王 利，黃昭明，胡李勇，張 成

(1.宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與汽車學(xué)院，安徽 宣城 242000；2.皖江工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031；3.無錫九和模具有限公司 技術(shù)部，江蘇 無錫 214142)

隨著車身設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和形面精度與質(zhì)量要求的不斷提高，眾多車身覆蓋件需要通過多工序沖壓成形獲得[1-2]。全工序沖壓成形能夠有效提高制件形面質(zhì)量與精度，但制件形面起皺、回彈和開裂等成形性問題產(chǎn)生的原因也更加復(fù)雜。隨著計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)與仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，大大提高了拉延成形仿真的成功率，也為全工序多步?jīng)_壓成形的實(shí)施提供了有力的支撐[3-4]。

相關(guān)研究表明：合理的工藝方案規(guī)劃，合理的拉延模面設(shè)計(jì)，包括拉延工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)、壓料面設(shè)計(jì)、拉延筋設(shè)計(jì)，拉延筋運(yùn)用[5-7]以及拉延模擬過程設(shè)置與成形工藝優(yōu)化是全工序多步?jīng)_壓成形設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素[8]。本文以半盒形特征件為研究對(duì)象，建立制件的全工序沖壓成形工藝方案，設(shè)計(jì)制件的全工序模面并完成沖壓成形數(shù)值模擬與優(yōu)化。研究旨在通過CAE技術(shù)[9-10]的全工序多步?jīng)_壓成形仿真技術(shù)快速反饋復(fù)雜制件的成形問題，在零件沖壓后滿足成形極限圖的基礎(chǔ)上，以板料厚度均勻性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出成形工藝優(yōu)化方案，為車身模具開發(fā)與研究人員提供規(guī)律性指導(dǎo)。

1 全工序工藝方案規(guī)劃

半盒形特征件為左右件，形狀為帶凸臺(tái)的半盒形件，其中右件的三維數(shù)模，如圖1所示。針對(duì)制件的外形，可以通過開口側(cè)左右件合并處理后，應(yīng)用拉延工序完成制件主要形面的成形來提高其成形質(zhì)量和生產(chǎn)效率。制件除拉延成形工序外，還包括翻邊、切邊和沖孔等工序。在應(yīng)用制件的全工序模面設(shè)計(jì)時(shí)，需要規(guī)劃其沖壓成形工藝方案，依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用“OP05落料、OP10一次拉延、OP20二次拉延、OP30切邊與沖孔、OP40翻邊”成形次序較為合理。

2 全工序模具設(shè)計(jì)

2.1 全工序模面設(shè)計(jì)

基于全工序工藝方案，應(yīng)用CAE全程驅(qū)動(dòng)的方法能夠快速、有效的設(shè)計(jì)制件的拉延模面，進(jìn)而提高模具的開發(fā)效率和縮短模具的開發(fā)周期。首先將半盒形特征件右件的三維數(shù)模導(dǎo)入AutoForm軟件，依次進(jìn)行零件準(zhǔn)備、翻邊模面設(shè)計(jì)、切邊與沖孔模面設(shè)計(jì)、二次拉延設(shè)計(jì)和一次拉延設(shè)計(jì)，將模面設(shè)計(jì)的最后一個(gè)工序Draw10一次拉延模面作為料片的展開對(duì)象，該模面如圖2所示。

圖1 半盒形特征件右件三維數(shù)模

圖2 Draw10一次拉延模面

2.2 料片展開與板料參數(shù)性能

CAE驅(qū)動(dòng)的料片展開計(jì)算有基于單工序的一步法和基于全工序的增量法：在AutoForm中一種方法是利用快速成形模擬分析計(jì)算和料片生成器求解最小料片的粗略計(jì)算，一般應(yīng)用于成形模擬過程設(shè)置；第二種方法是利用切邊線優(yōu)化模塊優(yōu)化料片輪廓，主要針對(duì)質(zhì)量要求較高的多工序鈑金件成形的全工序精確計(jì)算，用于模擬結(jié)果的過程優(yōu)化。

