單反相機(jī)鎂合金外殼拉深成形回彈分析及補(bǔ)償

文／高孝書(shū)·寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王旭東·寧夏鎂業(yè)有限公司

拉深回彈控制的研究一直是熱點(diǎn)和難點(diǎn)。劉銘心等基于正交試驗(yàn)對(duì)座椅撐板沖壓成形進(jìn)行了回彈研究及優(yōu)化；茍春梅等利用AutoForm 建立汽車(chē)后地板零件沖壓成形的全流程的有限元模型，研究了沖壓成形的工藝參數(shù)優(yōu)化和回彈補(bǔ)償問(wèn)題；熊文韜等針對(duì)汽車(chē)覆蓋件拉深成形過(guò)程中存在的回彈缺陷，以有限元分析軟件Dynaform 為平臺(tái)，對(duì)某汽車(chē)頂板進(jìn)行了回彈分析與補(bǔ)償?shù)难芯俊５?，現(xiàn)有研究大多將拉深的工藝參數(shù)優(yōu)化和回彈補(bǔ)償分開(kāi)，很少將二者結(jié)合來(lái)控制拉深件的回彈。

鎂合金密排六方晶體結(jié)構(gòu)塑韌性差，在拉深成形過(guò)程中回彈量過(guò)大的缺陷會(huì)嚴(yán)重降低拉深件的成形精度。本文針對(duì)鎂合金板材拉深過(guò)程中回彈量大及成形精度不高的問(wèn)題，以某單反數(shù)碼相機(jī)鎂合金外殼為研究對(duì)象，利用Dynaform 軟件建立拉深成形有限元模型，通過(guò)AutoForm 西格瑪模塊優(yōu)化工藝參數(shù)，采用回彈補(bǔ)償法對(duì)拉深模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償修正，并在Dynaform 軟件中驗(yàn)證該方法的有效性。

有限元模型構(gòu)建

利用UG NX 軟件設(shè)計(jì)單反數(shù)碼相機(jī)外殼三維模型，導(dǎo)入Dynaform 軟件中創(chuàng)建有限元分析模型，如圖1 所示。拉深工序采用倒裝的單動(dòng)拉深成形工藝，拉深工具包括凹模、凸模、壓邊圈、切變線和沖孔線。

數(shù)值模擬分析

試驗(yàn)材料選用1.0mm 厚商用AZ31B 鎂合金板材，在有限元軟件中建立對(duì)應(yīng)材料模型，設(shè)置初始?jí)哼吜=9.8kN，拉深速度v=1.2mm/s，凸凹模間隙Z=1.1mm，板材溫度Tb=250℃，凸模溫度Tp=100℃。成形極限圖(FLD)如圖2 所示，經(jīng)有限元模擬計(jì)算，板材沒(méi)有發(fā)生明顯的開(kāi)裂或起皺缺陷。

拉深后的回彈情況如圖3 所示，回彈主要分布在工件右側(cè)邊緣區(qū)域，最大回彈量為2.311mm，超過(guò)了1.2mm 的產(chǎn)品回彈極限，拉深件回彈缺陷比較嚴(yán)重。如果不能將回彈量控制在合理范圍內(nèi)，實(shí)際生產(chǎn)的拉深件將無(wú)法保證裝配精度，對(duì)后續(xù)工序也將產(chǎn)生不利的影響。

回彈優(yōu)化

回彈優(yōu)化機(jī)理

目前優(yōu)化回彈缺陷的方法主要有兩種：一是通過(guò)工藝參數(shù)尋找最優(yōu)方案，改變板料成形時(shí)的應(yīng)變狀態(tài)以降低回彈量；二是采用修正拉深模具結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行回彈補(bǔ)償，通過(guò)拉深件發(fā)生過(guò)正向成形，使得拉深力卸載后的形狀符合期望形狀。

將以上兩種優(yōu)化方法相結(jié)合的回彈優(yōu)化流程，如圖4 所示。

工藝參數(shù)優(yōu)化

影響拉深成形回彈的因素主要包括材料參數(shù)和工藝參數(shù)。當(dāng)拉深件選材確定后，工藝參數(shù)成為影響回彈的主要因素。根據(jù)前期單因素拉深試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取對(duì)鎂合金板材拉深成形回彈影響最大的兩個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行回彈分析。本文選取壓邊力F 和板材溫度Tb進(jìn)行回彈有限元計(jì)算，其工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)變量情況見(jiàn)表1。

表1 工藝參數(shù)優(yōu)化分析試驗(yàn)的設(shè)計(jì)變量

借助AutoForm 西格瑪優(yōu)化模塊，以最小回彈量為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行25 組有限元模擬試驗(yàn)，得到的模擬結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5 可知，第19 組模擬試驗(yàn)的回彈量為1.343mm，是回彈最小的試驗(yàn)組，即最優(yōu)參數(shù)組，該組的壓邊力F 為17.7kN、板材溫度Tb為276.5℃。由于工藝參數(shù)優(yōu)化后的最小回彈量1.343mm 仍然大于1.2mm 的產(chǎn)品回彈極限，因此只通過(guò)工藝參數(shù)優(yōu)化難以徹底解決回彈問(wèn)題。

回彈補(bǔ)償

采用工藝參數(shù)優(yōu)化的方法只能盡量減小拉深件的回彈量，無(wú)法進(jìn)一步解決回彈在成形精度方面的不利影響，需采用回彈補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)抵消回彈缺陷。

利用Dynaform 軟件對(duì)拉深工序的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行回彈補(bǔ)償與修正，從而擴(kuò)大拉深件過(guò)正向成形比例。在有限元計(jì)算中，回彈補(bǔ)償循環(huán)迭代3 次后的回彈分布如圖6 所示，A、B 兩個(gè)區(qū)域的最大回彈量分別為0.892mm 和0.801mm，均小于1.2mm 的產(chǎn)品回彈極限。因此，在拉深力卸載后，成形的拉深件滿足尺寸公差要求，其形狀尺寸符合產(chǎn)品的期望值。

結(jié)論

本文以最小回彈量為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)AutoForm西格瑪模塊優(yōu)化工藝參數(shù)，工藝參數(shù)優(yōu)化中得到最優(yōu)組的壓邊力F 為17.7kN、板材溫度Tb為276.5℃，工藝參數(shù)優(yōu)化后的最優(yōu)組回彈量為1.343mm。

在此基礎(chǔ)上對(duì)拉深模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行回彈補(bǔ)償，當(dāng)回彈補(bǔ)償循環(huán)迭代3 次后，拉深件的最大回彈量從2.311mm 降至0.892mm，滿足尺寸公差要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，工藝參數(shù)優(yōu)化和回彈補(bǔ)償相結(jié)合的方法能夠有效地解決拉深件回彈問(wèn)題，縮短試模修模時(shí)間，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本。