張留偉，徐慧西，褚建忠，胡烈

（1.臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院，浙江臺(tái)州318000；2.浙江黃巖沖模有限公司，浙江臺(tái)州318000）

1 引言

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保和節(jié)能的要求，減輕汽車整車重量的趨勢(shì)越來越清晰。大量研究數(shù)據(jù)說明，當(dāng)汽車的整體質(zhì)量下降10%，燃油效率可以提升6%~8%，汽車整車重量每減少100千克，百公里油耗可以降低0.3至0.6升。因此，研究開發(fā)汽車用新材料或新工藝來減輕汽車整車重量越來越受到各大車企的重視[1~2]。

鋼鐵材料由于價(jià)格便宜、工藝比較成熟等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以可以運(yùn)用相關(guān)新工藝作用于鋼鐵材料，充分發(fā)掘其性能，使其成為高強(qiáng)度鋼材，從而成為目前運(yùn)用最多的材料[3]。

有限元分析模塊能夠快速評(píng)估研發(fā)過程中的質(zhì)量問題，進(jìn)而把設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的缺陷控制在初始階段，因此，有限元分析模塊被廣泛運(yùn)用于汽車模具設(shè)計(jì)，此技術(shù)的推廣應(yīng)用極大地提高了汽車覆蓋件模具的設(shè)計(jì)能力，并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)解決設(shè)計(jì)過程中的一些棘手問題，能夠顯著提高企業(yè)效益[4~5]。

2 制件分析和工藝安排

2.1 制件分析

高強(qiáng)鋼后地板工件如圖1所示，制件整體尺寸為：1,650×930×210mm，制件厚度0.8mm，所用板料為590DP，制件約重6.2kg。通過測(cè)量可知，制件外形尺寸較大、不規(guī)則面非常多、沖壓要求高等多個(gè)特點(diǎn)。為達(dá)到提升材料利用率的目的，應(yīng)該從拉伸筋、拉伸深度和工藝補(bǔ)充面的優(yōu)化等工藝方面作為切入點(diǎn)。

圖1 制件數(shù)模

2.2 工藝方案設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)工藝方案時(shí)，保證沖出合格制件的前提下，應(yīng)使設(shè)計(jì)出的工序數(shù)目最少，從而降低生產(chǎn)成本。綜合分析本制件的結(jié)構(gòu)特征，特設(shè)計(jì)出5副模具來沖制，即拉伸（OP10）?修邊沖孔（OP20）?修邊沖孔側(cè)沖孔（OP30）?翻邊整形翻口（OP40）?沖孔側(cè)修邊側(cè)沖孔（OP50）5道工序，如表1所示。

表1 工藝設(shè)計(jì)

成形類制件，按照成形先后次序，由最后工序向前工序依次展開，最后得到坯料尺寸。對(duì)于能夠用理論計(jì)算公式展開的內(nèi)容全部用理論公式計(jì)算。對(duì)于不能夠用理論計(jì)算公式展開的內(nèi)容用Autoform優(yōu)化展開。壓料面內(nèi)能均勻地布置氣墊頂桿，即：凸模輪廓線在氣墊范圍以內(nèi)，并有空間布置氣墊頂桿。保證成形及拉伸過程中材料不失控，無疊料、起皺現(xiàn)象，成形終了時(shí)，材料的減薄量、增厚量控制在理想范圍內(nèi)。

3 模擬預(yù)處理

3.1 沖壓方向的確定

在汽車覆蓋件沖壓工藝?yán)?、修邊、沖孔、翻邊等多個(gè)工序中，要盡量把各個(gè)工序的沖壓方向設(shè)計(jì)成相同的，這樣可以使在批量生產(chǎn)中不需要進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，便于工人操作，大大提高生產(chǎn)率，且有利于模具的設(shè)計(jì)與制造。本項(xiàng)目是將后地板覆蓋件數(shù)模導(dǎo)入模擬分析軟件Autoform中，通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)，使后地板數(shù)模相對(duì)沖壓方向無負(fù)角，如圖2所示。

圖2 沖壓方向

3.2 壓料面設(shè)計(jì)

壓料面為組成工藝補(bǔ)充面部分，即凹模圓角半徑以外的部分。毛坯料被壓邊圈壓在凹模壓料面上，得到的工藝補(bǔ)充部分以無產(chǎn)生起皺和破裂為標(biāo)準(zhǔn)，從而保證毛坯料具有很好的拉伸作用。另外，壓料面形狀對(duì)制件質(zhì)量、材料利用率等都有很大影響。運(yùn)用有限元分析軟件相關(guān)命令可以形成相關(guān)壓料面，然后調(diào)整相關(guān)參數(shù)達(dá)到分析所需要求。

3.3 拉伸筋設(shè)計(jì)

拉伸筋的合理設(shè)計(jì)可以增加進(jìn)料阻力、增加徑向拉應(yīng)力、調(diào)整進(jìn)料阻力和進(jìn)料量等作用。拉伸筋參數(shù)的合理設(shè)置是控制金屬流動(dòng)、防止出現(xiàn)起皺和破裂的重要手段，拉伸筋的設(shè)計(jì)是沖模設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。一般來講，所設(shè)計(jì)的拉伸筋要放在壓邊圈之上，這樣可以提高材料剛性、保證坯料流入速度等，高強(qiáng)鋼后地板制件是運(yùn)用圓形拉伸筋分析。

