基于Autoform的殼類零件拉延模工藝仿真與優(yōu)化

張 杰，周 勇

基于Autoform的殼類零件拉延模工藝仿真與優(yōu)化

張 杰，周 勇

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文以殼類零件作為研究對象，在Autoform中通過三維建模對其沖壓成形過程進(jìn)行仿真實驗，并對其成形過程中拉延工序進(jìn)行分析，結(jié)合仿真實驗的成形極限圖（FLD）及工件云圖分析拉延過程中可能出現(xiàn)的起皺、破裂等缺陷情況。通過仿真效果對可能出現(xiàn)缺陷的區(qū)域進(jìn)行拉延工序的工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，確定合理的工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)，從而為實際生產(chǎn)提供準(zhǔn)確有效的參數(shù)指導(dǎo)殼類零件的生產(chǎn)。

Autoform 拉延模 工藝仿真 優(yōu)化設(shè)計

0 引言

基于計算機建模仿真軟件驅(qū)動的拉延模的設(shè)計是目前模具制造行業(yè)發(fā)展和競爭的核心技術(shù)之一，它可有效的保證沖壓件的成形性、表面質(zhì)量及加工尺寸精度[1]。模具作為重要的工藝裝備在制造工業(yè)的實際生產(chǎn)中的作用不可替代，而沖壓成形的拉延模亦是模具中重要的類別之一，隨著計算機軟件和硬件的不斷的快速發(fā)展，有限元分析理論的不斷發(fā)展與完善等，沖壓成形過程的數(shù)值模擬技術(shù)也發(fā)揮著越來越不可忽視的作用。通過計算機的仿真與運算，對拉延模的設(shè)計要求提供切實可行的參考及在實際生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)缺陷位置的預(yù)測，從而避免在實際中進(jìn)行大量的模具試驗測試，大大的消減試模的次數(shù)，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，進(jìn)一步提高殼類零件生產(chǎn)效率與生產(chǎn)成本[2]。

1 零件工藝仿真預(yù)處理

對于殼類零件需要經(jīng)過拉延、切邊整形、沖孔等相關(guān)成形工序，其中拉延工序會直接影響產(chǎn)品最終質(zhì)量，故該工序為工藝分析的重點。Autoform仿真軟件在模擬板料成形的全過程中能夠及時預(yù)測發(fā)現(xiàn)成形過程中可能出現(xiàn)的起皺、破裂等缺陷情況，為拉延等工藝分析提供試驗結(jié)果[3]，為完善模具設(shè)計方案提供科學(xué)的依據(jù)，首先需要對研究對象進(jìn)行相關(guān)的預(yù)處理。

1.1 零件加工工藝分析

零件空間外觀尺寸長×寬×高為1729 mm×410 mm×693 mm，厚為1.5 mm，零件結(jié)構(gòu)較為對稱，橫截面基本呈現(xiàn)U形，且由多個復(fù)雜曲面、圓角、孔等元素構(gòu)成，自由曲面上有不同大小、形狀的圓孔與異形孔，曲面與曲面之間由光滑的圓角過渡連接，零件表面光潔平滑。

零件加工工序主要為單動拉延，再輔助整形、沖孔、翻邊等工序。因零件結(jié)構(gòu)對稱，左右兩側(cè)圓角采用過渡沖壓成形，零件的兩頭和中間部位存在高度差且結(jié)構(gòu)尺寸也比較大，導(dǎo)致拉延模有較大的位移量。因為孔的大小不一和位置的分布不均，無法一次性沖壓成形，需要分步?jīng)_孔才能完成。

該零件選用材料為厚1.5 mm的冷軋鋼板，其牌號為 DC04，此材料可用于深沖，材料具體性能參數(shù)如表1所示。

表1 材料性能基本參數(shù)

1.2 零件參數(shù)設(shè)置

零件導(dǎo)入分析軟件時，對其成形性進(jìn)行檢查，若存在缺陷，需要對其進(jìn)行修補。檢查完成后對其在Autoform中參數(shù)設(shè)置：縫合距離為0.2 mm，網(wǎng)格公差設(shè)定為0.05 mm，網(wǎng)格的最大邊界長度為 30 mm，撥模負(fù)角界限中的安全角度設(shè)置為3°，工件送料方向則是沿y軸設(shè)置，參數(shù)設(shè)置完成后軟件對導(dǎo)入模型自動進(jìn)行三角網(wǎng)格劃分如圖1。

