楊國(guó)星

（天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

冷沖壓模具中板料成型的CAE分析

CAE analysis of sheet metal forming in cold stamping mold

楊國(guó)星

（天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

目前，衡量國(guó)家制造業(yè)整體水平的主要標(biāo)志就是模具設(shè)計(jì)發(fā)展情況，進(jìn)一步發(fā)展工業(yè)，需要發(fā)展多功能、高效、復(fù)雜、大型、長(zhǎng)壽、精密的設(shè)備，依據(jù)冷沖壓模具基本發(fā)展情況，融合CAE技術(shù)有效分析冷沖壓模具技術(shù)。實(shí)際生產(chǎn)模具的時(shí)候，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)問題，依據(jù)CAE分析數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)合理修改設(shè)計(jì)模具的實(shí)際方案，從而達(dá)到降低模具生產(chǎn)周期的目的。本文主要研究了冷沖壓模具中板料成型的CAE分析。

冷沖壓模具；板料成型；CAE

現(xiàn)階段，已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用冷沖壓模具，占據(jù)整個(gè)模具行業(yè)中將近一半的比例，但是由于這種模具受到技術(shù)和缺陷的影響以及限制，在實(shí)際應(yīng)用冷沖壓模具的時(shí)候會(huì)形成很多問題，例如，如果不能恰當(dāng)對(duì)零件進(jìn)行排料，會(huì)降低材料使用的效率，從而增加整體成本，提高零件外部扭曲程度，加工和連料工藝中的連續(xù)料帶出現(xiàn)問題，針對(duì)一些有特殊精度和孔位置需求的模具來(lái)說(shuō)，應(yīng)該適當(dāng)進(jìn)行斜契沖孔；如果工件出現(xiàn)比較小的尖角兩側(cè)余斜，壓料十分不容易，氮?dú)鈴椈勺鳛檩o助壓料，因?yàn)榧尤胩厥獠考r(jià)格比較高，會(huì)提高整體生產(chǎn)成本，因此，需要更高規(guī)范需求的模具，并且關(guān)注生產(chǎn)利潤(rùn)，為板料零件成功的設(shè)計(jì)級(jí)進(jìn)模具，應(yīng)該分析多方面因素，尤其是想要生產(chǎn)一種合格的零部件，需要反復(fù)試驗(yàn)和調(diào)試，并且依據(jù)相應(yīng)有經(jīng)驗(yàn)的模具鉗工和設(shè)計(jì)師來(lái)共同完成設(shè)計(jì)，經(jīng)過不斷改變和修正，會(huì)浪費(fèi)大量金錢和時(shí)間。隨著不斷發(fā)展科學(xué)技術(shù)以及金屬材料，汽車行業(yè)為了不斷滿足實(shí)際生產(chǎn)需求也在不斷開發(fā)新材料，所以，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)不能滿足社會(huì)發(fā)展需求以及發(fā)現(xiàn)材料性能，導(dǎo)致設(shè)計(jì)模具的時(shí)候會(huì)形成很多缺陷和不足，提高設(shè)計(jì)成本以及浪費(fèi)時(shí)間，為了能夠獲得最大化利潤(rùn)，企業(yè)會(huì)縮短周期，發(fā)展模具質(zhì)量提高技術(shù)也成為必然趨勢(shì)，并且在實(shí)際生產(chǎn)中已經(jīng)得到應(yīng)用。

1 板料沖壓成型過程中存在的缺陷

板料沖壓成型過程中受到多方面因素影響和限制，其中主要需要面對(duì)的問題是，是否能夠依據(jù)預(yù)期規(guī)定的軌道來(lái)對(duì)材料進(jìn)行變形。沖壓板料后，會(huì)形成不同程度的材料缺陷，有些缺陷雖然能夠被忽略，但是如果是存在特殊需求的一些部件，就會(huì)造成極大的影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，一般會(huì)極大程度上影響模具設(shè)計(jì)的效果，起皺、回彈、破裂等是比較大的影響因素[1]。

圖1是某品牌汽車公司研究的副車架的零部件，存在十分復(fù)雜的形狀，級(jí)進(jìn)膜制作的過程中，存在相對(duì)復(fù)雜的壓力邊和連料，存在相應(yīng)研究?jī)r(jià)值以及制度難度，設(shè)計(jì)本零部件的時(shí)候主要應(yīng)用的制作方式就是一出二對(duì)稱，能夠在一定程度上增加生產(chǎn)效率以及材料利用率。本品牌屬于寶鋼生產(chǎn)的S420MC，是細(xì)晶粒鋼，厚度是3.25 mm、寬度是129 mm、長(zhǎng)度是184 mm，冷成性能相對(duì)比較好，一般情況下適合應(yīng)用在高強(qiáng)度要求、冷成性能良好的汽車橫梁或者大梁結(jié)構(gòu)中。

圖1 模具3D模型

2 調(diào)整數(shù)值模擬壓邊力

設(shè)計(jì)模具的時(shí)候，壓力邊會(huì)嚴(yán)重影響部分工藝和壓料力中選擇頂料彈簧型號(hào)，也會(huì)在一定程度上影響級(jí)進(jìn)膜均勻分配各個(gè)步驟。如果過大的設(shè)置壓力邊，會(huì)出現(xiàn)一定破裂，如果過小的設(shè)置壓力邊，會(huì)出現(xiàn)零件的法蘭出現(xiàn)部分起皺問題，因此，應(yīng)該合理計(jì)算輸入前的實(shí)際需求，保證能夠科學(xué)、合理的設(shè)置壓力邊。計(jì)算壓力的基本公式為：FQ=Ap，上述公式中p是依據(jù)材料自身情況確定的單位壓力邊（MPa），A是毛坯在壓邊圈中的投影面積（mm2），經(jīng)過計(jì)算和分析能夠得到160 000 N的壓邊力，分析160 000 N壓邊力的實(shí)際情況和數(shù)據(jù)結(jié)果。從而我們能夠發(fā)現(xiàn)，零部件圓角部位會(huì)適當(dāng)形成黃色和紅色部分，此時(shí)說(shuō)明零部件已經(jīng)存在部分破裂，也就說(shuō)具備過大的壓力邊，適當(dāng)調(diào)整縮小壓邊力，設(shè)置壓邊力為8 000 N，經(jīng)過大量研究可以發(fā)現(xiàn)，基于上述情況壓邊力的影響，能夠獲得符合實(shí)際需求的零部件[2]。

