半盒形特征件全工序多步?jīng)_壓成形工藝優(yōu)化

王 利，黃昭明，胡李勇，張 成

(1.宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與汽車學(xué)院，安徽 宣城 242000；2.皖江工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031；3.無錫九和模具有限公司 技術(shù)部，江蘇 無錫 214142)

隨著車身設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和形面精度與質(zhì)量要求的不斷提高，眾多車身覆蓋件需要通過多工序沖壓成形獲得[1-2]。全工序沖壓成形能夠有效提高制件形面質(zhì)量與精度，但制件形面起皺、回彈和開裂等成形性問題產(chǎn)生的原因也更加復(fù)雜。隨著計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)與仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，大大提高了拉延成形仿真的成功率，也為全工序多步?jīng)_壓成形的實(shí)施提供了有力的支撐[3-4]。

相關(guān)研究表明：合理的工藝方案規(guī)劃，合理的拉延模面設(shè)計(jì)，包括拉延工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)、壓料面設(shè)計(jì)、拉延筋設(shè)計(jì)，拉延筋運(yùn)用[5-7]以及拉延模擬過程設(shè)置與成形工藝優(yōu)化是全工序多步?jīng)_壓成形設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素[8]。本文以半盒形特征件為研究對象，建立制件的全工序沖壓成形工藝方案，設(shè)計(jì)制件的全工序模面并完成沖壓成形數(shù)值模擬與優(yōu)化。研究旨在通過CAE技術(shù)[9-10]的全工序多步?jīng)_壓成形仿真技術(shù)快速反饋復(fù)雜制件的成形問題，在零件沖壓后滿足成形極限圖的基礎(chǔ)上，以板料厚度均勻性為評價指標(biāo)，提出成形工藝優(yōu)化方案，為車身模具開發(fā)與研究人員提供規(guī)律性指導(dǎo)。

1 全工序工藝方案規(guī)劃

半盒形特征件為左右件，形狀為帶凸臺的半盒形件，其中右件的三維數(shù)模，如圖1所示。針對制件的外形，可以通過開口側(cè)左右件合并處理后，應(yīng)用拉延工序完成制件主要形面的成形來提高其成形質(zhì)量和生產(chǎn)效率。制件除拉延成形工序外，還包括翻邊、切邊和沖孔等工序。在應(yīng)用制件的全工序模面設(shè)計(jì)時，需要規(guī)劃其沖壓成形工藝方案，依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用“OP05落料、OP10一次拉延、OP20二次拉延、OP30切邊與沖孔、OP40翻邊”成形次序較為合理。

2 全工序模具設(shè)計(jì)

2.1 全工序模面設(shè)計(jì)

基于全工序工藝方案，應(yīng)用CAE全程驅(qū)動的方法能夠快速、有效的設(shè)計(jì)制件的拉延模面，進(jìn)而提高模具的開發(fā)效率和縮短模具的開發(fā)周期。首先將半盒形特征件右件的三維數(shù)模導(dǎo)入AutoForm軟件，依次進(jìn)行零件準(zhǔn)備、翻邊模面設(shè)計(jì)、切邊與沖孔模面設(shè)計(jì)、二次拉延設(shè)計(jì)和一次拉延設(shè)計(jì)，將模面設(shè)計(jì)的最后一個工序Draw10一次拉延模面作為料片的展開對象，該模面如圖2所示。

圖1 半盒形特征件右件三維數(shù)模

圖2 Draw10一次拉延模面

2.2 料片展開與板料參數(shù)性能

CAE驅(qū)動的料片展開計(jì)算有基于單工序的一步法和基于全工序的增量法：在AutoForm中一種方法是利用快速成形模擬分析計(jì)算和料片生成器求解最小料片的粗略計(jì)算，一般應(yīng)用于成形模擬過程設(shè)置；第二種方法是利用切邊線優(yōu)化模塊優(yōu)化料片輪廓，主要針對質(zhì)量要求較高的多工序鈑金件成形的全工序精確計(jì)算，用于模擬結(jié)果的過程優(yōu)化。

