基于AutoForm的固定支架毛坯尺寸計(jì)算及排樣設(shè)計(jì)

徐海斌

(常州大學(xué)懷德學(xué)院，江蘇 靖江 214500)

0 引言

沖壓是通過(guò)借助沖壓設(shè)備對(duì)模具加載壓力，使板料分開(kāi)隔離或者塑性變形，從而獲得某種形狀尺寸部件的一種工藝技術(shù)[1]。憑借著精度高、互換性強(qiáng)、生產(chǎn)效率高、能耗低等加工優(yōu)勢(shì)，沖壓技術(shù)已廣泛應(yīng)用于我國(guó)制造行業(yè)中，如航空航天部件、汽車部件、五金產(chǎn)品等生產(chǎn)領(lǐng)域。沖壓產(chǎn)品的質(zhì)量不僅與模具制造精度有關(guān)，還與零件的初始毛坯尺寸和排樣方式有很大的關(guān)系。同時(shí)，毛坯的排樣對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)成本也有著較大的影響。傳統(tǒng)的毛坯尺寸計(jì)算是依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)估算，這種方法設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，尺寸精度無(wú)法保證，生產(chǎn)成本較高。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，各種有限元分析軟件的不斷問(wèn)世，簡(jiǎn)化了毛坯尺寸的計(jì)算過(guò)程，縮短了生產(chǎn)周期，還提高了產(chǎn)品精度[2]。本文通過(guò)AutoForm分析軟件對(duì)一種固定支架類零件進(jìn)行毛坯外形尺寸計(jì)算及排樣方式設(shè)計(jì)，再根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條狀板料的規(guī)格尺寸選擇合適的工件間距值，優(yōu)化排樣方式，從而為沖壓模具從業(yè)者提供參考。

1 AutoForm軟件介紹

AutoForm是由歐洲AutoForm工程公司開(kāi)發(fā)的國(guó)際著名的板料成形模擬分析軟件，它利用有限元法對(duì)金屬?zèng)_壓成形的全過(guò)程進(jìn)行模擬分析[3]。AutoForm主要包含的模塊有用戶界面、自動(dòng)網(wǎng)格劃分、一步成形、模面設(shè)計(jì)、增量求解、切邊以及液壓成形等，能夠完成從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)到模具設(shè)計(jì)全過(guò)程的模擬仿真，并且可對(duì)產(chǎn)品成形的可行性進(jìn)行系統(tǒng)檢查，預(yù)判可能存在的失效行為，其操作簡(jiǎn)便，可靠性高，被全球約90%的汽車部件制造商用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和模具設(shè)計(jì)過(guò)程中。AutoForm中可對(duì)一些形狀簡(jiǎn)單的產(chǎn)品快速形成毛坯輪廓圖，并利用毛坯輪廓圖進(jìn)行排樣設(shè)計(jì)，具體操作步驟包括三維建模、模型導(dǎo)入、參數(shù)設(shè)置、毛坯外形尺寸計(jì)算、排樣參數(shù)設(shè)置和排樣圖計(jì)算，最終得到產(chǎn)品排樣圖及材料利用率。

2 固定支架毛坯外形尺寸計(jì)算

2.1 三維建模

本文通過(guò)SolidWorks 2018繪制固定支架的三維模型，如圖1所示。從三維模型可知，該產(chǎn)品由兩個(gè)相互垂直的平面組成，兩平面相交處由圓角過(guò)渡，產(chǎn)品可通過(guò)落料、沖孔、折彎三道工序完成制作，繪制完成的三維模型以igs格式保存。

2.2 模型導(dǎo)入

將繪制完成的三維模型(igs格式)導(dǎo)入AutoForm中，由于AutoForm無(wú)法對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行展開(kāi)計(jì)算，因此需將實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為片體模型。選定需要展開(kāi)的平面，利用AutoForm中的Extract功能，將實(shí)體模型抽取為片狀模型，如圖2所示。

圖1 固定支架三維模型 圖2 固定支架的片狀模型

2.3 參數(shù)設(shè)置

設(shè)置沖壓方向?yàn)槠骄ㄏ?，材料為SPHE，其抗拉強(qiáng)度不小于270 MPa，斷后伸長(zhǎng)率不小于37%，零件厚度為3 mm。

2.4 毛坯外形尺寸計(jì)算

利用AutoForm中的成形檢測(cè)功能設(shè)置計(jì)算零件的毛坯外形和尺寸，得到毛坯的輪廓線圖，如圖3所示，輪廓面積約為8 270 mm2，該輪廓圖可用于落料工序排樣設(shè)計(jì)。

圖3 固定支架毛坯輪廓圖

3 排樣及材料利用率分析

3.1 按理論狀態(tài)進(jìn)行排樣設(shè)計(jì)

利用AutoForm可對(duì)計(jì)算得出的毛坯輪廓進(jìn)行排樣設(shè)計(jì)，不僅方便快捷，而且準(zhǔn)確度較高。本零件為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)且形狀較規(guī)則，因此按單排排樣進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)零件的外形尺寸、材料性質(zhì)及厚度，查閱相關(guān)資料得出排樣最小搭邊值：工件間距為2.5 mm，側(cè)面為2.8 mm[4]。將所選的最小搭邊值輸入AutoForm并設(shè)定排樣方式依次為橫排(0°)、斜排(45°)、豎排(90°)，得出排樣設(shè)計(jì)圖及材料利用率，如圖4所示。

