基于快速仿真方法的多工位級進模條料設計

章志兵 柳玉起 杜 亭 許恒建

華中科技大學材料成形模擬及模具技術國家重點實驗室,武漢,430074

0 引言

汽車車身零件大部分是沖壓件,且形狀都比較復雜,為了提高零件的加工效率和加工質量,很多零件采用級進模成形方式加工[1]。級進模工藝設計很復雜,往往需由經驗十分豐富的技術人員完成。目前可以采用的技術手段主要是經驗和簡單的理論公式以及試模技術,這導致生產周期較長、產品制造成本高。

采用數值方法對沖壓件成形過程進行仿真是提高設計質量和效率的有效途徑,在板料成形方面主要有有限元增量法和逆算法兩種數值模擬方法。在條料設計階段,模具、工件中間構形和邊界條件都是未知的,無法采用傳統的有限元增量方法進行模擬。

文獻[2-8]的研究主要集中在如何將沖壓件展開成平面坯料上,如何快速預測連續成形過程的研究成果很少。復雜成形件或級進模成形件的中間成形過程對零件的初始坯料有較大的影響,采用傳統逆算法進行整體展開難以考慮中間局部成形對中間構形的影響。例如,級進模零件上的不同成形區域需要采用不同的成形方式,整體展開時難以在局部區域分別采用不同的工藝條件。

基于此,本文根據級進模條料工藝設計流程,在有限元逆算法的基礎上,提出級進模零件的多步展開算法。初步實現了級進模條料連續逆向展開,并以實際零件為例詳細說明了該方法的計算流程。

1 級進模三維條料設計和基于工藝特征的多步展開

圖1為典型的級進模成形件條料設計圖。在設計零件成形工序時,僅僅知道最終工件的形狀和尺寸,中間構形的形狀是未知的,需要根據工件的工藝要求和形狀特征設計出中間構形形狀,如圖1a中的第7步中間構形、圖1b中的第4步中間構形。在設計翻邊工序時,需要在中間參考面上先切料再翻邊,翻邊時板料可能產生較大的變形,這就需要預先精確確定切口線的三維尺寸。在局部變形較大的區域,如拉深、翻邊或脹形區域,需要考慮板料的成形工藝條件和材料的成形性能等因素,預先估計局部區域的成形特征,檢查工藝條件是否合理、成形性是否符合要求,避免成形時產生缺陷。因此,級進模工藝設計是一個比較困難和復雜的工作,只有經驗豐富的工程師才能勝任。

針對級進模工藝設計的難點,在逆算法的基礎上,提出多步展開的算法。如圖1b所示,根據零件沖壓工藝特征,多次逆向計算確定工件中間構形和切口線尺寸,從而既得到較高精度的初始坯料尺寸,又考慮到局部區域板料的可成形性。

2 多步展開中的關鍵技術要點

2.1 中間展開參考面

在展開計算模型中,需要根據局部成形區域的特征面自動確定一個中間展開參考面。對于大多數級進模零件來說,中間展開參考面可以根據最終構形的局部特征自動構造出來,例如,根據局部變形區域的邊界沿切線方向構造中間形狀參考面。如果零件的工藝比較復雜,也可以根據設計的要求,創建一個中間形狀的參考曲面。級進模每個工步是相互關聯的,只要在成形中有一個成形步有成形缺陷,都有可能需要對已經設計的工序作調整,而不僅僅是對當前有缺陷的成形步作調整,多次優化中間參考構形或成形工藝條件。

2.2 工藝條件的處理

根據零件在不同區域的成形特點,在局部區域建立有限元逆算法模型。有限元計算模型中,邊界條件的處理隨著不同的工藝條件而不同。脹形成形時的法蘭約束力或壓邊力非常大,材料在法蘭下幾乎不流動,而拉深成形時的法蘭約束力或壓邊力適當,材料在法蘭下可以流動。因此中間形狀展開時,如果展開區域屬于脹形成形,可以直接在展開區域施加固定位移約束或施加很大的壓邊力。如果是拉深成形則按實際工藝施加適當的壓邊力。