2.2.1 料片展開

應(yīng)用料片生成器求解制件模面的最小料片，零件采用左右對稱件半輸入類型。最小料片的輪廓求解方法為：在應(yīng)用最小料片頁中求解對象選擇Draw10一次拉延模面，以凹模分模線擴(kuò)大40mm作為求解最小料片的參考邊界線，定義壓邊條件為無壓料自由成形料片，再調(diào)用一步法求解器求解。求解完成時，邊界線自動導(dǎo)入到當(dāng)前的模擬文件，半盒形特征件的雙件料片展開圖，如圖3所示。

圖3 半盒形特征件的雙件料片展開圖

2.2.2 板料參數(shù)性能

零件所用材料為鎂鋁合金5754H22，板料厚度為1.2mm，控制參數(shù)設(shè)置為殼單元，該材料的力學(xué)性能參數(shù)由材料庫導(dǎo)入AutoForm軟件的材料庫中，以供有限元數(shù)值模擬計(jì)算調(diào)用。材料為鋁時，楊氏模量7×104 N/mm2、泊松比為0.30、密度為2.7×104 kg/mm3、硬化曲線為Hockett-Sherby、屈服面為Barlat、雙軸應(yīng)力因子M=8.0、成形極限曲線為Arcelor V9 A1，對應(yīng)的曲線，如圖4所示。

由圖4可以看出，不同特性的金屬應(yīng)選用不同的彈塑性本構(gòu)模型計(jì)算板料沖壓成形仿真過程中的應(yīng)力應(yīng)變。本文應(yīng)用Barlat(1991)非二次屈服準(zhǔn)則解決材料在何復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下開始屈服和應(yīng)用與Barlat(1991)屈服函數(shù)相關(guān)聯(lián)的流動準(zhǔn)則建立彈塑性本構(gòu)模型。

圖4 材料5754H22的力學(xué)性能曲線或曲面

2.3 全工序過程設(shè)計(jì)

全工序過程設(shè)計(jì)包含一次拉延Draw10、二次拉延Draw20和翻邊Form40，而OP05落料、與OP30切邊與沖孔在仿真中應(yīng)用激光3D切割類型不影響分析結(jié)果不納入過程設(shè)置。全工序過程設(shè)計(jì)涉及料片、模具、潤滑、模具運(yùn)動過程以及控制等因素，其中模具運(yùn)動過程為設(shè)計(jì)要點(diǎn)。Draw10、Draw20與Form40模具體運(yùn)動過程與相關(guān)參數(shù)，分別如表1、表2與表3所示。

表1 Draw10模具體運(yùn)動過程與相關(guān)參數(shù)

表2 Draw20模具體運(yùn)動過程與相關(guān)參數(shù)

表3 Form40模具體運(yùn)動過程與相關(guān)參數(shù)

二次拉延成形建立在一次拉延成形的基礎(chǔ)上，故在做二次拉延成形前，需要對一次拉延成形的部位可靠定形定位。對應(yīng)的半盒形特征件模具體全工序過程有限元模型如圖5所示。

實(shí)際沖壓速度即壓機(jī)沖壓頻率，在5～80spm(strokes per minute，沖次每分鐘)的常用沖壓頻率下，其大小對制件的實(shí)際成形質(zhì)量影響不大。對于拉延件，當(dāng)沖壓頻率繼續(xù)提高，材料流動時間減小，速度減慢，則受拉部位的開裂趨勢增大，受壓部位的起皺趨勢增大；對于彎曲件，則塑性變形時間縮短，回彈量將增大。車身覆蓋件的有限元仿真中運(yùn)動模具體的沖壓速度一般取1mm/s，該沖壓速度能夠使制件在大于25spm的合理沖壓頻率下滿足廠家試模要求。有工程經(jīng)驗(yàn)知，以30spm的沖壓頻率試沖時，制件不會發(fā)生成形性問題。

