基于CAE 技術(shù)的拉深模具壓料筋結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

呂淑艷

（包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程系，內(nèi)蒙古 包頭 014035）

板料沖壓成形最終目的是為了獲得高質(zhì)量的沖壓產(chǎn)品?？刂瓢辶铣尚钨|(zhì)量的方法很多，壓料筋是板料成形過(guò)程中的重要控制手段之一，其目的在于增加成形過(guò)程阻力，使板料能夠順利成形，減少成形缺陷。壓料筋設(shè)計(jì)在汽車(chē)覆蓋件拉深模具設(shè)計(jì)過(guò)程中占有特別重要的地位。合理設(shè)計(jì)壓料筋結(jié)構(gòu)參數(shù)可以改善板坯的流動(dòng)狀況，從而減少?zèng)_壓件的破裂和起皺[1]等缺陷。

1 壓料筋作用原理

拉深成形生產(chǎn)中，尤其是車(chē)身覆蓋件等大型零件的拉深工序中，往往會(huì)因?yàn)榱慵缀涡兔娌粚?duì)稱，使得板坯在拉深成形時(shí)各處材料沿凹模口的流動(dòng)速度不均衡，造成拉深后的零件局部減薄量大，出現(xiàn)頸縮或者破裂等質(zhì)量問(wèn)題，有些部位則出現(xiàn)起皺、波紋等質(zhì)量缺陷。板料沿凹?？诘牧鲃?dòng)速度，如圖1 所示。

圖1 板料沿凹模口的流動(dòng)速度圖

為改善這種狀況，需要在壓料面上控制對(duì)零件不同部位提供進(jìn)料阻力，即在需要材料多且流動(dòng)速度慢的部位相應(yīng)的進(jìn)料阻力小一些，而在需要材料少流動(dòng)速度快的部位相應(yīng)的進(jìn)料阻力相對(duì)大一些，如圖2 所示，從而平衡坯料在凹模口部的流動(dòng)速度差異，提高零件的成形質(zhì)量。平衡后板料沿凹?？诹鲃?dòng)速度，如圖3 所示。

圖2 板料沿凹?？谶M(jìn)料阻力分布圖

圖3 平衡后板料沿凹模口流動(dòng)速度圖

改變壓料面上進(jìn)料阻力的方法很多，如改變壓邊力或采用變壓邊力壓邊，改變壓料面與模具之間的間隙，改變凹模口圓角半徑以及設(shè)置壓料筋等。而設(shè)置壓料筋是應(yīng)用較靈活方便、修改較容易的一種方法，利用壓料筋阻力控制板坯局部變形條件，從而控制各部分的成形，使零件各部分變形條件趨于平衡，最終保障整個(gè)零件的順利成形。

2 壓料筋的形狀與阻力組成

壓料筋一般由兩部分組成，包括在壓邊圈上的筋和凹模上的槽。壓料筋根據(jù)其斷面形狀、幾何模型不同可分為半圓形筋、梯形筋、拉深檻或邊筋、三角形筋和矩形筋五種類(lèi)型。由于筋的斷面形狀及幾何尺寸不同，其功能強(qiáng)弱也不同。三個(gè)基本幾何形狀的壓料筋是半圓形筋、矩形筋和拉深檻。在筋高相同的情況下，矩形筋可以獲得比半圓形筋更高的進(jìn)料阻力。在壓料筋的參數(shù)都相同的情況下，拉深檻產(chǎn)生的阻力在三者中是最小的。半圓形筋斷面形狀如圖4所示，矩形筋斷面形狀如圖5 所示，拉深檻斷面形狀如圖6 所示。

圖4 半圓形筋斷面形狀圖

圖5 矩形筋斷面形狀圖

圖6 拉深檻斷面形狀圖

壓料筋阻力由兩部分組成：一部分是板料在壓料筋與槽的彎曲和反彎曲作用下產(chǎn)生的彎曲變形阻力，另一部分是板料在槽和壓料筋的圓角上滑動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦阻力。當(dāng)板料流過(guò)壓料筋時(shí)，會(huì)發(fā)生彎曲和反彎曲變形，反復(fù)的彎曲和反彎曲變形所產(chǎn)生的變形抗力即為壓料筋的變形阻力；此外，還會(huì)因摩擦而產(chǎn)生摩擦阻力。壓料筋的變形阻力和摩擦阻力之和就是壓料筋阻力。