1.3 零件沖壓方向的選擇

沖壓方向的選擇要有利于板料在拉延過程的成形與放置，選擇合理的沖壓方向才能簡便且順利地完成沖壓成形。而合理的選擇沖壓方向需要考慮以下原則[4]：

1）確保一次性拉延成形全部空間形狀，避免出現(xiàn)凸模接觸不到的“面域死區(qū)”；

2）盡可能使拉延的深度差為最小，減小板料變形的不均勻分布；

3）保證有良好的接觸，減小板料與模具的相對滑動；

4）能夠有利于防止表面缺陷的產(chǎn)生，保證其接觸面盡量離沖壓中心距離近。

在Autoform軟件中設(shè)置確定的沖壓方向，利用tip功能，position設(shè)置以重心來確定沖壓坐標(biāo)系原點，沖壓方向此處則采用最小拉延負(fù)角，微調(diào)確定好Z軸方向，沖壓方向效果示意如圖2所示，由于此產(chǎn)品零件存在多個大小、形狀不一的孔洞，在此處先不做處理，節(jié)省計算機運行的處理時間，后續(xù)進(jìn)行曲面填充或修補。

圖1 三角網(wǎng)格劃分效果

圖2 沖壓方向示意圖

2 零件工藝仿真規(guī)劃與優(yōu)化設(shè)計

2.1 零件工藝仿真規(guī)劃

通過對零件特點的分析確定零件的工藝路線為：落料→拉延→整形、沖孔→翻邊→沖孔。

為了獲取各個工序中合適的參數(shù)采用倒推法對各個工序在Autoform中的工藝參數(shù)進(jìn)行制定。

1）沖孔：在此處無需做任何設(shè)置，直接選擇軟件參數(shù)的默認(rèn)就行。

2）翻邊：翻邊一般是在拉延、整形工序?qū)ぜ尚尾粷M意區(qū)域的修整工序。此處則是對兩道工序的補充。在Autoform中對翻邊工序進(jìn)行設(shè)置tip，在工序中無需對產(chǎn)品零件進(jìn)行modify（修改）處理，在form功能中進(jìn)行簡單翻邊刀塊的設(shè)計與修改。

3）整形、沖孔：整形、沖孔根據(jù)part（產(chǎn)品零件）來設(shè)置一下tip，其他參數(shù)在此處可不進(jìn)行設(shè)置，使其軟件參數(shù)默認(rèn)設(shè)置就可以了。

4）拉延：在拉延工序中，為了增加工件的強度，也是為了更好的實現(xiàn)工件的拉延，零件在拉延工序中modify（修改）功能中進(jìn)行異形孔面域填充。

填充完成后，對壓料面進(jìn)行設(shè)置，在軟件binder功能中自動生成了一個水平壓料面，再使用壓料面控制曲線貼合工件邊界形狀來調(diào)整改變曲線形狀，直到壓料面比較符合工藝補充為止如圖3，然后在軟件中自動生成工藝補充面，調(diào)整期圓角半徑，使之盡量的光滑過渡，以此來提高最終產(chǎn)品成形的質(zhì)量。

在拉延過程中，板料凸緣內(nèi)受到切向壓應(yīng)力的作用下，常常會失去穩(wěn)定性等問題從而發(fā)生起皺等缺陷問題。而在拉延工序中，起皺是造成廢品的主要原因之一，因此為了防止工件失穩(wěn)時而產(chǎn)生起皺的情況下，而需要在凹、凸模之間設(shè)置壓邊圈提高成形質(zhì)量如圖4所示。

圖3 壓料面示意圖

圖4 凹、凸模及壓邊圈示意圖

2.2 零件工藝優(yōu)化

工藝優(yōu)化是拉延工件沖壓成形工藝中不可缺少的一部分，工藝優(yōu)化主要包括工藝補充面與壓料面的建立[5]。對于工藝補充面與壓料面的建立具體如下：

1）工藝補充面

工藝補充面是零件邊緣延伸到壓料面之間補充的過渡曲面。在對拉延工序進(jìn)行工藝補充時，需要將零件上的孔、切口等結(jié)構(gòu)根據(jù)拉延工序的要求進(jìn)行相應(yīng)的工藝處理。工藝補充面設(shè)計遵循以下原則：使內(nèi)孔封閉填充；能夠簡化拉延工件的結(jié)構(gòu)形狀；保證工件擁有良好的塑性變形條件；需有利于后序其他工序；補充的部分盡可能的少；雙件拉深工藝補充。該零件工藝補充面三維示意圖如圖5所示。

圖5 工藝補充面三維示意圖

2）壓料面

壓料面的作用是要保障板料在沖壓成形的過程中能起到避免起皺、破裂且順利進(jìn)入模具中[6]。壓料面的設(shè)計原則遵循以下原則：壓料面應(yīng)該盡可能的簡單，并且應(yīng)該圓滑光順，有臺階面時盡量用圓弧曲面光滑過渡且保證拉延深度均勻；有過渡是應(yīng)該盡可能的平緩圓弧過渡；在壓料面的設(shè)計時，還要考慮到毛坯板料送放件的便利性和穩(wěn)定性等。

3 仿真模擬與評判

3.1 成形極限圖及工程云圖

對于零件加工質(zhì)量的模擬效果質(zhì)量主要從零件的成形性、變形分布、厚度變化和成形極限圖等方面來分析。成形極限圖是用來評定板料沖壓成形性能的一種重要圖形；它能夠非常直觀、清楚地表明板料在沖壓過程中的變形情況；而工件云圖則能直觀的通過顏色的分布情況看出工件的各個面的情況，判斷工件是否拉伸充分、起皺破裂以及變薄程度等情況。

