多工位級進沖模模具結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究

許景華

摘要：隨著制造行業(yè)不斷發(fā)展，企業(yè)對于制造成本與生產(chǎn)效率的重視程度日益增加。相比于傳統(tǒng)沖模，級進模可以減少所需工人數(shù)量，降低制造成本，但級進模存在精度與質(zhì)量問題。對此，本文基于汽車底梁加固件級進模，提出一種使用有限元模型控制模具重量的優(yōu)化方法，促使模具重量減少13.22 %，變形量降低13.73 %。

關(guān)鍵詞：沖模模具;結(jié)構(gòu)分析;優(yōu)化技術(shù)

中圖分類號：TG385? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

在汽車工業(yè)不斷發(fā)展的過程中，開始呈現(xiàn)出強度高、重量輕的發(fā)展趨勢。這是政府和環(huán)保部門提出的要求，也是市場選擇。雖然通過高強度材料能夠有效減小汽車重量，但其制造難度也隨之增加。開展高強度材料沖壓活動時，沖模所承受的荷載情況較為復雜，為了有效提高模具強度，設(shè)計人員通常會對安全系數(shù)進行調(diào)整，然而這樣會導致模具規(guī)格增加，影響精度，使生產(chǎn)成本增加，所以需要積極地進行優(yōu)化[1]。

1? 多工位級進沖壓模具的結(jié)構(gòu)分析

要想充分優(yōu)化模具，應(yīng)該認真分析模具結(jié)構(gòu)，本文以汽車底梁加固件模具為例，展開詳細研究。

1.1? 下模結(jié)構(gòu)分析

對于級進模下模模具，結(jié)構(gòu)方面主要包括架立板、架上板、墊板、下模等部分。通過選擇有限元建模方式進行分析，上下模具分析過程并無較大差異。但是，下模立板設(shè)計過程相對較為復雜，需要考慮大量工藝條件對其的影響，所以，本文選擇下模模具進行有限元建模分析。

首先，網(wǎng)格劃分。借助Hypermesh軟件對立板、上板、墊板以及凹模展開網(wǎng)格劃分，獲得汽車梁底板的有限元網(wǎng)格分析模型。其次，設(shè)置材料參數(shù)。按照不同組件實際材質(zhì)構(gòu)建材料屬性，同時向不同組件賦予相應(yīng)材料屬性[2]。再次，定義接觸。先對接觸面進行創(chuàng)建，然后進行接觸關(guān)系設(shè)定。最后，構(gòu)建約束與載荷。實施約束條件，對壓力機臺面的下表面自由度進行約束。載荷主要是由自身重力、映射工具形成的成形力與沖裁力構(gòu)成。

在多工位級進沖壓過程中，板料成形屬于動態(tài)過程，在各個沖壓時刻中，模具結(jié)構(gòu)實際受力情況存在一定差異，但是，結(jié)構(gòu)分析工作屬于靜態(tài)過程。如果分析所有沖壓時刻，則會嚴重增加計算時間。所以，可以重點挑選受力較大工況開展結(jié)構(gòu)分析工作，通過與壓力機滑塊4點的實際距離進行工況標定[3]：

（1）與下死點相距8.0 mm，級進模開展2-3工位的沖裁半圓孔與外輪廓工序、12工位的落料切斷工序;（2）與下死點相距7.4 mm，級進模開展1-3、6、11、12總計6個工位的沖裁工序沖壓;（3）與下死點相距7.0 mm，級進模開展1-3、6、11、12總計6個工位的沖裁工序沖壓;（4）與下死點相距0 mm，工位4、5、7、9、10工位中成形力達到最大值。提交給HyperWorks/Radioss軟件進行運算，表1為不同工況中下模具變形量最大值。

