王利， 黃昭明， 趙恒文， 沈晨

(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.馬鞍山市汽車沖壓模具先進(jìn)設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心， 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 )

0 引言

級(jí)進(jìn)模是沖壓生產(chǎn)車身覆蓋件所廣泛應(yīng)用的一種裝備，該裝備可大幅提高車身復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈑金件的生產(chǎn)效率[1].為進(jìn)一步提高級(jí)進(jìn)模的性能，近年來學(xué)者們對(duì)特征形狀制件(特征件)的沖壓成形仿真進(jìn)行了大量的研究[2-3]，這些研究主要是針對(duì)多彎角制件、筒形件、盒形件等的開裂、起皺、回彈和成形不足等成形性問題進(jìn)行的預(yù)測(cè)，其結(jié)果表明合理的工藝方案和工藝參數(shù)能夠改善制件的成形性問題.也有一些學(xué)者對(duì)特征件的級(jí)進(jìn)模結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究[4-6]，結(jié)果表明合理的設(shè)計(jì)方法可提升級(jí)進(jìn)模的出模效率.然而，目前采用全工序法級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)技術(shù)并結(jié)合實(shí)沖試驗(yàn)，從多彎曲多形孔特征件沖壓成形的角度探討零件外部邊界與內(nèi)部形孔誤差的相關(guān)研究較少.基于此，本文對(duì)多彎曲多形孔復(fù)雜邊界鈑金件的全工序成形進(jìn)行有限元分析，并通過設(shè)計(jì)合理的毛坯排樣方案開發(fā)一種多彎曲多形孔復(fù)雜邊界鈑金件的級(jí)進(jìn)模.

1 沖壓工藝分析

圖1為某多彎曲多形孔復(fù)雜邊界鈑金件三維UG數(shù)模.該制件采用深沖用熱軋軟鋼SPHE，板料厚度為1.5 mm，外形尺寸為335.0 mm×202.0 mm×59.5 mm.圖1中a為沖圓孔， b、g、j、l、o、r為彎曲， c、d、i、n、p為沖異形孔， e為成形， f、k、q為修邊， h、m為翻孔.由圖1可知，該制件具有多處彎曲和多處沖圓孔與沖異形孔，且制件的外部邊界與內(nèi)部形孔較為復(fù)雜.該制件的這些特征易使沖壓成形后的板料產(chǎn)生開裂或起皺等成形性問題，且難以預(yù)測(cè)制件形面上的孔位精度以及邊界誤差等問題，進(jìn)而易造成多彎曲多形孔復(fù)雜邊界鈑金件級(jí)進(jìn)模的開發(fā)失敗.

圖1 多彎曲多形孔復(fù)雜邊界鈑金件的三維UG數(shù)模

為解決上述問題，本文提出如下沖壓成形思路：首先，進(jìn)行全工序沖壓成形仿真分析和有限元建模，以滿足板料不開裂、不起皺等成形性要求；然后，確定合理的沖孔和彎曲組合與分步，以確保沖壓后的孔洞位置的精度符合要求；最后，通過激光料帶試模法逆向設(shè)計(jì)修邊工位，以滿足制件的邊界誤差要求.

2 沖壓成形仿真分析

2.1 毛坯排樣設(shè)計(jì)

毛坯排樣具有多樣性[7].多彎曲多形孔復(fù)雜邊界鈑金件排樣的基本方案為單排排樣和雙側(cè)載體，如圖2所示.圖中12工序方案依次為“沖孔和修邊(1)、修邊(2)、修邊(3)、修邊(4)、修邊和成形(5)、修邊(6)、彎曲(7)、沖孔和翻孔(8)、彎曲(9)、修邊和沖孔(10)、沖孔(11)、彎曲和切斷(12)”.

圖2中排樣的基本參數(shù)為：條料寬度B=335.00 mm，條料每次送進(jìn)步距S=202.00 mm，首次導(dǎo)正孔直徑D1=Φ10.15 mm，二次導(dǎo)正孔直徑D2=Φ10.15 mm，D3=Φ8.15 mm，坯料X和Y方向搭邊量a=b=0 mm，分步?jīng)_切接刀量c≥3.00 mm[9]，材料的利用率η=70.04%.

圖2 毛坯排樣的CAD設(shè)計(jì)圖

排樣的制作方法為：將卷料送入模具后，先采用導(dǎo)料板和墊板對(duì)板料進(jìn)行粗定位，然后再采用2個(gè)Φ10 mm的導(dǎo)正銷對(duì)板料精密定位，定位精度為0.01 mm.為提高板料沖壓的穩(wěn)定性與剛度，在第2工位處再以1個(gè)Φ8 mm和1個(gè)Φ10 mm的導(dǎo)正銷對(duì)板料進(jìn)行精度定位.