2.2.1 料片展開

應(yīng)用料片生成器求解制件模面的最小料片，零件采用左右對(duì)稱件半輸入類型。最小料片的輪廓求解方法為：在應(yīng)用最小料片頁(yè)中求解對(duì)象選擇Draw10一次拉延模面，以凹模分模線擴(kuò)大40mm作為求解最小料片的參考邊界線，定義壓邊條件為無壓料自由成形料片，再調(diào)用一步法求解器求解。求解完成時(shí)，邊界線自動(dòng)導(dǎo)入到當(dāng)前的模擬文件，半盒形特征件的雙件料片展開圖，如圖3所示。

圖3 半盒形特征件的雙件料片展開圖

2.2.2 板料參數(shù)性能

零件所用材料為鎂鋁合金5754H22，板料厚度為1.2mm，控制參數(shù)設(shè)置為殼單元，該材料的力學(xué)性能參數(shù)由材料庫(kù)導(dǎo)入AutoForm軟件的材料庫(kù)中，以供有限元數(shù)值模擬計(jì)算調(diào)用。材料為鋁時(shí)，楊氏模量7×104 N/mm2、泊松比為0.30、密度為2.7×104 kg/mm3、硬化曲線為Hockett-Sherby、屈服面為Barlat、雙軸應(yīng)力因子M=8.0、成形極限曲線為Arcelor V9 A1，對(duì)應(yīng)的曲線，如圖4所示。

由圖4可以看出，不同特性的金屬應(yīng)選用不同的彈塑性本構(gòu)模型計(jì)算板料沖壓成形仿真過程中的應(yīng)力應(yīng)變。本文應(yīng)用Barlat(1991)非二次屈服準(zhǔn)則解決材料在何復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下開始屈服和應(yīng)用與Barlat(1991)屈服函數(shù)相關(guān)聯(lián)的流動(dòng)準(zhǔn)則建立彈塑性本構(gòu)模型。

圖4 材料5754H22的力學(xué)性能曲線或曲面

2.3 全工序過程設(shè)計(jì)

全工序過程設(shè)計(jì)包含一次拉延Draw10、二次拉延Draw20和翻邊Form40，而OP05落料、與OP30切邊與沖孔在仿真中應(yīng)用激光3D切割類型不影響分析結(jié)果不納入過程設(shè)置。全工序過程設(shè)計(jì)涉及料片、模具、潤(rùn)滑、模具運(yùn)動(dòng)過程以及控制等因素，其中模具運(yùn)動(dòng)過程為設(shè)計(jì)要點(diǎn)。Draw10、Draw20與Form40模具體運(yùn)動(dòng)過程與相關(guān)參數(shù)，分別如表1、表2與表3所示。

表1 Draw10模具體運(yùn)動(dòng)過程與相關(guān)參數(shù)

表2 Draw20模具體運(yùn)動(dòng)過程與相關(guān)參數(shù)

表3 Form40模具體運(yùn)動(dòng)過程與相關(guān)參數(shù)

二次拉延成形建立在一次拉延成形的基礎(chǔ)上，故在做二次拉延成形前，需要對(duì)一次拉延成形的部位可靠定形定位。對(duì)應(yīng)的半盒形特征件模具體全工序過程有限元模型如圖5所示。

實(shí)際沖壓速度即壓機(jī)沖壓頻率，在5～80spm(strokes per minute，沖次每分鐘)的常用沖壓頻率下，其大小對(duì)制件的實(shí)際成形質(zhì)量影響不大。對(duì)于拉延件，當(dāng)沖壓頻率繼續(xù)提高，材料流動(dòng)時(shí)間減小，速度減慢，則受拉部位的開裂趨勢(shì)增大，受壓部位的起皺趨勢(shì)增大；對(duì)于彎曲件，則塑性變形時(shí)間縮短，回彈量將增大。車身覆蓋件的有限元仿真中運(yùn)動(dòng)模具體的沖壓速度一般取1mm/s，該沖壓速度能夠使制件在大于25spm的合理沖壓頻率下滿足廠家試模要求。有工程經(jīng)驗(yàn)知，以30spm的沖壓頻率試沖時(shí)，制件不會(huì)發(fā)生成形性問題。

