胡 慧，任龍軍

（1.合肥經(jīng)濟(jì)學(xué)院工學(xué)院，安徽 合肥 230011；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）

0 引言

多步加工沖模是在普通沖模的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種高精度、高效率、長(zhǎng)壽命的模具，是技術(shù)密集型模具的重要代表，亦是沖模的發(fā)展方向之一［1］。近年來(lái)，針對(duì)CAD/CAE技術(shù)對(duì)多步加工沖模的設(shè)計(jì)開展的大量研究工作均按照工藝設(shè)計(jì)、排樣與概要設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì) 4個(gè)階段展開［2］。（1）工藝設(shè)計(jì)階段，通過(guò)分段等效拉延筋設(shè)置與優(yōu)化，獲得了合格的轎車散熱器橫梁［3］和轎車座椅座盆［4］拉延成形模擬結(jié)果；王利等［5］通過(guò)半盒形特征件的產(chǎn)品造型及其切邊線優(yōu)化，消除了制件的開裂現(xiàn)象與縮小了制件輪廓邊界誤差。（2）排樣與概要設(shè)計(jì)階段，羅林等［6］以1個(gè)高復(fù)雜度轎車橫梁為研究對(duì)象，分析了制件的基本成形工序，并設(shè)計(jì)了可行的排樣方案；羅林等［7］為級(jí)進(jìn)沖壓成形全類型載體排樣設(shè)計(jì)提供思路，又設(shè)計(jì)了5類車身結(jié)構(gòu)件的排樣。（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)階段，趙殿明等［8］完成了1套8工位發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼多工位自動(dòng)線傳遞模的設(shè)計(jì)并成功試制出合格的零件產(chǎn)品；薛飛等［9］運(yùn)用相關(guān)軟件優(yōu)化了機(jī)械手送料周期與運(yùn)動(dòng)軌跡，確保了送料過(guò)程中機(jī)械手與模具體不發(fā)生干涉。

上述研究雖然按照多步加工沖模設(shè)計(jì)的流程開展，但在研究中并未報(bào)道。另外，加工沖模設(shè)計(jì)中的制件形狀各異，實(shí)施CAD/CAE技術(shù)中的要點(diǎn)不盡相同，造成了每項(xiàng)具體研究各有開發(fā)側(cè)重點(diǎn)。因此，導(dǎo)致制件多步加工沖模開發(fā)流程難度較大且現(xiàn)有報(bào)道也較少［10-11］。因此，本研究按照多步加工沖模4步法開發(fā)流程，應(yīng)用UG軟件結(jié)合AutoForm軟件實(shí)施復(fù)雜轎車D柱多步加工沖模的CAD/CAE開發(fā)，旨在提高開發(fā)效率并縮短其開發(fā)周期，為相關(guān)技術(shù)人員提供參考。

1 多步加工沖模設(shè)計(jì)流程

多步加工沖模設(shè)計(jì)是在普通沖模基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一項(xiàng)系統(tǒng)工程。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，已形成了一套標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)流程，具體如圖1所示［12］。圖1中工藝設(shè)計(jì)階段、排樣與概要設(shè)計(jì)階段具有對(duì)其設(shè)計(jì)結(jié)果的閉環(huán)反饋功能，所以可以成為獨(dú)立的一環(huán)，同時(shí)又是整個(gè)流程的核心一環(huán)，與其他設(shè)計(jì)階段環(huán)環(huán)相扣、層層遞進(jìn)。

筆者結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)圖1做如下分析：多步加工沖模設(shè)計(jì)流程一般可分為工藝設(shè)計(jì)、排樣與概要設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)4個(gè)階段。其中第1階段就是通過(guò)分析零件的成形工序與成形要點(diǎn)，確定制件的沖壓加工工藝方案，并通過(guò)仿真驗(yàn)證方案的可行性；第2階段以前期合理的工藝方案為基礎(chǔ)，確定具體的工藝排樣、多步加工沖模分模規(guī)劃與各分模的概要設(shè)計(jì)，確定能否進(jìn)一步開展分模設(shè)計(jì)和制造；第3、4階段就是為了多步加工沖模正式投產(chǎn)而開展的具體設(shè)計(jì)工作，在該階段也會(huì)同期展開部分模具零件的加工。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，深度智能化的CAD、CAE、CAM和NC加工技術(shù)能夠?yàn)槎嗖郊庸_模提供全新的設(shè)計(jì)手段，屆時(shí)上述設(shè)計(jì)流程一定會(huì)被改造。

圖1 多步加工沖模設(shè)計(jì)流程

2 多工加工沖模設(shè)計(jì)

2.1 工藝設(shè)計(jì)

2.1.1 沖壓工藝分析

轎車D柱外板加強(qiáng)板UG數(shù)模如圖2所示，該制件形狀復(fù)雜，屬于車身大型柱類制件。該制件包含1處拉延、3處沖孔以及多處切邊，其最大外形尺寸為579 mm×180 mm，所用材料為DX53D，板料厚度為1.2 mm，屬于典型的復(fù)雜薄板左右對(duì)稱件。

