基于AutoForm的階梯盒形件沖壓工藝模擬及優(yōu)化＊

高文嬙，潘遠(yuǎn)安

（長(zhǎng)春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校，吉林長(zhǎng)春 130013）

1 引言

沖壓加工作為材料成形的重要手段在汽車等制造業(yè)中占有至關(guān)重要的地位[1]。利用模具實(shí)現(xiàn)材料的沖壓加工，使其成為具有一定尺寸、形狀和性能制件的加工方法，不僅能夠保證制件的質(zhì)量，也能提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本[2～3]。盒形件在生產(chǎn)中較為常見，一般用于連接或固定其它零件，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一般采用沖壓工藝進(jìn)行加工，且沖壓質(zhì)量直接決定最終裝配質(zhì)量，因此，把控盒形件的沖壓質(zhì)量對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有重要意義[4]。實(shí)際生產(chǎn)前，通?？梢岳糜邢拊抡孳浖?duì)沖壓過程進(jìn)行模擬分析，評(píng)定工藝設(shè)計(jì)的合理性并預(yù)判潛在的質(zhì)量問題，為優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)提供可靠的支撐和依據(jù)[5～6]。本文以階梯盒形連接件為研究對(duì)象，制定加工工藝方案和參數(shù)，采用AutoForm軟件模擬了拉伸成形過程，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化。

2 制件工藝性分析

圖1所示連接件材料為08AL，料厚為1mm，生產(chǎn)批量為中批量。首先對(duì)制件進(jìn)行工藝性分析，08AL為優(yōu)質(zhì)的碳素結(jié)構(gòu)鋼，塑性好，適合沖壓成形。尺寸及形狀精度要求未特殊說明，按照IT14進(jìn)行設(shè)計(jì)，符合沖壓工藝要求，且制件簡(jiǎn)單對(duì)稱，圓筒內(nèi)外側(cè)最小圓角半徑為R2mm大于板料厚度，符合拉伸工藝要求。

圖1 制件圖

3 制件工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)制件特征，成形需要完成拉伸、沖孔、切邊3道工序，根據(jù)制件批量需求確定沖壓工藝：OP10拉伸，OP20切邊沖孔。

4 仿真模擬

該制件生產(chǎn)的核心工藝是拉伸，因此采用AutoForm軟件對(duì)OP10拉伸工藝進(jìn)行仿真模擬，確保制件成形性，并對(duì)重點(diǎn)的工藝參數(shù)壓料力、板料尺寸、摩擦系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，確定工藝參數(shù)優(yōu)化方向。

4.1 制定工藝補(bǔ)充面

由于拉伸工藝特點(diǎn)，拉伸后制件邊緣不規(guī)整，要為后續(xù)的切邊留有足夠的余量，且在拉伸過程中需要先把沖孔部分進(jìn)行填充，因此需要設(shè)計(jì)工藝補(bǔ)充面，以進(jìn)行后續(xù)仿真模擬，如圖2所示。

圖2 工藝補(bǔ)充面

4.2 確定沖壓方向

為了保證拉伸質(zhì)量，拉伸采用凸模在下凹模在上的倒裝模具結(jié)構(gòu)。由于制件小端存在向內(nèi)的沖壓負(fù)角，因此需要將制件傾斜一定的角度再進(jìn)行沖壓加工，經(jīng)過分析，確定調(diào)整的傾角為7°，沖壓方向沿Z軸向下,如圖3所示。

圖3 沖壓方向

4.3 確定模擬參數(shù)

將制件及工藝補(bǔ)充面導(dǎo)入AutoForm軟件，設(shè)定模具類型為倒裝模具，給定沖壓方向，定義板料尺寸為45×60mm2，定義凸模、凹模及壓邊圈，壓邊力設(shè)為2MPa，摩擦系數(shù)設(shè)為0.15，進(jìn)行仿真模擬。

4.4 模擬結(jié)果

基于以上條件，成形模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 成形模擬結(jié)果

由分析結(jié)果可知，制件一次成形性較好，但是在盒型底部3條棱線交匯的圓角位置有輕微的拉裂可能性，因此可以通過調(diào)整參數(shù)對(duì)拉伸工藝進(jìn)行優(yōu)化。