3 調(diào)整數(shù)值模擬摩擦系數(shù)

設(shè)計(jì)模具的時(shí)候，選擇材料的情況與摩擦數(shù)息息相關(guān)，例如，壓邊圈材料、凹凸模材料、工件材料等，會(huì)在一定程度上影響計(jì)算壓力的實(shí)際結(jié)果[3]。具備越大的凹模和坯料間摩擦系數(shù)，越會(huì)影響以后形成工件的實(shí)際成型效果促使設(shè)計(jì)工件的時(shí)候經(jīng)常出現(xiàn)毛刺、起皺的問題。因?yàn)椴粩嗵岣吣Σ料禂?shù)，會(huì)降低上述問題的發(fā)生，適當(dāng)提高模具實(shí)際沖壓力能夠在一定程度上消除部分摩擦力，但是在設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)該充分考慮經(jīng)濟(jì)價(jià)值，所以，設(shè)計(jì)模具的過程中，適合應(yīng)用Dynaform軟件來(lái)事先模擬分析摩擦系數(shù)，依據(jù)設(shè)計(jì)過程中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)計(jì)算公式，合理設(shè)置摩擦系數(shù)是0.16。經(jīng)過大量研究表明，零部件邊緣會(huì)形成一些破裂或起皺現(xiàn)象，也就存在比較大的摩擦系數(shù)，所以，應(yīng)該降低設(shè)計(jì)中的摩擦系數(shù)，設(shè)置摩擦系數(shù)是0.125，此時(shí)能夠生產(chǎn)出符合實(shí)際情況的零部件[4]。

4 分析數(shù)值模擬回彈現(xiàn)象

冷沖壓模具設(shè)計(jì)的過程中，世界上大部分設(shè)計(jì)師一直被困擾的問題就是回彈現(xiàn)象，在研究數(shù)值模擬軟件以后可以有效改善回彈問題，但是因?yàn)橛卸喾矫嬉蛩貢?huì)影響回彈量的實(shí)際大小，因此，就算已經(jīng)具備成熟有限元分析模具的實(shí)際，還是不能十分精確的分析和判斷數(shù)值，從而需要在實(shí)際生產(chǎn)中合理調(diào)試數(shù)值，在設(shè)計(jì)生產(chǎn)中想要降低時(shí)間，需要精確模擬分析技術(shù)[5]。3D數(shù)模形狀與回彈問題息息相關(guān)，會(huì)適當(dāng)影響模具設(shè)計(jì)的形狀，存在相對(duì)復(fù)雜的分析過程，其中基本設(shè)計(jì)方式的開始實(shí)際上是展開坯料形狀，經(jīng)過分析以及研究以后，合理改變?cè)O(shè)計(jì)零件特定形狀，從而能夠得到設(shè)計(jì)規(guī)范需求的參數(shù)。設(shè)計(jì)零部件的之前存在51.8回彈角度，回彈后是51.967，在可接受的氛圍內(nèi)的回彈，能夠滿足設(shè)計(jì)生產(chǎn)實(shí)際規(guī)范要求[6]。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，在冷沖壓模具設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)用CAE分析軟件具備一定意義和作用，分析對(duì)比模具現(xiàn)場(chǎng)試模和仿真過程，有效對(duì)比分析設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果，最后對(duì)比分析和解決生產(chǎn)零部件中出現(xiàn)的問題，可以發(fā)現(xiàn)，冷沖壓模具中板料成型中應(yīng)用Dynaform軟件的時(shí)候，可以利用有限元分析來(lái)找到生產(chǎn)中的問題，以便于最大限度降低維護(hù)成本以及生產(chǎn)周期，為進(jìn)一步研究和分析冷沖壓模具中板料成型提供依據(jù)和保障。

[1] 田野，黃根哲. 冷沖壓模具中板料成型的CAE分析[J]. 長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，23（2）：394~396.

[2] 李煥芳. 冷沖壓模具發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2010（10）：5~6.

[3] 曹勝豪 . 計(jì)算機(jī)輔助工程在冷沖壓模具設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 中小企業(yè)管理與科技，2013（3）：287~288.

[4] 胡平，盈亮，趙曦，等. 基于 CAx的熱沖壓模具數(shù)字樣機(jī)的功能開發(fā)[C]. //全國(guó)先進(jìn)制造技術(shù)高層論壇暨第十一屆制造業(yè)自動(dòng)化與信息化技術(shù)研討會(huì)論文集，2012：10~16.

[5] 張晨，夏禹. CAE分析基礎(chǔ)的汽車沖壓件模具設(shè)計(jì)[J].江西建材，2015（11）：285，288.

[6] 黃頂社，崔禮春，劉迪祥，等. CAE技術(shù)在汽車前輪罩后板拉延模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 金屬加工（冷加工），2013（23）：67~68.

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10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.084

楊國(guó)星（1983-），女，畢業(yè)于天津科技大學(xué)，碩士，教師，模具設(shè)計(jì)與制造和工業(yè)設(shè)計(jì)。

2015-11-17