3 壓料筋傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

壓料筋傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)過(guò)程，一般是先根據(jù)工程師經(jīng)驗(yàn)確定一個(gè)粗略的設(shè)計(jì)方案，然后通過(guò)后期不斷的試模來(lái)修正初始設(shè)計(jì)方案，直到最終能沖出合格的沖壓件為止。由于初始設(shè)計(jì)方案完全憑經(jīng)驗(yàn)給出，有很大的偶然性和不確定性，特別是當(dāng)新產(chǎn)品的形狀與以往產(chǎn)品的形狀相差較大時(shí)，初始設(shè)計(jì)方案往往與實(shí)際設(shè)計(jì)方案相差較大，從而使得試模次數(shù)增加，設(shè)計(jì)不準(zhǔn)確而且設(shè)計(jì)周期延長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)成本較高。

4 壓料筋改進(jìn)設(shè)計(jì)方法

隨著數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，即CAE 分析技術(shù)，在汽車(chē)零件模具設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。CAE 技術(shù)為研究壓料筋各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理取值提供了極為有力的工具，使壓料筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也變得更為簡(jiǎn)單。對(duì)保證零件質(zhì)量、減少材料消耗、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、提高開(kāi)發(fā)質(zhì)量以及降低制造成本等都具有重要意義。

壓料筋是工藝補(bǔ)充的一個(gè)重要組成部分。布置壓料筋不僅需要考慮調(diào)整板材在成形過(guò)程中局部的流動(dòng)速度，還需要考慮后續(xù)修邊和拉延時(shí)可能產(chǎn)生的質(zhì)量問(wèn)題。在模具工藝設(shè)計(jì)時(shí)，CAE 軟件提供的是等效壓料筋的模型。采用等效壓料筋代替壓料筋實(shí)體可以在不失精度的前提下大大降低計(jì)算時(shí)間。另一方面還可以很容易地改變等效壓料筋在有限元模型中的布置，從而研究不同布置方式對(duì)材料流動(dòng)的不同影響，而無(wú)需零件CAD 模型的任何修改，因此等效壓料筋模型在數(shù)值模擬中是一種非常有效的方法。但是在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，壓料筋的具體幾何尺寸由CAE 軟件的專(zhuān)門(mén)模塊提供，可以直接定義壓料筋的具體尺寸。

4.1 壓料筋布置形狀與方向

壓料筋應(yīng)根據(jù)凹?？谛螤畈贾?，一般情況下，壓料筋的走向應(yīng)與其對(duì)應(yīng)的凹模口形狀一致?？刂茖?duì)零件不同部位提供的進(jìn)料阻力，也就是毛坯在進(jìn)入凹模前遇到的阻力，即在需要材料多的部位相應(yīng)的進(jìn)料阻力小一些，而在需要材料少的部位相應(yīng)的進(jìn)料阻力大一些，從而平衡坯料在凹?？诓康牧鲃?dòng)速度差異，提高零件成形質(zhì)量。壓料筋的布置方向要與材料流動(dòng)方向垂直。

4.2 壓料筋的位置與結(jié)構(gòu)參數(shù)

總的來(lái)說(shuō)，壓料筋的位置對(duì)阻力大小影響不是十分顯著。壓料筋的位置合理取值范圍原則上為凹模入口圓角外切點(diǎn)到毛坯邊緣之間，但壓料筋的位置也不能布置在凹模的邊緣上。壓料筋的成形可看作是一次拉深成形，所以壓料筋與槽的單邊間隙可按單次拉深成形取值。考慮到壓料筋的應(yīng)用情況，壓料筋的圓角半徑不能過(guò)小。此外，筋高高于筋的圓角半徑太多就沒(méi)有多大意義了。槽的圓角半徑根據(jù)習(xí)慣設(shè)計(jì)選取。

有了上述經(jīng)驗(yàn)，其他細(xì)節(jié)問(wèn)題還需具體情況具體分析。壓料筋各參數(shù)選取時(shí)應(yīng)根據(jù)材料流動(dòng)性，考慮材料的流量，分清平緩區(qū)和轉(zhuǎn)角區(qū)，然后獲得的壓料筋阻力和各參數(shù)互動(dòng)，最終參考取值，確定壓料筋各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理組合。

5 結(jié)論

復(fù)雜沖壓件拉深成形時(shí)，為使板坯能夠順利成形，減少成形缺陷，在拉延模具中增設(shè)壓料筋。本文利用計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)（CAE）改進(jìn)設(shè)計(jì)壓料筋，以便確定壓料筋各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理組合，大大提高經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品質(zhì)量。