王冀軍，段彥賓，劉龍芬，楊中奎

（成都普什汽車模具有限公司，四川 成都 610031）

0 引 言

隨著當(dāng)前汽車模具的競爭日趨激烈，模具開發(fā)成本的控制顯得愈加重要。根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，模具開發(fā)中材料（鑄件、標(biāo)準(zhǔn)件、鋼件）、加工和調(diào)試成本占據(jù)整個(gè)開發(fā)環(huán)節(jié)成本的80%[1]，其中鑄件占據(jù)了模具材料成本的較大比重。以HT300為例，鑄造成本約7 000元/噸，1副中型拉深模鑄件質(zhì)量約10 000 kg，因此在滿足模具使用功能、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與沖壓壽命的前提下，減輕鑄件質(zhì)量能增加經(jīng)濟(jì)效益。隨著節(jié)能減排的政策和理念推廣，模具結(jié)構(gòu)輕量化成為降低材料成本的有效途徑，主機(jī)廠長期采用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)全局性的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，在具體零件和特定模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)冗余，此外在一些模具零件受力的部位，減輕質(zhì)量特征設(shè)計(jì)愈加保守。

相對于上、下模座，壓邊圈的輕量化設(shè)計(jì)較少，其原因?yàn)椋孩賶哼吶|(zhì)量較輕，可減輕質(zhì)量的潛力不大；②壓邊圈屬于受力部件，下部承受液壓機(jī)頂桿作用力，上部壓邊圈型面和平衡塊分別受到壓力和合模接觸平衡力，因此屬于存在一定風(fēng)險(xiǎn)的減輕質(zhì)量部件?，F(xiàn)以發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板拉深模的壓邊圈為研究對象，在輕量化設(shè)計(jì)中采用ABAQUS軟件的TOSCA模塊對其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，以指導(dǎo)實(shí)際的模具結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量方案。

1 壓邊圈的經(jīng)驗(yàn)減輕質(zhì)量設(shè)計(jì)

1.1 經(jīng)驗(yàn)減輕質(zhì)量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

不同工程師對壓邊圈進(jìn)行減輕質(zhì)量時(shí)，并沒有定量的減輕質(zhì)量指標(biāo)，同時(shí)減輕質(zhì)量后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度也無法進(jìn)行評判，只能根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖1所示為采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)并澆鑄的發(fā)動(dòng)機(jī)罩壓邊圈，在壓邊圈側(cè)壁上開設(shè)了橫向長條形和圓形減輕孔，間距較大。針對減輕孔形狀和位置是否合理以及減輕質(zhì)量潛力，采用經(jīng)驗(yàn)難以判斷，需要依據(jù)數(shù)值仿真獲得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度指標(biāo)進(jìn)行分析。

圖1 壓邊圈

1.2 壓邊圈的應(yīng)力和變形位移分析

為了分析上述減輕孔開設(shè)后的壓邊圈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，采用ABAQUS軟件對其應(yīng)力和變形位移進(jìn)行模擬分析，該壓邊圈采用了38根頂桿進(jìn)行拉深成形，為了減少計(jì)算模型，選取了壓邊圈拐角區(qū)域的9根頂桿為研究對象。在受力邊界條件設(shè)置上，作用在整個(gè)壓邊圈型面的載荷為2 000 kN，假設(shè)壓邊圈上的平衡塊在閉合階段蹲死，且各型面壓邊力均勻，經(jīng)過等效計(jì)算作用在單位壓邊圈型面和平衡塊的壓力為3 MPa。由于只選取了9根頂桿，為了與實(shí)際的封閉結(jié)構(gòu)一致，將模型的兩端分別設(shè)置成關(guān)于X和Y軸的對稱邊界條件，如圖2所示。

圖2 壓邊圈減輕孔特征與受力邊界條件

計(jì)算得到圖3所示的應(yīng)力和Z向變形位移分布，最大應(yīng)力為20 MPa，位于右側(cè)開設(shè)減輕孔的部位，而左側(cè)部分的側(cè)壁區(qū)域的應(yīng)力值幾乎為零，如圖3（a）所示。側(cè)壁在沖壓方向的變形位移約0.018 mm，彈性變形小，因此左側(cè)壁區(qū)域的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度較高，有一定的減輕質(zhì)量空間。

圖3 壓邊圈壓料狀態(tài)的應(yīng)力和變形位移分布

2 拓?fù)鋬?yōu)化分析

2.1 常規(guī)減輕質(zhì)量指標(biāo)下的拓?fù)鋬?yōu)化分析與結(jié)果

拓?fù)鋬?yōu)化的主要思路是在保證壓邊圈結(jié)構(gòu)功能、使用壽命和模具動(dòng)態(tài)精度的前提下，盡可能移除側(cè)壁部位的體積，實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)[2,3]。采用基于條件的拓?fù)鋬?yōu)化算法，選擇應(yīng)變能和體積2個(gè)指標(biāo)作為設(shè)計(jì)響應(yīng)。選取左側(cè)壁區(qū)域?yàn)閮?yōu)化對象，如圖4所示。

圖4 壓邊圈優(yōu)化區(qū)域

首先建立基于應(yīng)變能的設(shè)計(jì)響應(yīng)，它是每個(gè)網(wǎng)格單元應(yīng)變能的總和，為了實(shí)現(xiàn)最大化的結(jié)構(gòu)剛度，在軟件中將應(yīng)變能的參數(shù)設(shè)置為最?。黄浯问窃O(shè)置體積響應(yīng)，體積的目標(biāo)函數(shù)可以根據(jù)壓邊圈的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行設(shè)置，建立的約束為：最終體積≤初始體積的75%。最后是創(chuàng)建目標(biāo)函數(shù)和創(chuàng)建優(yōu)化約束[4]，目標(biāo)函數(shù)是通過1組設(shè)計(jì)響應(yīng)公式得到唯一的標(biāo)量值，如應(yīng)變能和體積設(shè)計(jì)響應(yīng)約束目標(biāo)。同時(shí)還需要建立一系列的幾何限制[5]，這是因?yàn)樵趬哼吶ν負(fù)鋬?yōu)化過程中，優(yōu)化的形狀需要滿足模具鑄造或模具設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將優(yōu)化區(qū)域設(shè)置成對稱邊界條件。在創(chuàng)建優(yōu)化進(jìn)程中，將最大優(yōu)化周期設(shè)置成15次。

