后端蓋零件成形工序CAE分析及沖壓模設計

目前，板料成形在航空、宇航、汽車、造船、電器、 五金等工業(yè)部門應用廣泛，板料成形過程是一個大撓度、大變形的塑性成形過程，涉及金屬板在拉伸和彎曲的復雜應力狀態(tài)下塑性流動、塑性強化，及其引起的回彈、起皺和破裂等問題，在此之前，求解大多以解析法實現(xiàn)，其誤差甚大，并且對沖壓成形過程中板料成形分析，單憑經(jīng)驗很難預先估計，致使模具設計正確性也難以評價，問題只有在模具加工以后才能暴露出來，給模具調(diào)試造成很大困難，甚至導致模具報廢。

所以本文應用DynaForm軟件，以后端蓋為例，對后端蓋零件成形工序進行CAE分析，針對預先的兩種方案的不足，提出拉伸兼整形的參數(shù)優(yōu)化方案，對整個工藝流程進行了數(shù)值模擬，并對其進行回彈分析。研究后端蓋零件成形可行性方案，為模具的合理設計提供了依據(jù)。

應用catia建立零件的三維實體模型，如圖1所示。

對零件進行沖壓CAE分析，首先要確定其使用的材料？在DynaForm的材料庫中，大多數(shù)是國外的牌號，通過查閱一些相關資料，將其材料與國內(nèi)材料進行對比，并結(jié)合零件的外形，選擇材料型號為ST14_ ST14材料參數(shù)如表1所示。

根據(jù)零件，初步確定其工藝方案有兩種

(1)備料→落料→拉伸（一次成形）→修邊→沖孔

(2)備料→落料→拉伸→修邊→沖孔（翻邊）→翻邊（沖孔）

在條工藝路線中，存在著無法壓邊的問題，在成形的過程中，板料很容易偏移；而在第二條工藝路線中，存在著先沖孔后翻邊和先翻邊后沖孔的問題，這需要經(jīng)過CAE分析后，觀察翻邊是否對沖孔有影響，再確定其工藝路線

方案一的CAE分析

應用DvnaFnrm進行CAE分析，初步確定方案的可行性，分析結(jié)果如圖2、圖3所示：

從圖2和圖3可以看出，零件成形很限在安全區(qū)內(nèi)，厚度變化在1516-2174mm，在允許范圍內(nèi)，所以理論上其成形是可行的。在此基礎上，對其進行精確分析，建立9種沖壓模型，設計參數(shù)及分析結(jié)果如表1所示。模型的CAE分析結(jié)果如圖4所示：

通過1、2、3、4模型比較，在圖4處黑圈標記處，出現(xiàn)破裂？因為凸、凹模的間隙過小，材料流動困難，而在該處屬于脹形，材料受到的拉應力較大，導致出現(xiàn)破裂？從1、2、3、4模型的分析結(jié)果得出，逐漸增加凸、凹 模間隙，一定程度上改善其沖壓成形結(jié)果，但是效果不 明顯，仍然有嚴重減薄的缺陷，如果繼續(xù)增加凸、凹模的間隙，則該零件的外形尺寸達不到其沖壓精度。

其他幾種模型，雖然零件沒有出現(xiàn)破裂，但是已經(jīng)出現(xiàn)嚴重減薄，有破裂的危險。

研究發(fā)現(xiàn)，除了有嚴重減薄的情況外，還有其拉伸后高度不一致，達不到?jīng)_壓要求，如圖5所示。造成這樣的原因，主要是在板料的A區(qū)域成形是屬于脹形，導致整個零件成形不是完全對稱，在該處相對與周圍將產(chǎn)生更大的應力，導致更大的應變，這也是 在該處出現(xiàn)板料嚴重減薄或破裂的原因之一j而在B區(qū)域和C區(qū)域，與D區(qū)域相比，將有更多的材料流向A區(qū)域。

在不考慮圖5中A區(qū)域出現(xiàn)的情況下，通常可采用的方法有3種·一是增加修邊余量，在后續(xù)工序中通過修邊，保證其高度一致；二是采用壓邊圈，設置一定的壓邊力，盡量保證其材料的流動一致；三是在定義毛坯，在B、C區(qū)域增加更多的材料？

