu)化到最小，減少客戶因?yàn)槟＞咴O(shè)計(jì)不合理延誤交貨期的情況產(chǎn)生。