3.4 壓邊力的計(jì)算

通常壓邊力的計(jì)算按照公式：

式中Pb——壓邊力，kN

Sb——壓邊圈面積，mm2

γ——系數(shù)，內(nèi)板件一般取0.22kN·mm-2

P——拉伸筋的力，kN

通常，企業(yè)為了利益最大化，會(huì)采用前人經(jīng)驗(yàn)推算壓邊力數(shù)值，壓邊力=（制件長(zhǎng)+制件寬）×4/100=120t，最后依據(jù)模擬數(shù)值依次調(diào)整壓邊力大小。

4 高強(qiáng)鋼后地板的模擬和優(yōu)化

4.1 成形過程

高強(qiáng)鋼后地板汽車零部件的成形過程模擬如圖3所示，高強(qiáng)鋼后地板成形模擬示意圖可直觀反映拉伸過程。

圖3 坯料成形過程

高強(qiáng)鋼后地板汽車覆蓋件在有限元分析過程中會(huì)產(chǎn)生起皺及破裂等缺陷，產(chǎn)生這些缺陷的因素可以歸納為[1]：①在有限元分析中，設(shè)定的壓邊力太高，從而使得制件在模擬成形中發(fā)生破裂；②分析中所使用的拉伸筋或拉伸筋參數(shù)錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致制件發(fā)生開裂或起皺現(xiàn)象；③分析所用工藝補(bǔ)充面發(fā)生錯(cuò)誤，直接會(huì)使毛坯料在凹?？诹鲃?dòng)不暢，從而引起缺陷的產(chǎn)生。

起皺和破裂現(xiàn)象可以用以下方法解決：①根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況取壓邊力數(shù)值，壓邊力過大會(huì)使得制件直接破損，而壓邊力過小則會(huì)導(dǎo)致制件起皺現(xiàn)象的產(chǎn)生，所以運(yùn)用Autoform軟件循環(huán)分析，高強(qiáng)鋼后地板拉伸工序壓邊力選用120t，模擬結(jié)果制件完好；②不使用整體拉伸筋形式，而是運(yùn)用分段式的，每段可以調(diào)為不同參數(shù)，以適應(yīng)不同工況下壓邊力的需要；③優(yōu)化各序所做的3D工法圖，尤其是工藝補(bǔ)充方面，這樣可以保證后續(xù)的模擬、模具設(shè)計(jì)以及最后試模的順利進(jìn)行。

4.2 模擬結(jié)果分析

通過調(diào)整壓邊力的大小、工藝補(bǔ)充面的優(yōu)化和相關(guān)拉伸筋的設(shè)置，最終模擬是以制件的下型面做為基準(zhǔn)，可以允許的最大減薄率為25%，壓邊力設(shè)置為130t，壓邊圈的行程為140mm，摩擦系數(shù)定為0.13。圖4所示為成形極限圖表，即FLD圖形，圖4中可得出制件無開裂現(xiàn)象發(fā)生，成形狀況良好。圖5所示為板料減薄率分布圖，從圖5中可以看出最大減薄率17%，在接受范圍之內(nèi)。

圖4 板料成形極限圖（FLD）

圖5 板料減薄率分布圖

4.3 高強(qiáng)鋼后地板試生產(chǎn)

運(yùn)用Autoform軟件的分析結(jié)果指導(dǎo)沖壓系列模具的設(shè)計(jì)，圖6所示為高強(qiáng)鋼后地板OP10拉伸模結(jié)構(gòu)圖，其上模座、壓邊圈和凸模采用GGG70L材質(zhì)，下模座采用HT300材料整體鑄造，拉伸模整體重量10.6t。OP20、OP30、OP40和OP50所設(shè)計(jì)模具的上模座、壓料板和下模座均采用HT300整體鑄造，修邊刀塊采用ICD-5材料，其模具整體重量分別為7.8t、7.1t、8.7t和7.1t。其中拉伸模的壓邊圈上裝有墩死塊，限制下壓行程，保護(hù)模具零部件。

圖6 拉伸模結(jié)構(gòu)

圖7所示為高強(qiáng)鋼后地板成品件，生產(chǎn)過程中沒有出現(xiàn)起皺和開裂等不良現(xiàn)象，制件的成形效果較好，能夠滿足客戶對(duì)制件的各項(xiàng)性能要求。

圖7 試生產(chǎn)高強(qiáng)鋼后地板

5 結(jié)語

（1）依據(jù)制件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定了高強(qiáng)鋼后地板的成形工藝方案。

（2）運(yùn)用Autoform模擬分析軟件，通過優(yōu)化模擬參數(shù)，得出了制件的成形極限圖表、制件減薄率/增厚率等參數(shù)圖形。

（3）對(duì)于后地板制件發(fā)生起皺和開裂等不良現(xiàn)象，提出了對(duì)應(yīng)解決措施。

（4）模具設(shè)計(jì)制造完成后，試模得出符合各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的制件，從側(cè)面驗(yàn)證了Autoform分析的正確性。