如果采用修邊的方法，需要的高度只有/mm，而 且是非圓筒直壁修邊，實現(xiàn)這種方法比較困難。而對 于采用壓邊圈的方法，從零件圖中可以看出，毛坯能 被壓邊圈壓住的地方很小，起不到壓邊的作用？如果增大毛坯，則造成材料的浪費？較后一種定義毛坯的方法，通過仿真軟件反求毛坯，發(fā)現(xiàn)毛坯的外形是非 圓的，其外形的尺寸很難確定，對于設計落料凸、凹模增加了一定的難度。

通過對零件CAE成形分析，發(fā)現(xiàn)這種方案很難實現(xiàn)，因此方案一不可取。

方案二的CAE分析

同方案一，首先進行快速CAE分析，同樣得到快速成形FLD圖，快速成形厚度變化圖

同樣可以看出，這種拉伸后再翻邊的方案在理論上是可行的。對其建立8種沖壓模型，如表3所示；

從表3結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，整體效果與方案一比較，其成形效果相對較好，未出現(xiàn)破裂的情況一 在這幾種模型中，通過改變沖壓間隙，在一定程 度上能改善沖壓效果，但不是很明顯，與方案一中改 變沖壓間隙類似。

而采用改變壓邊力的大小的方法，當壓邊力逐漸減小，減薄的情況明顯改善，但是卻出現(xiàn)了起皺的問題？通過對沖壓過程進行分析，發(fā)現(xiàn)起皺的主要原因是該零件是非圓筒直壁零件，在圓錐面處，材料的貼模性較差。模型二的CAE分析如圖6所示？

為了防止起皺，需要增加壓邊力，但是壓邊力過 小，無法起到防止起皺的作用，但是當壓邊力過大，在沖壓件脹形處叉會出現(xiàn)板料輕微減薄的情況？對于 一般的沖壓件，在該處出現(xiàn)輕微減薄，如果不影響沖 壓件的使用性能，可以允許其存在，但是在該處，需要沖咖lOmm的孔？在后續(xù)的沖孔工序中，由于該處加工 硬化較嚴重，在沖孔時，可能會出現(xiàn)裂紋，這需要在該 處進行退火處理，相對而言比較麻煩；也可能沖孔后， 該處出現(xiàn)圓孔，該處的內(nèi)應力減小，對該處有所改 善。這只是預測可能的情況，當中存在不定的因素， 如果在實際中出現(xiàn)了不理想的情況，就有模具報廢的危險。

通過對兩種的方案進行的分析，發(fā)現(xiàn)方案二相對 于方案一的成形性較好，但是也無法達到滿意的結(jié) 果，需要對方案二進行改進，其突破口在于是否設置 壓邊力，如何解決起皺情況？

在方案二中，當壓邊力減小時，減薄的情況就會有所改善，而出現(xiàn)起皺的情況，可以通過整形，對起皺的地方進行校平，達到改善沖壓件的成形結(jié)果的目的，如圖7所示：

從圖7中，可以看出，在容易出現(xiàn)嚴重減薄或破裂的地方，未出現(xiàn)嚴重減薄或破裂的情況，而起皺的情況有所改善，其成形結(jié)果基本達到要求，只需要通過優(yōu)化成形參數(shù)，使沖壓結(jié)果滿足要求？

為了使仿真結(jié)果更接近實際，在這道拉伸工序中，不設置壓邊力，通過拉伸兼整形使其成形，其成形結(jié)果見圖8，7通過對圖8和圖7進行比較，其成形結(jié)果雖然相對較差但是并未出現(xiàn)嚴重減薄的情況，不僅滿足工藝要求，且更接近實際成形

在后續(xù)工序中，為了使零件較終成形，需要修邊、沖孔、翻邊。在前面方案一中提到，由于在拉伸時，存 在著脹形，在拉伸后，其整形面是非圓的，需要通過修邊使其近似于圓形，修邊后翻邊，其高度基本一致，如圖9所示