圖5 半盒形特征件模具體全工序過程有限元模型

2.4 初次仿真分析

圖6所示為初次仿真結(jié)果及沖壓成形極限圖(FLD)，初次仿真結(jié)果顯示零件A處開裂，開裂的主要原因是一次拉延過程中材料流過該處圓角時流動速度過慢，拉應(yīng)力超過了材料的強(qiáng)度臨界值所致，從沖壓成形極限圖(FLD)顯示應(yīng)力應(yīng)變點(diǎn)云穿過成形極限曲線FLC判斷制件開裂，開裂部位即為成形圖6的A處所示。圖6c所示初次仿真結(jié)果顯示制件的實(shí)際邊界輪廓與目標(biāo)邊界輪廓之間存在一定的差距，制件的這種邊線誤差是由制件拉延后產(chǎn)生的塑性變形所致。

由初次仿真分析獲知制件的沖壓成形需要通過開裂優(yōu)化與切邊線優(yōu)化來消除開裂部位與減小邊界輪廓誤差。

圖6 半盒形特征件優(yōu)化前后的成形圖

3 全工序模擬過程優(yōu)化

3.1 開裂優(yōu)化

開裂優(yōu)化方法包含造型優(yōu)化、拉延筋優(yōu)化、料片輪廓線優(yōu)化、工藝口和切口設(shè)置優(yōu)化以及成形工序優(yōu)化五種[11-14]。針對制件圓角處的開裂現(xiàn)象，可以應(yīng)用放大產(chǎn)品局部圓角的方法進(jìn)行造型優(yōu)化，方法為：將零件上A區(qū)域倒圓角的三處半徑10mm、10mm、10mm分別放大至15mm、25mm、20mm，并更新所有過程設(shè)置重新提交計(jì)算，開裂優(yōu)化后的成形圖如圖6b所示，零件上B區(qū)域開裂現(xiàn)象得到明顯改善，開裂處的厚度由0.48mm上升到0.98mm。

3.2 切邊線優(yōu)化

針對制件的邊界輪廓誤差，應(yīng)用Trim切邊線優(yōu)化來模擬現(xiàn)場的多次取樣過程，將產(chǎn)品邊界線定義為目標(biāo)界線，通過Trim切邊線優(yōu)化進(jìn)行多次迭代計(jì)算，使拉延后的產(chǎn)品邊界不斷逼近產(chǎn)品邊界線，直至達(dá)到預(yù)定的產(chǎn)品邊界公差要求。方法為：在一次拉延Draw20過程設(shè)置頁面創(chuàng)建一個切邊Trim項(xiàng)，切邊線關(guān)聯(lián)目標(biāo)零件右件邊界輪廓，并定義為3D切邊類型，設(shè)置最大迭代次數(shù)為5次、最大偏差為0.3mm，通過求解過程中的日志輸出可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過4次迭代計(jì)算后，最大偏差值降至0.22mm，該值達(dá)到了最大偏差為0.3mm的設(shè)置精度要求，切邊優(yōu)化求解計(jì)算完成，圖6d切邊優(yōu)化后的制件成形圖顯示邊界輪廓誤差大大減小。

4 結(jié)論

(1)通過半盒形特征件右件三維數(shù)模的成形工藝分析，規(guī)劃出制件的全工序工藝方案為OP05落料、OP10一次拉延、OP20二次拉延、OP30切邊與沖孔、OP40翻邊，依據(jù)全工序工藝方案做了全工序多步?jīng)_壓成形仿真，仿真結(jié)果顯示一處產(chǎn)品圓角處發(fā)生了開裂現(xiàn)象，且制件的實(shí)際邊界輪廓與目標(biāo)邊界輪廓誤差較大。

(2)針對制件的全工序成形問題，制定了對應(yīng)的成形工藝優(yōu)化，通過產(chǎn)品造型優(yōu)化消除了制件的開裂問題，通過切邊線優(yōu)化，減小了制件的實(shí)際邊界輪廓與目標(biāo)邊界輪廓誤差，優(yōu)化后的制件滿足成形質(zhì)量與精度要求，實(shí)現(xiàn)了全工序多步?jīng)_壓成形仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)的無縫對接。

(3)全工序多步?jīng)_壓成形模擬能夠快速、有效的獲取工藝模面，并實(shí)現(xiàn)了全工序模面設(shè)計(jì)與多步?jīng)_壓成形仿真的可靠銜接，獲得的初次仿真結(jié)果對后期的工藝過程優(yōu)化參考性優(yōu)于僅對關(guān)鍵工序仿真的多步?jīng)_壓成形模擬。