圖2 轎車D柱外板加強(qiáng)板UG數(shù)模

從外形上看，制件的兩端帶有開口，成形時(shí)需要考慮回彈變形。另外，柱類制件成形的關(guān)鍵是實(shí)施拉延工藝，制件兩端的開口有利于拉延成形時(shí)的材料流入，故為避免成形起皺應(yīng)增設(shè)拉延筋調(diào)節(jié)材料流入量。該制件拉延深度較大且外形復(fù)雜，在調(diào)整拉延方向時(shí)應(yīng)確保不存在拔模負(fù)角。由于制件外邊界復(fù)雜，應(yīng)對(duì)拉延后的制件進(jìn)行分步切邊。因此，為了制件成形穩(wěn)健，綜合考慮確定零件的成形方案為：拉延→切邊、切邊→整形→切邊、沖孔。鑒于各工序制件形狀大小和廠家設(shè)備情況，根據(jù)所確定的成形方案，需要通過(guò)分模方式實(shí)施制件。

2.1.2 沖壓仿真分析

DX53D材料由Autoform材料庫(kù)導(dǎo)入軟件中進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，材料的主要性能參數(shù)如下：楊氏模量為2.1×10-5N/mm2，泊松比為0.3，比重為7.8×10-5N/mm3，屈服面擬合模型為Hill，雙軸應(yīng)力因子為1.0，雙軸點(diǎn)處的初始屈服應(yīng)力為224.8 MPa，各向異性系數(shù)平均值為0.767。

拉延坯料的設(shè)計(jì)是應(yīng)用一步法對(duì)制件粗略展開后，繪制外界包絡(luò)矩形，再向外拓展100 mm，得到矩形坯料的形狀為669 mm×275 mm。以不影響仿真結(jié)果為前提，對(duì)上述工藝方案簡(jiǎn)化為：拉延→切邊→整形。依次建立制件的沖壓加工三維有限元模型，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程后仿真計(jì)算對(duì)應(yīng)簡(jiǎn)化工藝的仿真結(jié)果，如圖3a、3b、3c所示。圖3c中灰色區(qū)域表示該處材料成形不充分，黃色區(qū)域表示該處材料存在開裂風(fēng)險(xiǎn)，藍(lán)色區(qū)域表示該處材料存在起皺趨勢(shì)，綜上可知其成形性良好。從圖3d厚度分析可知，制件最大厚度為1.193 484 mm，最小厚度為0.936 578 mm。由此極限厚度可知，通過(guò)適當(dāng)調(diào)試模具可以保證制件的沖壓質(zhì)量。

圖3 轎車D柱外板加強(qiáng)板仿真結(jié)果

2.2 排樣與概要設(shè)計(jì)

以通過(guò)沖壓成形分析確定的工藝方案為基礎(chǔ)，最終確定工序排樣為：拉延→切邊、切邊→整形→切邊、沖孔。充分考慮工序件尺寸，應(yīng)用該工藝排樣確定模具設(shè)計(jì)方案規(guī)劃和分模的正倒裝方式、導(dǎo)向方式和卸料方式等基本結(jié)構(gòu)框架。多步加工沖模的分模方案規(guī)劃為OP10為第1套拉延分模、OP20-30為第2套分步切邊分模、OP40為第3套整形分模、OP50為第4套分步切邊沖孔分模，4套分模對(duì)應(yīng)的整體裝配模型，如圖4所示。分模均采用凹模上置，切邊刀、沖頭或凸模下置的正裝方式；均采用前后兩端導(dǎo)腿導(dǎo)向模架；分模的卸料方式均應(yīng)用卸料板配合周布氮?dú)飧滋峁┑膹棄毫?shí)施卸料，同時(shí)彈壓卸料板由模架內(nèi)部工作面提供導(dǎo)向，用以提高模具的使用壽命。

圖4 多步加工沖模4套分模整體裝配模型

2.3 結(jié)構(gòu)與零件設(shè)計(jì)

拉延是多工序沖壓成形中的關(guān)鍵工序，拉延件精度決定后續(xù)工序件的形面精度，是多步加工沖模設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。因此，本節(jié)僅對(duì)所設(shè)計(jì)的OP10分模的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。OP10分模上下模組件三維模型，如圖5所示。作為工作部件的骨架上模座和下模座采用整體鑄造模座，上下模組件導(dǎo)向采用兩端雙導(dǎo)腿，雙導(dǎo)腿和導(dǎo)槽內(nèi)側(cè)各設(shè)有2塊導(dǎo)板配合精加工的導(dǎo)向面導(dǎo)向，矩形料片由安裝在下模座上平面的7個(gè)定位器定位。OP10分模具采用單動(dòng)拉延方法設(shè)計(jì)，凹模采用分塊鑲拼結(jié)構(gòu)安裝在上模座內(nèi)腔，凸模亦采用分塊鑲拼結(jié)構(gòu)安裝在下模座的中心并由壓邊圈內(nèi)側(cè)定位，壓邊圈外側(cè)有導(dǎo)板與下模座內(nèi)側(cè)精加工面配合定位并導(dǎo)向，壓邊圈通過(guò)底部氮?dú)飧走B接在下模座底部。12個(gè)調(diào)整墊塊用于調(diào)整壓邊圈和凹模之間的壓邊面間隙。