1）成形極限圖表示板料毛坯在不同的應(yīng)變形力狀態(tài)下的變形極限的圖。FLD是以主應(yīng)變?yōu)榭v軸、以次應(yīng)變?yōu)闄M軸組成的坐標(biāo)圖。FLD通過橫縱坐標(biāo)能夠全面地反應(yīng)當(dāng)前零件模擬在復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變情況下，可能產(chǎn)生的拉裂、起皺等各項失穩(wěn)狀況，通過成形極限圖的破裂曲線可以發(fā)現(xiàn)材料在成形過程中的各項缺陷。通過對各個區(qū)域進(jìn)行分析，采取相對應(yīng)的解決方法從而提高材料加工成形的性能。

2）工件云圖是直接通過不同顏色來反應(yīng)各個面區(qū)域成形情況，通過顏色的分布情況可快速識別面域的成形情況。根據(jù)不同的零件厚度及沖壓弧度設(shè)置對應(yīng)的參數(shù)，可以充分利用材料的變形潛能，在滿足沖壓使用性能的前提下，可使用較低級別性能的材料來降低成本等。

3.2 仿真分析及評判

1）優(yōu)化前仿真分析與評判

對殼類零件毛坯件進(jìn)行軟件仿真，如圖6為殼類零件的成形極限圖與工件云圖。從成形極限圖來分析，可以直觀的看出工件有部分點落在破裂曲線之上，反映出板料在復(fù)雜應(yīng)力的狀況下，有部分面域產(chǎn)生塑性失穩(wěn)破壞斷裂等缺陷情況，而大部分的點在曲線的下方，說明其他面域的成形處都在其安全區(qū)域里。從工件云圖分析可知，破裂的面域位置處在工件中部的圓倒角處和工件端部圓角處，表明了現(xiàn)有工藝參數(shù)在兩處還是不能夠滿足其拉延成形，一些面域存在拉延不夠充分。綜合以上分析，為了使工件能避免出現(xiàn)上述缺陷問題，應(yīng)該調(diào)整模具的中間和端部的結(jié)構(gòu)，使兩處圓角的過渡半徑增大，來解決成形缺陷和完善工藝參數(shù)。

圖6 成形極限圖和工件云圖

圖7 優(yōu)化設(shè)計后零件成形極限圖及工件云圖

2）優(yōu)化后仿真分析與評判

加大破裂處的圓角半徑，同時改變其模具結(jié)構(gòu)后來解決破裂缺陷成形的問題，再是將摩擦系數(shù)由0.12調(diào)整到0.15，以此來提高沖壓工件的表面質(zhì)量。如圖7為修改工藝參數(shù)之后的成形極限圖與工件云圖。對比圖6可知，通過對拉延過程中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，大部分面域都還是處于拉延合理范圍內(nèi)，起皺的位置處于工件工藝補充面邊料處，而拉延不足區(qū)域恰位于其周圍，絕大部分處于安全區(qū)域，由于本工件在拉延之后還有整形、沖孔等工序，經(jīng)過后續(xù)工序的對工藝補充面的處理會將起皺處去除掉，故不會影響零件的性能，且安全區(qū)域里破裂曲線有相當(dāng)?shù)囊欢尉嚯x。綜上，經(jīng)過對工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，本次仿真模擬結(jié)果比較理想，間接的說明修改調(diào)整后的拉延工藝較為合理。

4 結(jié)論

在Autoform軟件中較為精準(zhǔn)的仿真殼類零件的沖壓成形過程，能夠模擬拉延沖壓過程中可能出現(xiàn)的各種問題，再經(jīng)過反復(fù)的調(diào)整及修改工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)等，得到較為理想滿意的工藝方案。本文是以落料、拉延、整形、沖孔、翻邊再到?jīng)_孔來制定的工藝路線，此路線在能夠滿足產(chǎn)品零件的沖壓成形下，使工藝路線變得更合理。

本文研究對象在Autoform軟件中進(jìn)行工藝參數(shù)仿真基礎(chǔ)上，結(jié)合仿真的FLD及工件云圖的進(jìn)行拉延工藝分析，驗證經(jīng)過工藝參數(shù)優(yōu)化后的仿真結(jié)果。從而通過有限元分析及數(shù)值模擬為實際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)，提高殼類零件的生產(chǎn)效率及質(zhì)量。

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[5] 姚興, 陳軍, 石曉祥, 阮雪榆. 覆蓋件拉延模工藝補充面及壓料面參數(shù)化設(shè)計研究[J]. 模具技術(shù), 2002(4): 6-9.

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Simulation and Optimization of Drawing Die of the Shell Parts Based on Autoform

Zhang Jie, ZhouYong

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TG241

A

1003-4862（2019）06-0033-04

2018-07-02

張杰(1991-)，男，助理工程師。研究方向：機械制造。E-mail: 1601286431@qq.com