圖4 排樣設(shè)計(jì)圖

由模擬結(jié)果可知：對(duì)于軸對(duì)稱且外形規(guī)則零件，斜排的排樣方式材料利用率最低，橫排和豎排的排樣方式材料利用率差異不大。

3.2 按實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行排樣設(shè)計(jì)

實(shí)際生產(chǎn)中，沖壓所用的材料一般為各種規(guī)格的板材，再根據(jù)沖壓產(chǎn)品的排樣方式裁剪成長(zhǎng)寬為整數(shù)的條狀板材。上文所選的搭邊值是按照理論狀態(tài)下確定的最小搭邊值，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，搭邊值的確定還需要根據(jù)條狀板材的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，一方面可以提高材料的利用率，另一方面也可以提高模具使用壽命，避免沖壓缺陷的產(chǎn)生，確保產(chǎn)品質(zhì)量。本文按照實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)，假定條狀板材的長(zhǎng)度固定值為1 000 mm，側(cè)搭邊值設(shè)定為2.8 mm，針對(duì)橫排和豎排兩種排樣方式，通過(guò)調(diào)整工件間距，優(yōu)化排樣設(shè)計(jì)并計(jì)算實(shí)際的材料利用率。

3.2.1 橫排排樣設(shè)計(jì)優(yōu)化

圖5(a)為優(yōu)化前排樣設(shè)計(jì)，條料板材長(zhǎng)度L=1 000 mm，零件毛坯輪廓寬度為90 mm，工件間距為2.5 mm，側(cè)搭邊值設(shè)定為2.8 mm時(shí)，條料的寬度為：90+2.8+2.8=95.6 mm，取整后寬度為96 mm。在一塊條料只能沖裁8個(gè)產(chǎn)品的情況下，可將多余的條料長(zhǎng)度平均分配至工件間距中。優(yōu)化后的工件間距a(mm)由下式計(jì)算：

a=L-n×lN.

(1)

其中：n為可沖壓的產(chǎn)品數(shù)量，n=8；l為產(chǎn)品毛坯輪廓在板材長(zhǎng)度方向的尺寸，l=117.27 mm；N為條狀板材上工件間的間隔數(shù)量，N=9。

將相關(guān)數(shù)值代入式(1)，計(jì)算得a=6.87 mm。

將工件間距設(shè)定為6.5 mm，并按新工件間距優(yōu)化設(shè)計(jì)橫排排樣，如圖5(b)所示，優(yōu)化后的排樣設(shè)計(jì)材料利用率η為：

η=S×nL×B×100%.

(2)

其中：S為毛坯輪廓的面積，S=8 270 mm2；B為條狀板材的寬度，B=96 mm。

將相關(guān)數(shù)值代入式(2)，計(jì)算得η=68.9%。

圖5 橫排排樣設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.2.2 豎排排樣設(shè)計(jì)優(yōu)化

圖6(a)為優(yōu)化前排樣設(shè)計(jì)，條料板材長(zhǎng)度為1 000 mm，零件毛坯輪廓寬度為117.27 mm，工件間距為2.5 mm，側(cè)搭邊值設(shè)定為2.8 mm時(shí)，條料的寬度為：117.27+2.8+2.8=122.87 mm，取整后寬度為123 mm。在一塊條料只能沖裁10個(gè)產(chǎn)品的情況下，可將多余的條料長(zhǎng)度平均分配至工件間距中。優(yōu)化后的工件間距仍可采用式(1)計(jì)算，此時(shí)L=1 000 mm，n=10，l=90 mm，N=11。將相關(guān)數(shù)值代入式(1)，計(jì)算得a=9.10 mm。

將工件間距設(shè)定為9 mm，并按新工件間距優(yōu)化設(shè)計(jì)豎排排樣，如圖6(b)所示，優(yōu)化后的排樣設(shè)計(jì)材料利用率η仍采用式(2)計(jì)算，此時(shí)S=8 270 mm2,n=10,L=1 000 mm,B=123 mm。將相關(guān)數(shù)值代入式(2)，計(jì)算得η=67.2%。

3.3 排樣方案確定

從模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)際計(jì)算結(jié)果可知：固定支架的排樣方案中橫排(0°)設(shè)計(jì)的方式材料利用率最大，側(cè)搭邊值按照理論最小數(shù)值2.8 mm進(jìn)行設(shè)計(jì)，工件間距按照條狀板材規(guī)格尺寸設(shè)計(jì)為6.5 mm，不僅提高了模具的使用壽命，也確保了產(chǎn)品質(zhì)量。

圖6 豎排排樣設(shè)計(jì)優(yōu)化

4 結(jié)論

本文利用AutoForm軟件對(duì)固定支架的毛坯外形進(jìn)行了計(jì)算并進(jìn)行了初步排樣設(shè)計(jì)。先按照理論數(shù)值得出初步排樣方案，選擇其中材料利用率最大的方式，再根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)下的條狀板材尺寸進(jìn)行工件間距的優(yōu)化，從而得到最優(yōu)的排樣方案。結(jié)果表明,AutoForm模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際計(jì)算的結(jié)果相符。本文研究結(jié)果對(duì)于同種類型的零件排樣設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。另外，使用AutoForm軟件，也可以縮短模具設(shè)計(jì)周期，減少設(shè)計(jì)成本，從而提高企業(yè)效益。