2.2 全工序有限元仿真

深沖用熱軋軟鋼SPHE鋼的材料性能參數(shù)如下：楊氏模量為2.1×104N/mm2，泊松比為0.30，密度為7.8×104kg/mm3，硬化曲線為Approximation，屈服面為Hill,屈服強(qiáng)度為255.8 MPa，抗拉強(qiáng)度為303.1 MPa，各向異性系數(shù)平均值rb為1，擬合參數(shù)M為2，雙軸應(yīng)力因子Biax為1.2，成形極限曲線為Arcelor V9 A1.該材料的材料性能參數(shù)由AutoForm材料庫導(dǎo)入[8].

考慮成形仿真過程對(duì)實(shí)沖試驗(yàn)過程的影響，在所制定的12工序毛坯排樣方案中，通過分解與再組合確定零件的全工序仿真.仿真包含1個(gè)成形工序和3個(gè)彎曲工序，其中在第2彎曲工序和第4彎曲工序仿真前，毛坯邊界和孔洞均應(yīng)用2D切割仿真，即全工序有限元仿真方案為“成形—彎曲—彎曲—彎曲”.圖3為本文所建立的坯料全工序有限元模型.圖3中1為成形凸模，2為成形凹模，3、6、10為彎曲塊，4、8、11為彎曲支撐塊，5、7、9為彎曲壓料板.

圖3 坯料的全工序有限元模型

2.3 仿真結(jié)果分析

對(duì)圖3模型進(jìn)行仿真的結(jié)果如圖4所示.由圖4可知，板料厚度的最大值為1.66 mm，最小值為1.26 mm.該厚度值達(dá)到厚度減薄量控制要求(±20%之間)[10]，因此可判定板料未發(fā)生開裂和起皺等成形性問題.

圖4 板料厚度的仿真結(jié)果

確定板料彎曲厚度后，還需控制制件上的孔洞位置精度及其邊界誤差.對(duì)此，本文通過以下方案解決該問題：①通過合理的沖孔工序和彎曲工序的組合與分步，確保沖壓后的制件孔洞位置精度符合要求；②因制件彎曲后的邊界誤差主要是由第5工序決定的，且仿真過程與實(shí)際試模在沖床、模具以及材料方面存在不確定性，因此應(yīng)用激光料帶試模法逆向設(shè)計(jì)修邊工位以減小制件的邊界誤差[11].

3 級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)與實(shí)沖驗(yàn)證

3.1 級(jí)進(jìn)模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

級(jí)進(jìn)模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括正倒裝關(guān)系、導(dǎo)向方式、卸料方式3個(gè)要素.圖5為多彎曲多形孔復(fù)雜邊界鈑金件級(jí)進(jìn)模的整體裝配模型，該模型的整體裝配閉合外形尺寸為2 668.2 mm×1 000 mm×879.2 mm.圖5中1為下墊腳，2為導(dǎo)腿，3為上墊腳，4為上模板，5為下模板，6為起吊棒，7為大導(dǎo)柱導(dǎo)套.

圖5 級(jí)進(jìn)模的整體裝配模型

圖6為級(jí)進(jìn)模的上、下模組件的凹模部分和上模組件卸料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).該模具采用鑲拼結(jié)構(gòu)，凸、凹模分別裝在上、下模板上.模具的往復(fù)沖壓運(yùn)動(dòng)和卸料運(yùn)動(dòng)分別由外導(dǎo)向方式和內(nèi)導(dǎo)向方式實(shí)現(xiàn)，其中往復(fù)沖壓運(yùn)動(dòng)由4組上模板、下模板、大導(dǎo)柱導(dǎo)套組成的4角大導(dǎo)柱導(dǎo)套模架實(shí)現(xiàn)，往復(fù)卸料運(yùn)動(dòng)由2組導(dǎo)腿、滑塊和2組小導(dǎo)柱導(dǎo)套組成的4角小導(dǎo)柱導(dǎo)套模架實(shí)現(xiàn).模具采用分段式卸料板卸料，卸料力由氮?dú)鈴椈蓪?shí)現(xiàn)(彈力大小可調(diào)節(jié))，卸料板可對(duì)工作時(shí)的凸模起到導(dǎo)向和保護(hù)作用.