通過表1能夠發(fā)現(xiàn)，基于工況1條件，在第3工位的外輪廓沖裁位置的模具結(jié)構(gòu)變形量達到最大數(shù)值，具體為0.816 mm;基于工況2條件，第2工位的外輪廓沖裁位置，模結(jié)構(gòu)變形量達到最大值，具體為0.057 3 mm;基于工況3條件，第6工位的沖裁位置模具結(jié)構(gòu)變形量達到最大值，具體為0.047 1 mm;基于工況4條件，第9工位的整形位置模具結(jié)構(gòu)變形量達到最大值，具體為0.053 0 mm。由此可見，不同工況條件下產(chǎn)生的最大變形量各有不同，最大變形量受到工況條件、位置等影響。

1.2? 上模結(jié)構(gòu)分析

在傳統(tǒng)汽車底梁多工件級進模的上模中，通過模架立板可對閉合高度進行調(diào)整，立板設(shè)計通常會根據(jù)設(shè)計人員進行布置，較為密集，使得材料成本不斷增加。所以，在傳統(tǒng)模架立板基礎(chǔ)上進行拓撲優(yōu)化，借助靜力分析級進模上模結(jié)構(gòu)，對其結(jié)構(gòu)位移量情況進行深入分析，為其優(yōu)化參數(shù)提供有益參考[4]。

底梁加固件的級進模上模結(jié)構(gòu)有限元建模和下模結(jié)構(gòu)并無較大差異，借助Hypermesh軟件，對上模結(jié)構(gòu)展開網(wǎng)格劃分，構(gòu)建邊界條件與約束條件，進行接觸關(guān)系定義以及材料參數(shù)設(shè)置，選取受力最大的4個工況，按照具體工況進行有限元模型構(gòu)建。提交給HyperWorks/Radioss軟件進行運算，表2為不同工況中上模具變形量最大值。

通過表2能夠發(fā)現(xiàn)，基于工況1條件，第1工位的半圓孔沖裁凸模位置模具結(jié)構(gòu)的變形量達到最大值，即0.008 1 mm;基于工況2條件，第6工位的沖孔凸模位置模具結(jié)構(gòu)變形量達到最大值，即0.047 3 mm;基于工況3條件，第6工位的沖孔凸模位置模具結(jié)構(gòu)變形量達到最大值，即0.041 0 m;基于工況4條件，第9工位的整形位置模具結(jié)構(gòu)變形量達到最大值，即0.037 1 mm。由此可見，不同工況條件下產(chǎn)生的最大變形量各有不同，變形量受到工況條件和位置的影響。

2? 某汽車底梁級進模具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1? 下模拓撲優(yōu)化

對于拓撲優(yōu)化手段，主要將材料分布情況作為優(yōu)化目標，不斷提高區(qū)域內(nèi)材料分布合理性與科學性。構(gòu)建拓撲優(yōu)化的有限元模型過程中，上模結(jié)構(gòu)與下模結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化并無較大差異。其優(yōu)化建模涵蓋4個部分：（1）設(shè)計工件，對拓撲優(yōu)化進行定義;（2）進行約束條件設(shè)置;（3）進行載荷分析初步定義;（4）進行優(yōu)化參數(shù)設(shè)置，本文主要選擇下模具進行拓撲優(yōu)化的建模過程。

拓撲優(yōu)化定義：將優(yōu)化目標選為立板結(jié)構(gòu)，并設(shè)計可設(shè)計空間，從兩側(cè)排出成形廢料，在末端落料位置將成品排出，同時進行排料間隙預留，寬度需要超出10 mm，通過預留空間為安裝氮氣彈簧提供保障，確保可設(shè)計空間能夠得到有效保持。

約束條件設(shè)置：使用拓撲優(yōu)化的過程中需要對優(yōu)化結(jié)果加工型進行深入分析。若是無法通過現(xiàn)有工藝進行制造或加工成本較高，則優(yōu)化結(jié)果的應(yīng)用價值較低。對于拓撲優(yōu)化，借助HyperWorks/OptiStruct軟件進行工藝約束條件設(shè)置，進而實現(xiàn)對零件加工性考慮，例如拔模約束、模式組以及其他約束條件。對于立板的設(shè)計空間，其有限元網(wǎng)格尺寸是15 mm，成員尺寸最大值是120 mm，最小值是60 mm，z軸正方向為拔模方向。