圖5所示為拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，其中前幾次優(yōu)化主要是去除框架中筋板的體積，第13次迭代完成了優(yōu)化區(qū)域25%體積的移除目標(biāo)。

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

優(yōu)化區(qū)域的最小化應(yīng)變能響應(yīng)的結(jié)構(gòu)剛度曲線如圖6（a）所示，體積移除響應(yīng)優(yōu)化曲線如圖6（b）所示，在前幾次優(yōu)化中移除效率高，這主要是針對非受力區(qū)域與結(jié)構(gòu)剛度影響不大的框架區(qū)域進(jìn)行體積快速移除，如前5次。在后幾次優(yōu)化中，主要針對受力區(qū)域的側(cè)壁進(jìn)行體積移除，因此移除體積量逐漸減少。在第13次優(yōu)化后移除量趨于總體積的25%。從側(cè)壁體積移除的位置和形狀來看，主要在2個(gè)頂桿之間的區(qū)域，形狀為縱向長條形。

圖6 壓邊圈的剛度與體積優(yōu)化響應(yīng)曲線

2.2 極限減輕質(zhì)量指標(biāo)下的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

為了獲得優(yōu)化區(qū)域的減輕質(zhì)量極限，同時(shí)評估優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，建立的體積約束為：最終體積≤初始體積的50%，計(jì)算得到圖7所示的優(yōu)化形狀結(jié)構(gòu)，側(cè)壁區(qū)域除了頂桿-支撐筋-型面的沖壓受力線外，理論上2個(gè)頂桿之間的側(cè)壁區(qū)域都可以開設(shè)減輕孔。通過上述優(yōu)化結(jié)果，針對圖1中澆鑄待加工的壓邊圈進(jìn)行分板，發(fā)現(xiàn)橫向開設(shè)長條孔不合理，其次圓孔開設(shè)在頂桿軸線上，還存在圓孔開設(shè)趨于保守以及孔間距較大的問題。

圖7 50%體積移除的優(yōu)化形狀

進(jìn)一步考察了優(yōu)化后的壓邊圈結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，優(yōu)化后的應(yīng)力分布如圖8（a）所示，最大應(yīng)力為25 MPa，位于減輕孔的邊緣，由于只受到壓邊力作用，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高。Z方向的位移分布如圖8（b）所示，模具剛度優(yōu)化部位存在0.03 mm的壓縮變形，對于品質(zhì)較高的外覆蓋件，彈性變形還需要控制，避免在成形過程中受壓邊圈、板料、壓料器三者作用時(shí)壓料力產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致壓料階段打滑，影響凸凹模的成形精度。

圖8 優(yōu)化區(qū)域的應(yīng)力和變形位移分布

結(jié)合實(shí)際模具沖壓工況的復(fù)雜性，在模具設(shè)計(jì)過程中拓?fù)鋬?yōu)化并不是實(shí)現(xiàn)最大輕量化的唯一方法，還需要從模具的強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)剛度、設(shè)計(jì)與鑄造標(biāo)準(zhǔn)等方面綜合考慮。模具開發(fā)屬于成本較大的單項(xiàng)產(chǎn)品，即使同一零件，由于材料、工藝要求不同，每副模具在結(jié)構(gòu)上也具有唯一性，當(dāng)輕量化方案一旦削弱了模具的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，將會導(dǎo)致模具的動(dòng)態(tài)精度降低甚至開裂。

一般沖模中可減輕質(zhì)量的部件主要為上、下模座、壓邊圈以及壓料器等部件，對于精度要求不高的內(nèi)板模具，可采用激進(jìn)的減輕質(zhì)量約束目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，并對模具受力區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)度評估；對于精度較高的外覆蓋件模具，模具彈性變形是影響外板零件尺寸和外觀精度的重要因素，優(yōu)化過程中還須保證模具的剛度；對于高強(qiáng)板或超高強(qiáng)板模具，由于零件的成形力大，模具零件容易開裂，對于受力區(qū)域原則上不進(jìn)行減輕質(zhì)量優(yōu)化。

3 結(jié)束語

針對壓邊圈減輕孔設(shè)計(jì)，采用了ABAQUS軟件的tosca模塊對其進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化分析，得到如下結(jié)論。

（1）在常規(guī)減輕質(zhì)量指標(biāo)下，通過設(shè)置25%的移除體積量，其前幾次優(yōu)化的移除效率高，從移除的位置和形狀來看，主要為2個(gè)頂桿之間的區(qū)域，形狀為縱向長條形。

（2）在極限減輕質(zhì)量指標(biāo)下，通過設(shè)置50%的移除體積，從計(jì)算結(jié)果可知，理論上除了頂桿-支撐筋-型面的沖壓受力線區(qū)域外，其他部位都可以進(jìn)行相應(yīng)的減輕質(zhì)量處理。

（3）指出了當(dāng)前壓邊圈減輕孔開設(shè)存在不足，首先是橫向開設(shè)的長條孔和圓孔形狀不合理，其次圓孔不應(yīng)該開設(shè)在頂桿軸線上，此外還存在孔距開設(shè)間距較大，減輕趨于保守的問題。