3.2 關(guān)鍵工位局部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.2.1修邊工位 因CAE所展開的復(fù)雜邊界平面坯料通常需要通過多次分步修邊工藝才能制備，因此本文在圖2和圖6中的第1至第6工位上設(shè)計(jì)了6個(gè)工序進(jìn)行分步修邊.圖6(a)中2、4、13為邊k分步修邊凸模， 6、7、10為邊q分步修邊凸模， 11、14、16為邊f(xié)分步修邊凸模， 1、5、9為異形孔c分步修邊凸模， 3、8為異形孔p分步修邊凸模， 12、18為異形孔d分步修邊凸模， 15、17為異形孔i分步修邊凸模.由圖6可知，坯料內(nèi)外邊界沖切為多次沖切，其中坯料的內(nèi)邊界沖切(包括圓孔和異形孔沖切)由上述凸模與圖6(b)中的凹模相結(jié)合完成.為防止多次沖切造成的不完全沖切或斷面重復(fù)沖切，在同一部位進(jìn)行兩次分步?jīng)_切時(shí)，預(yù)留3.00 mm的接刀量.

圖6 級(jí)進(jìn)模上下模組件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

3.2.2彎曲工位 因制件的多彎曲特征需要通過多次彎曲工藝才能完成，因此本文在圖2和圖6所示的第7、第9和第12工位設(shè)置了彎曲工序.圖6(b)中19為位置b彎曲凹模， 20為位置g彎曲凹模， 21為位置l彎曲凹模， 22、23為位置j彎曲凹模， 24為切斷凹模， 25為位置n沖異形孔凹模， 26為位置a沖圓孔凹模， 27為位置o彎曲凹模， 28為位置i彎曲凹模， 29為位置r彎曲凹模.坯料的內(nèi)外彎曲形狀由上述凹模與圖6(a)中的凸模相結(jié)合完成，顯然通過3次分步彎曲增大了彎曲凸、凹模的布置空間，改善了定位塊與鑲塊對(duì)第7工位、第9工位和第12工位的彎曲凸、凹模的定位與支撐作用，即增強(qiáng)了彎曲凸、凹模的工作強(qiáng)度.

3.2.3側(cè)沖孔工位 因多形孔的制件需要通過分步修邊沖切才能實(shí)現(xiàn)，因此本文在制件彎曲面上完成形孔沖切時(shí)，首先設(shè)置彎曲工序，然后再設(shè)置沖孔工序，由此可避免形孔的變形和位置的偏移.為實(shí)現(xiàn)上述方法，在實(shí)施水平?jīng)_圓孔a和沖異形孔n時(shí)設(shè)計(jì)1個(gè)側(cè)沖孔斜楔機(jī)構(gòu)，如圖6(b)中的25所示的沖異形孔凹模n和26所示的沖圓孔凹模a.該斜楔機(jī)構(gòu)通過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)滑塊來帶動(dòng)安裝在滑塊上的異形孔沖頭25和沖圓孔沖頭26，并完成第11工位沖圓孔a和沖異形孔n的沖切.

3.3 實(shí)沖驗(yàn)證

試模用材料為寶鋼深沖用熱軋軟鋼SPHE，厚度為1.5 mm，試模壓力機(jī)型號(hào)為揚(yáng)鍛YPM-630.多彎曲多形孔復(fù)雜邊界鈑金件實(shí)沖產(chǎn)品如圖7所示.由圖7可以看出制件表面光滑，無起皺與破裂等其他成形性問題.經(jīng)檢具與三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)，實(shí)沖產(chǎn)品的孔洞位置精度和彎曲后的制件邊界誤差滿足相關(guān)要求.

圖7 多彎曲多形孔復(fù)雜邊界鈑金件的實(shí)沖產(chǎn)品

4 結(jié)論

對(duì)本文提出的多彎曲多形孔復(fù)雜邊界鈑金件的毛坯排樣方案進(jìn)行全工序有限元仿真的結(jié)果表明，其全工序沖壓成形性能良好.基于全工序方法設(shè)計(jì)的級(jí)進(jìn)模的實(shí)沖試驗(yàn)結(jié)果顯示，該級(jí)進(jìn)模所沖壓的產(chǎn)品表面光滑，無起皺與破裂等成形性問題，且產(chǎn)品的孔位精度和彎曲后的制件邊界誤差均滿足設(shè)計(jì)要求.以上結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的毛坯排樣方案及其級(jí)進(jìn)模能夠很好地解決沖壓多彎曲多形孔復(fù)雜邊界鈑金件過程中出現(xiàn)的起皺、破裂等成形性問題，進(jìn)而能有效提高產(chǎn)品的成形質(zhì)量和生產(chǎn)效率.本文技術(shù)方案可為其他形狀的復(fù)雜鈑金件級(jí)進(jìn)模的開發(fā)提供參考.