為了節(jié)約成本，減少工序，采用修邊沖孔模，在修 邊的同時沖咖7mm的孔，但是這其中涉及到一個問題， 那就是在翻邊后，是否對所沖的孔有影響。在經(jīng)過 DynaForm仿真后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)翻邊后對所沖的孔影響很 小，其變化在002mm左右，在允許的變化范圍內(nèi)，如圖10所示；

通過對后端蓋零件沖壓成形工藝仿真模擬，較終確定其沖壓工藝為·

備料落料、拉伸兼整形_修邊、沖咖7mm孔_翻 邊_沖#lOmm孔j

在前面對工藝規(guī)程進行了設計，確定了沖壓工 藝，現(xiàn)在對整個工藝流程仿真結(jié)果進行分析，并優(yōu)化 工藝參數(shù)？

對落料、拉伸兼整形這道工序仿真結(jié)果如圖11和圖12所示

如圖11所示，在沖壓件脹形的地方（圖11中A區(qū) 域），板料輕微減薄，而成形效果較好的是B區(qū)域，在該 處，在成形的過程中，主要是受到拉應力，而且材料變形 充足j在沖壓件的其他區(qū)域，主要是受到壓應力的作 用，板料厚度有昕增加，如果是重要沖壓件，是不允許有 這樣情況出現(xiàn)，因為在這種情況下的材料成形不足，強 度較低？而對于不重要零件在工藝方案無法改進的情 況下，可以允許其存在？在圖12中，可以看到，沖壓件 的較大減薄量和增厚量，在材料ST14的允許范圍。

在工藝參數(shù)中，對凸、凹模間隙進行優(yōu)化，結(jié)果如表4所示：

在這幾種方案中，除了方案一出現(xiàn)嚴重減薄外， 其他都在允許的范圍內(nèi)？通過對厚度變化進行比較 后，確定凸、凹間隙為2 immj

當凸、凹模的間隙為/imm時，在板料成形的過 程中，其較大的減薄量為38 5010，而ST14這種材料允 許的較大減薄量在40010左右，在其允許的范圍內(nèi)；其 較大增厚量為l 3010，也在允許的范圍內(nèi)，所以該方案 符合工藝要求；

回彈分析，主要是對成形零件，回彈后進行分析， 確定其回彈量。當回彈后，沖壓件的外形尺寸、角度 及半徑變化不大時，在允許的范圍內(nèi)，則無需改進；而 當回彈量過大，則需改進凸、凹模，設置回彈補償量？ 利用DvnaFnlm進行回彈分析。結(jié)果如下：

(1)外形尺寸回彈測量？

其在外圓直徑上的回彈量在0.05mm左右，小于其公差值，在允許的范圍內(nèi)。

(2)角度回彈測量。

其圓錐面上角度的回彈量在0.457。左右，在允許的范圍內(nèi)。

(3)半徑回彈測量。

其翻邊后半徑的回彈量在0.023mm左右，在允許的范圍內(nèi)。

通過對外形尺寸、角度、半徑的測量，并切回彈前和回彈后的對比，其回彈量很小，都在允許的范圍內(nèi)， 無需對凸、凹模進行修正。

本文主要是應用DynaForm對后端蓋零件成形工序的仿真分析，得到以下結(jié)論。

(1)利用DynaForm軟件可以較好地模擬板料在成形過程中的材料流動，可直觀地觀察起皺及破裂等缺陷。

(2)研究分析各種參數(shù)對成形的影響，發(fā)現(xiàn)壓邊力的大小對成形有較大影響。

(3)通過仿真分析得到零件在有壓邊力的情況下，成形的效果并不理想，而沒有壓邊力，又會出現(xiàn)起皺。因此針對該問題，采用拉伸加整形使其成形方案，實現(xiàn)零件的成形工藝？應用DynaForm軟件對板料成形性及沖壓模設計進行模擬仿真，縮短了生產(chǎn)周期，減少模具的報廢率，提高了經(jīng)濟性，為模具的合理設計提供了參考依據(jù)。