載荷分析步定義：將上述下模結(jié)構(gòu)的特征向有限元模型中進行載荷映射，同時對其相應(yīng)載荷狀態(tài)和沖床下臺面實際約束進行組合，建立基于拓撲優(yōu)化條件的載荷分析部，進而建立基于拓撲優(yōu)化下的邊界條件。

優(yōu)化參數(shù)的設(shè)置：將優(yōu)化之前的模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，對優(yōu)化參數(shù)展開科學設(shè)置。通過立板的可設(shè)計空間對下模立板進行替換，并通過有限元模式進行網(wǎng)格劃分，同時，選擇上述下模結(jié)構(gòu)分析中的數(shù)據(jù)進行設(shè)置，借助HyperWorks/Radioss軟件對不同工況下的模具結(jié)構(gòu)進行分析。

在優(yōu)化之前，第3工位的外輪廓沖裁刃口位置下模結(jié)構(gòu)變形量達到最大值0.071 8 mm。通過傳統(tǒng)級進模中結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)變形量的最大值是0.081 6 mm。兩者相比，優(yōu)化前的變形量最大值更小，表明根據(jù)傳統(tǒng)方法進行級進模下模結(jié)構(gòu)設(shè)計的剛度更加突出。所以，對下模結(jié)構(gòu)展開拓撲優(yōu)化的過程中，應(yīng)該以原有剛度為前提，對結(jié)構(gòu)重量進行控制。對于拓撲優(yōu)化，若是將目標函數(shù)選為體積，則設(shè)計改變的敏感較低，所以在下模結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化的過程中，目標函數(shù)選為體積。

下模結(jié)構(gòu)優(yōu)化闡述一般是設(shè)置目標函數(shù)與優(yōu)化相應(yīng)。在立板的可設(shè)計空間中可以進行體積分數(shù)相應(yīng)定義，類型設(shè)定成Volunmefrac。根據(jù)工況劃分結(jié)果，進行位移相應(yīng)定義（數(shù)量4個），選擇傳統(tǒng)級進模下模節(jié)點位移最大值作為位移約束實際上限值。選擇可設(shè)計空間中的體積分數(shù)為目標函數(shù)，保證各個約束條件得到滿足，促使可設(shè)計空間的體積分數(shù)達到最小值，并設(shè)定成拓撲優(yōu)化目標函數(shù)。

通過HyperView將分析數(shù)據(jù)文件夾中的.mvw文件打開，即能夠處理拓撲優(yōu)化的具體結(jié)果。對閾值滑塊進行調(diào)節(jié)，即可以對各個單元密度條件下的材料分布情況進行查看。

2.2? 上模拓撲優(yōu)化

上模結(jié)構(gòu)的拓撲建模和下模結(jié)構(gòu)拓撲建模并無較大差異，涵蓋參數(shù)優(yōu)化、載荷分析不定義、約束條件設(shè)置以及設(shè)計空間四部分。開展上模架立板可設(shè)計空間設(shè)計工作室，需要對導柱與氮氣彈簧安裝空間進行充分考慮，對可設(shè)計空間進行充分保持。

將上模結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的分析數(shù)據(jù)作為參考，合理設(shè)置優(yōu)化參數(shù)。對于傳統(tǒng)級進模架立板，通過上模架立板的可設(shè)計空間進行替代，并分析上模結(jié)構(gòu)，選擇和1.2中上模結(jié)構(gòu)相同參數(shù)設(shè)置以及便捷條件。對于4個工況條件優(yōu)化之前，第6工位的沖孔工序沖裁凸模位置上模結(jié)構(gòu)變形量達到最大值0.047 30 mm。通過1.2上模結(jié)構(gòu)的分析數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，上模結(jié)構(gòu)變形量最大值是0.473 3 mm。優(yōu)化前變形量最大值和原結(jié)構(gòu)之間并無較大差異，所以，對上模結(jié)構(gòu)展開拓撲優(yōu)化的過程中，同樣以保證原有剛度不受損情況下，將控制結(jié)構(gòu)重量作為主要目標。