圖5 半盒形特征件模具體全工序過程有限元模型

2.4 初次仿真分析

圖6所示為初次仿真結(jié)果及沖壓成形極限圖(FLD)，初次仿真結(jié)果顯示零件A處開裂，開裂的主要原因是一次拉延過程中材料流過該處圓角時(shí)流動(dòng)速度過慢，拉應(yīng)力超過了材料的強(qiáng)度臨界值所致，從沖壓成形極限圖(FLD)顯示應(yīng)力應(yīng)變點(diǎn)云穿過成形極限曲線FLC判斷制件開裂，開裂部位即為成形圖6的A處所示。圖6c所示初次仿真結(jié)果顯示制件的實(shí)際邊界輪廓與目標(biāo)邊界輪廓之間存在一定的差距，制件的這種邊線誤差是由制件拉延后產(chǎn)生的塑性變形所致。

由初次仿真分析獲知制件的沖壓成形需要通過開裂優(yōu)化與切邊線優(yōu)化來消除開裂部位與減小邊界輪廓誤差。

圖6 半盒形特征件優(yōu)化前后的成形圖

3 全工序模擬過程優(yōu)化

3.1 開裂優(yōu)化

開裂優(yōu)化方法包含造型優(yōu)化、拉延筋優(yōu)化、料片輪廓線優(yōu)化、工藝口和切口設(shè)置優(yōu)化以及成形工序優(yōu)化五種[11-14]。針對(duì)制件圓角處的開裂現(xiàn)象，可以應(yīng)用放大產(chǎn)品局部圓角的方法進(jìn)行造型優(yōu)化，方法為：將零件上A區(qū)域倒圓角的三處半徑10mm、10mm、10mm分別放大至15mm、25mm、20mm，并更新所有過程設(shè)置重新提交計(jì)算，開裂優(yōu)化后的成形圖如圖6b所示，零件上B區(qū)域開裂現(xiàn)象得到明顯改善，開裂處的厚度由0.48mm上升到0.98mm。

3.2 切邊線優(yōu)化

針對(duì)制件的邊界輪廓誤差，應(yīng)用Trim切邊線優(yōu)化來模擬現(xiàn)場(chǎng)的多次取樣過程，將產(chǎn)品邊界線定義為目標(biāo)界線，通過Trim切邊線優(yōu)化進(jìn)行多次迭代計(jì)算，使拉延后的產(chǎn)品邊界不斷逼近產(chǎn)品邊界線，直至達(dá)到預(yù)定的產(chǎn)品邊界公差要求。方法為：在一次拉延Draw20過程設(shè)置頁(yè)面創(chuàng)建一個(gè)切邊Trim項(xiàng)，切邊線關(guān)聯(lián)目標(biāo)零件右件邊界輪廓，并定義為3D切邊類型，設(shè)置最大迭代次數(shù)為5次、最大偏差為0.3mm，通過求解過程中的日志輸出可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過4次迭代計(jì)算后，最大偏差值降至0.22mm，該值達(dá)到了最大偏差為0.3mm的設(shè)置精度要求，切邊優(yōu)化求解計(jì)算完成，圖6d切邊優(yōu)化后的制件成形圖顯示邊界輪廓誤差大大減小。

4 結(jié)論

(1)通過半盒形特征件右件三維數(shù)模的成形工藝分析，規(guī)劃出制件的全工序工藝方案為OP05落料、OP10一次拉延、OP20二次拉延、OP30切邊與沖孔、OP40翻邊，依據(jù)全工序工藝方案做了全工序多步?jīng)_壓成形仿真，仿真結(jié)果顯示一處產(chǎn)品圓角處發(fā)生了開裂現(xiàn)象，且制件的實(shí)際邊界輪廓與目標(biāo)邊界輪廓誤差較大。

(2)針對(duì)制件的全工序成形問題，制定了對(duì)應(yīng)的成形工藝優(yōu)化，通過產(chǎn)品造型優(yōu)化消除了制件的開裂問題，通過切邊線優(yōu)化，減小了制件的實(shí)際邊界輪廓與目標(biāo)邊界輪廓誤差，優(yōu)化后的制件滿足成形質(zhì)量與精度要求，實(shí)現(xiàn)了全工序多步?jīng)_壓成形仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)的無縫對(duì)接。

(3)全工序多步?jīng)_壓成形模擬能夠快速、有效的獲取工藝模面，并實(shí)現(xiàn)了全工序模面設(shè)計(jì)與多步?jīng)_壓成形仿真的可靠銜接，獲得的初次仿真結(jié)果對(duì)后期的工藝過程優(yōu)化參考性優(yōu)于僅對(duì)關(guān)鍵工序仿真的多步?jīng)_壓成形模擬。