板料在較大的壓邊力作用下,搭橋區域變形較小,近似認為板料在搭橋處的節點位移為零。計算時,在搭橋處的節點上施加固定約束。

彎曲和翻邊區域需要根據實際工藝要求,設置不同壓邊力和潤滑條件來控制彎曲和翻邊區域周圍板料的流動。由于不容易在模具的不同區域施加不同的潤滑條件,故一般采用控制壓邊力大小的方法來調整板料的流動。如果希望在彎曲和翻邊區域周圍的材料的流動量較小,則施加較大的壓邊力。反之,則施加較小的壓邊力。

2.3 分步展開過程

對于不同的沖壓工序,材料的流動過程是不同的,最終零件的成形性也會有很大的差異。因此,多步展開的順序需要與實際制定的沖壓工序相符合,不同的工藝流程對應不同的展開順序。如果根據零件的形狀特征和工藝要求,預先確定了沖壓工序,那么可以采用分步展開算法從最終零件開始,按照實際的沖壓工序逆向獲得工件的中間工序構形形狀,并評估每一步中間構形的成形性,避免成形缺陷,優化沖壓工序。如果不能準確地制定全部的工序,需要采用多步展開算法從零件形狀開始,逆向逐步優化每一次展開的中間參考面和工藝條件,調整沖壓工藝順序,最終得到優化的條料圖。

2.4 成形性分析

多步展開算法不僅可以求得中間展開構形,也可以獲得成形后各種物理量的分布情況和毛坯中間孔的變形情況,進而預測零件可能存在的各種成形缺陷(如起皺、破裂、成形不足等),以輔助零件的工藝設計。

3 級進模條料設計實例

以圖2a所示級進模成形件為例,說明條料的三維設計過程。零件材料為SPCC,初始板厚為0.75mm。

3.1 成形特征的分析

級進模零件的成形方式主要包括脹形、彎曲、翻邊、修邊、整形等,采用多工位級進模成形方式加工,應用多步展開算法可以計算條料的關鍵中間構形。例如,搭橋區域(如圖2a中的 H 區域),在展開計算時對應區域需要施加固定約束。對實體建模的鈑金件,抽取板料的中面,在中面上進行有限元分析。

3.2 中間成形步的分步展開

按照成形特征,當前級進模成形件的條料可以分為6個主要的成形工步,具體展開步驟如下:

(1)如圖3所示,先展開圖2b第16步中的局部彎曲區域(圖2a中的D區域),得到第15步中間構形。在D區域,板料先經過切口,然后彎曲,變形方式屬于局部彎曲成形。展開計算時,將彎曲板料展開到彎曲前參考面(當前構形中為平面)上。

(2)如圖4所示,展開圖2b第14步中的局部翻邊區域(圖2中的C區域和G區域),得到第13步中間構形。

圖5所示為翻邊展開的逆算法模型。計算模型中,通常在翻邊區域的相鄰區域施加較大的壓邊力,防止相鄰區域板料的滑動,因此在逆算法模型中,在與參考構形的相鄰節點上施加固定約束。計算模型中,展開算法自動根據零件特征曲面擴展生成參考曲面。例如,根據零件上特征曲面的邊界曲線沿切線方向延展生成參考曲面。對于復雜的參考構形,則需要預先設計好中間參考構形。

多步展開算法不僅可以展開中間構形和修邊線,也可以模擬零件成形后各種物理量的分布情況,預測零件可能存在的各種成形缺陷,輔助零件的工藝設計。圖6為翻邊區域的厚向應變分布圖。厚向應變模擬結果表明,板厚最大減薄量為翻邊前厚度的10.7%,板料成形性較好,沒有破裂的危險。板厚最大增厚量為翻邊前厚度的9.5%,位于壓縮翻邊區域,由于增厚量偏大,成形過程中有起皺的危險。

(3)如圖7所示,展開圖2b第12步中的局部展開彎曲區域(圖2a中的F區域),得到第11步中間構形。展開過程與步驟(1)相同。

(4)如圖8所示,展開圖2第10步中的局部展開彎曲區域(圖2a中的B區域),得到第9步中間構形。展開過程與步驟(3)相同。

(5)展開步驟(3)中的局部翻邊區域(圖2a中的E區域),得到第2步中間構形。此工步是在切口前進行的,因此它屬于局部脹形成形模式。局部脹形時,板料在壓邊力和摩擦的作用下,僅在局部區域產生變形。在建立計算模型時,在成形區域周圍施加壓邊力,同時在稍遠一點的外圍區域節點上施加固定約束。模擬結果如圖9所示,板料最大厚向應變超過—30%,板料過度減薄,存在破裂的危險,這時可能需要減小壓邊力或分兩次成形這兩個脹形區域。