5 結(jié)果分析及優(yōu)化

5.1 板料大小

由于板料尺寸的大小不同，會(huì)導(dǎo)致板料在拉伸的過程中拉伸力不同，將明顯影響拉伸質(zhì)量。根據(jù)切邊工藝需求，拉伸后工序件應(yīng)預(yù)留足夠的余量，因此首先要對(duì)制件進(jìn)行板料展開，確定拉伸所需最小板料尺寸，并在此基礎(chǔ)上確定板料尺寸為40×55mm2、45×60mm2、50×70mm2，分別進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同板料尺寸成形模擬結(jié)果

根據(jù)模擬結(jié)果可知，當(dāng)板料尺寸為40×55mm2時(shí)，拉伸件成形性較好，僅在棱線交匯處圓角位置出現(xiàn)減薄，但并未發(fā)生明顯拉裂。隨著板料尺寸的增加，減薄量大的區(qū)域逐漸增大，當(dāng)板料尺寸為50×70mm2時(shí)，制件小端出現(xiàn)大面積減薄嚴(yán)重區(qū)域，存在拉裂風(fēng)險(xiǎn)，這是由于板料尺寸的增大增加了板料與凹模和壓邊圈之間的摩擦力，從而使拉伸力增大，圓角位置受到的雙向拉應(yīng)力增大，變薄加劇。因此，板料尺寸應(yīng)當(dāng)在滿足切邊余量的前提下盡量取較小值。

5.2 摩擦系數(shù)

板料與工作零件表面的摩擦力會(huì)使拉伸力增大，增加拉裂的可能性，但其同時(shí)也限制了凸緣部分板料的流動(dòng)速度，在一定程度上減少了起皺的可能性，因此摩擦系數(shù)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)取值，采用摩擦系數(shù)為0.1、0.15、0.2及0.5的潤(rùn)滑條件進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同摩擦系數(shù)成形模擬結(jié)果

由對(duì)比分析模擬結(jié)果可知，隨著摩擦系數(shù)的增加，凸緣部分的起皺可能性略有減小，但是盒形底部圓角處材料減薄明顯增大，當(dāng)摩擦系數(shù)為0.5時(shí)，材料發(fā)生明顯斷裂。這主要是受到摩擦力的影響，導(dǎo)致材料流動(dòng)困難，最終形成斷裂。因此，在盒形件成形時(shí)應(yīng)盡量減小摩擦系數(shù)，必要時(shí)可以添加潤(rùn)滑油。

5.3 壓邊力

采用壓邊圈并施加合理的壓邊力能夠有效改善拉伸質(zhì)量，但是壓邊力過大會(huì)增大拉伸阻力，增加拉裂的可能性，而壓邊力過小則不能有效地避免起皺。因此，在模擬中設(shè)置調(diào)整壓邊力以優(yōu)化得到合理的壓邊力大小。采用壓邊圈壓強(qiáng)分別為10MPa、50MPa、100MPa、200MPa，分別對(duì)成形過程進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同壓邊力成形模擬結(jié)果

由模擬結(jié)果可知，隨著壓邊力的增加，凸緣部分起皺趨勢(shì)減低，但效果不明顯，同時(shí)隨著壓邊力的增加，圓角處減薄率明顯增加，提高了拉裂的可能性。因此，在盒形件拉伸過程中，壓邊力在不明顯發(fā)生起皺的前提下應(yīng)盡可能取較小值。

6 結(jié)論

本文針對(duì)某階梯盒形件進(jìn)行了工藝性分析，制定了拉伸、切邊沖孔兩道沖壓加工工序，并利用AutoForm軟件進(jìn)行了拉伸成形模擬分析?；谀M結(jié)果，研究了板料尺寸、摩擦力及壓邊力3個(gè)參數(shù)對(duì)拉伸質(zhì)量的影響因素，由于階梯盒形件成形困難，主要可能產(chǎn)生的缺陷是拉裂，為了避免拉裂應(yīng)在滿足切邊余量需求的前提下盡量減小板料尺寸，同時(shí)盡量降低壓邊力和摩擦系數(shù)，減少材料減薄率，提高制件成形質(zhì)量。根據(jù)以上分析結(jié)果和工藝參數(shù)優(yōu)化方向指導(dǎo)生產(chǎn)，可以降低盒形類制件廢品率，具有重要的實(shí)際意義。