上模立板中，可設(shè)計空間的網(wǎng)格規(guī)格是15 mm，成員尺寸最大值是120 mm，成員尺寸最小值是60 mm，z軸正方向為拔模方向。根據(jù)工況劃分結(jié)果，進行位移相應(yīng)定義（數(shù)量4個），選擇傳統(tǒng)級進模下模節(jié)點位移最大值作為位移約束實際上限值。選擇可設(shè)計空間中的體積分數(shù)為目標函數(shù)，借助HyperWorks/OptiStruct軟件，迭代求解上模拓撲模型。

2.3? 級進模模具優(yōu)化再設(shè)計

拓撲優(yōu)化屬于概念性方法，借助得到給定區(qū)域內(nèi)的材料分布最優(yōu)方法，獲得理論層面的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。其能夠減少設(shè)計人員在經(jīng)驗方面的依賴程度，為多工位級進模提供全新設(shè)計想法。所以，應(yīng)該以級進模結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合拓撲優(yōu)化情況，并將優(yōu)化所獲得的最優(yōu)分布方法作為重要依據(jù)，合理地設(shè)計上模與下模的架立板結(jié)構(gòu)，進而獲得相應(yīng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)。在設(shè)計過程中需要遵循相應(yīng)原則：第一，與迭代計算所獲材料分布最優(yōu)方式相符;第二，保證再設(shè)計結(jié)構(gòu)的完整性;第三，遵循便于加工與等效簡化原則。

在HyperWorks軟件中，Ossmooth單元能夠根據(jù)單元密度結(jié)構(gòu)進行封閉等值曲面構(gòu)建，并對原邊界條件進行自動保留。借助Ossmooth單元能夠把超出某個單元密度值的幾何模型采用*.Iges格式進行儲存，進而向UG軟件輸入拓撲結(jié)果展開再設(shè)計工作。比如在下模架立板優(yōu)化中，借助Ossmooth單元進行單元密度超出0.10模型構(gòu)建，通過*.Iges格式進行保存，同時向UG軟件進行輸入，見圖1。

結(jié)合相應(yīng)再設(shè)計原則，將材料分布的最優(yōu)方法作為重要依據(jù)，同時對叉車貨叉工作空間以及下模架立板安裝進行充分考慮，合理再設(shè)計架立板結(jié)構(gòu)。

3? 優(yōu)化性能分析

以下模結(jié)構(gòu)為例，出于對實際加工過程中成本問題和安裝便捷性的考慮，立板貫穿結(jié)構(gòu)通常會保持一致。所以，本文以超出0.10單元密度為基礎(chǔ)開展模具再設(shè)計工作。在傳統(tǒng)設(shè)計方法中架立板結(jié)構(gòu)為11條，而圖1中僅有9條，借助UG軟件測量，再設(shè)計的立板重量是1 120.22 kg，體積是0.141 8 m3，整體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)相比降低13.22 %?；诓煌r條件，優(yōu)化結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)的具體變形量情況如表3所示。

通過表3可以發(fā)現(xiàn)，與原結(jié)構(gòu)的變形量相比，優(yōu)化結(jié)構(gòu)之后，在所有工況條件下的變形量均有所下降，尤其是在工況4條件下，變形量下降最大，達到13.73 %。由此可見，上述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施可行，且工況4相應(yīng)條件設(shè)置，有利于優(yōu)化效果的提升。

4? 結(jié)語

本文通過構(gòu)建有限元模型方式分析多工位級進模具結(jié)構(gòu)，同時通過拓撲優(yōu)化方法進行優(yōu)化。在保證使用便捷的基礎(chǔ)上，有效降低模具重量，為處理汽車生產(chǎn)過程中高強度材料和模具設(shè)計中的質(zhì)量、強度問題提供有力參考，為提高模具加工效率以及降低生產(chǎn)成本等方面提供了全新思路。

（責任編輯：張? 瓊）

參考文獻：

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