(6)展開步驟(1)中的局部翻邊區域(圖2a中的A區域),得到初始平板坯料。處理過程與步驟(5)處理過程相同。這個工步也是在切口前進行的,變形模式屬于局部脹形成形模式。模擬結果如圖10所示,板料最大厚向應變約為—20%,說明板料脹形后的成形性較好。

從初始零件形狀開始,根據前面的6個工步展開結果,可以完成圖 2b條料中工步 15、13、11、9、2、1的關鍵構形形狀設計,其余工步為切邊或整形工步,這些工步與中間構形形狀設計無關。

展開模擬過程中沒有考慮整形和切邊回彈對中間構形的影響。由于采用板殼單元模型不能準確模擬整形和切邊回彈過程的三維變形模式,展開計算過程存在一定誤差。

如圖11所示,采用多步展開算法計算得到的毛坯輪廓線與實際采用的輪廓線基本吻合。誤差最大值為0.95mm,主要集中在 A1、A2、B1和B2處。實際生產中對坯料輪廓進行了簡化處理,將曲線近似處理為直線,導致這4處的坯料尺寸小于模擬計算的尺寸,這樣必然導致成形后的零件在這4個區域的形狀尺寸與設計尺寸有誤差,比設計尺寸小。如果考慮這個因素,算法展開得到的坯料形狀與實驗數據基本一致。

4 結束語

針對復雜級進模零件的中間構形展開,尤其是包含自由曲面的中間構形展開問題,采用多步展開方法,根據級進模零件的沖壓工藝特征,按照沖壓工藝順序,在局部區域建立有限元逆算法模型,依次在局部區域逆向展開,得到中間關鍵構形。可以提高有限元逆算法的模擬精度,使其與多工位級進模成形工藝更加一致。

結合多工位級進模條料設計的特點,基于有限元逆算法,開發了一種基于工藝特征的多工位級進模條料多步展開算法。該算法不僅計算速度快,而且可以綜合考慮搭橋、壓邊力、摩擦等實際工藝條件,可以比較精確地預測中間工步的成形性和中間構形。

[1]陳炎嗣.多工位級進模的使用條件與合理應用[J].機械工人(冷加工),2007(11):50-51.

[2]Lan Jian,Dong Xianghuai,Li Zhigang.Inverse Finite Element Approach and Its Application in Sheet Metal Forming[J].Journal of Materials Processing Technology,2005,170(3):624-631.

[3]Guo Yinqiao,Batoz J L,Naceur H,et al.Recent Development on the Analysis and Optimum Design of Sheet Metal Forming Parts Using a Simplified Inverse Approach[J].Computers and Structures,2000,78(1/3):133-148.

[4]Lee C H,Huh H.Three Dimensional Multi—step Inverse Analysis for the Optimum Blank Design in Sheet Metal Forming Processes[J].Journal of Materials Processing Technology,1998,80/81:76-82.

[5]Naceur H,Guo Yinqiao,Batoz J L,et al.Optimization of Drawbead Restraining Forces and Drawbead Design in Sheet Metal Forming Process[J].International Journal of Mechanical Sciences,2001,43(10):2407-2434.

[6]Guo Yinqiao,Gati W,Naceur H,et al.Springback E-valuation after Forming Simulation Using the Inverse Approach and Incremental Approach[C]//Simulation of Materials Processing:Theory,Methods and Applications.Swets&Zeitlinger,2001:717-722.

[7]Liu Yuqi,Li Zhigang,Yan Yakun.Fast Accurate Prediction of Blank Shape in Sheet Metal Stamping Forming[J].Acta Mechanica Solida Sinica,2004,17(1):36-42.

[8]杜亭,柳玉起,章志兵,等.板料成形坯料形狀與應變分布的快速精確預測[J].中國機械工程,2005,16(20):1867-1870.