圖5 OP10上下模組件三維模型

3 多工位傳遞模應(yīng)用

用1.2 mm厚的上海凱冶金屬制品有限公司生產(chǎn)的可深沖冷軋基板DX53D，在沖壓生產(chǎn)線上手動(dòng)傳遞試模，試模沖床為4臺(tái)龍門閉式雙點(diǎn)600 T沖床，所獲轎車D柱外板加強(qiáng)板產(chǎn)品，如圖6所示。通過(guò)實(shí)沖試驗(yàn)驗(yàn)證了多步加工沖模的沖壓生產(chǎn)情況，獲得轎車D柱外板加強(qiáng)板左右件。最后需要評(píng)估對(duì)產(chǎn)品零件的外觀質(zhì)量和形位精度，以驗(yàn)證反饋產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的有效性。外觀質(zhì)量方面，表面光滑、無(wú)起皺與破裂等成形性問(wèn)題；形位精度方面，應(yīng)用思瑞三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)分別測(cè)量了產(chǎn)品零件左、右件形面與邊界上157個(gè)點(diǎn)，檢測(cè)點(diǎn)均勻分布與產(chǎn)品零件上，能夠反映三維產(chǎn)品零件上的形面與內(nèi)外邊界及其形孔尺寸是合格的。

圖6 轎車D柱外板加強(qiáng)板產(chǎn)品

圖7為轎車D柱外板加強(qiáng)板左右件部分檢測(cè)點(diǎn)所生成的檢測(cè)點(diǎn)位置，表1為所整理出的15個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的綜合偏差，表1中檢測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向上的綜合偏差依次用T1～T15表示。各檢測(cè)點(diǎn)的偏差值基本能夠被控制在所要求的±0.3 mm或±0.5 mm范圍之內(nèi)，極少部分超差的檢測(cè)點(diǎn)偏差也都在±0.8 mm左右，這些超差點(diǎn)通過(guò)適當(dāng)調(diào)整模具也能夠被修正合格。另外受沖床、模具以及材料三者的微觀不確定性因素會(huì)帶來(lái)誤差，所以三維坐標(biāo)測(cè)量值沒(méi)必要完全被控制在要求的公差范圍內(nèi)，在最嚴(yán)格的汽車鈑金件商品模開發(fā)行業(yè)中也是被允許部分檢測(cè)點(diǎn)小范圍超差的。

表1 左右件檢測(cè)點(diǎn)的綜合偏差

圖7 部分三維坐標(biāo)檢測(cè)點(diǎn)位置

4 結(jié)論

本研究總結(jié)了多步加工沖模設(shè)計(jì)4個(gè)階段的流程，按照該設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)制造了由4套獨(dú)立分模組成的轎車D柱外板加強(qiáng)板多步加工沖模，配合沖壓生產(chǎn)線沖制出了合格的產(chǎn)品。

具體通過(guò)對(duì)制件的工藝分析確定了沖壓成形要點(diǎn)，初步確定了制件的多步?jīng)_壓排樣工藝；通過(guò)有限元仿真驗(yàn)證了初步?jīng)_壓工藝的合理性，確定了最終多步?jīng)_壓排樣工序；按照最終多步?jīng)_壓排樣工序規(guī)劃了分模方案，并對(duì)分模進(jìn)行了概要設(shè)計(jì)；重點(diǎn)分析了所設(shè)計(jì)的第1套分模OP10拉延模的具體結(jié)構(gòu)與零件設(shè)計(jì)；最后應(yīng)用設(shè)計(jì)制造的多步加工沖模進(jìn)行了實(shí)沖試驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的多步加工沖模的合理性。

本研究按照規(guī)范的設(shè)計(jì)流程，展現(xiàn)了多步?jīng)_模開發(fā)的規(guī)律性。針對(duì)復(fù)雜柱類制件的轎車D柱外板加強(qiáng)板，重點(diǎn)分析了每個(gè)階段的設(shè)計(jì)內(nèi)容與要點(diǎn)，完成了大量的工程設(shè)計(jì)與實(shí)沖試驗(yàn)工作，這些工作對(duì)轎車柱類制件多步加工沖模開發(fā)卓有成效。我國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)汽車車身的制造提出了更高的要求，涉及汽車沖模開發(fā)的先進(jìn)的板料沖壓成形計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)（單元技術(shù)、接觸力計(jì)算方法、回彈模擬技術(shù)等），板料沖壓工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容與要點(diǎn)（試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法、并行優(yōu)化技術(shù)），基于CAE技術(shù)的沖壓工藝與模具的拉延筋技術(shù)、熱成形技術(shù)和整體壓鑄技術(shù)3個(gè)方面尚待相關(guān)技術(shù)與科研人員全面而深入地研究。