變速桿加強(qiáng)板冷沖壓成形工藝的設(shè)計(jì)與分析

李海鵬，徐 揚(yáng)，連鵬豪，王立輝

（1.河北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130；2.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161）

變速桿加強(qiáng)板冷沖壓成形工藝的設(shè)計(jì)與分析

李海鵬1，徐 揚(yáng)1，連鵬豪1，王立輝2

（1.河北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130；2.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161）

以變速桿加強(qiáng)板為研究對象，利用CAD/CAE技術(shù)及相關(guān)軟件，對其冷沖壓成形工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析．在利用CAD軟件建立變速桿加強(qiáng)板三維模型的基礎(chǔ)上，通過工藝性分析，確定了該產(chǎn)品的冷沖壓工序；借助CAE軟件，重點(diǎn)對拉延工藝及相關(guān)工藝參數(shù)（壓邊力、拉延間隙、摩擦系數(shù)等）進(jìn)行了研究，確定了該產(chǎn)品較佳的拉延工藝方案．

變速桿加強(qiáng)板；冷沖壓；成形工藝；模擬分析；工藝參數(shù)

0 引言

模具工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè)之一，而汽車模具在模具行業(yè)占據(jù)較大比重[1]．隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車的需求量逐年增加，因而對汽車零部件質(zhì)量、生產(chǎn)周期和成本等的要求也大幅度提高．但傳統(tǒng)汽車零部件模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)水平低、周期長、成本高等問題，制約了汽車模具行業(yè)的發(fā)展，難以滿足汽車行業(yè)飛速發(fā)展的需要[2-3]．為了滿足現(xiàn)代汽車模具設(shè)計(jì)與制造的要求，縮短模具設(shè)計(jì)與制造周期、降低成本、提高精度，將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助工程/計(jì)算機(jī)輔助制造（CAD/CAE/CAM）技術(shù)引入模具行業(yè)顯得尤為重要．CAD/CAE/CAM技術(shù)在模具設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用，是改造傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)與制造方法不足的有力手段，可為現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)與制造提供強(qiáng)大的技術(shù)支持[4-5]．本文以變速桿加強(qiáng)板為研究對象，利用模具設(shè)計(jì)的基本理論和CAD/CAE軟件，對該產(chǎn)品的冷沖壓成形工藝進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，重點(diǎn)探討了拉延工序并且確定了該產(chǎn)品較佳的成形工藝參數(shù)．

1 零件三維數(shù)模的建立

本文研究的變速桿加強(qiáng)板計(jì)劃選用的材料為1.5mm冷軋沖壓用鋼板DC03，化學(xué)成分為：w(C)≤0.10、w(Mn)≤0.45、w(P)≤0.035、w(S)≤0.035；基本性能參數(shù)為：密度7.85g/cm3、泊松比0.28、抗拉強(qiáng)度270～370MPa、屈服強(qiáng)度140～240MPa、延伸率≥32%．根據(jù)變速桿加強(qiáng)板圖紙要求，利用CAD軟件繪制了該零件的三維數(shù)模，如圖1所示．

圖1 變速桿加強(qiáng)板產(chǎn)品圖Fig.1 Digitalmodelof the shift lever reinforcing plate

2 工藝性分析及沖壓工序的確定

由圖1可見，該變速桿加強(qiáng)板屬于淺拉延件．雖然對零件表面質(zhì)量要求不高，但由于零件較為平坦（如圖1中B所示位置），在拉延成形時毛坯與凸模之間接觸面積大，在接觸面上產(chǎn)生的拉應(yīng)力較小，容易導(dǎo)致材料變形不充分、零件剛度不能得到顯著提高．其它可能出現(xiàn)的成形問題還包括：在圖1中A所示位置材料發(fā)生聚集，容易出現(xiàn)起皺現(xiàn)象；在圖1中C所示位置，如果材料流入不暢可能產(chǎn)生拉裂缺陷[6]．此外，在圖1中D所示位置有多個安裝孔，為了確保安裝孔形狀規(guī)則、尺寸穩(wěn)定從而保證安裝順利，應(yīng)該先拉延再沖孔．在工藝分析的基礎(chǔ)上，初步確定該產(chǎn)品的沖壓工序?yàn)椋郝淞稀印捱厸_孔→翻邊整形→沖孔，如圖2所示．

圖2 沖壓工序圖Fig.2 Stamping procedures

3 拉延工藝及相關(guān)參數(shù)的確定

3.1 確定是否使用壓邊圈

為確定拉延過程中是否需要使用壓邊圈，運(yùn)用控制變量法（即控制其它工藝參數(shù)一致，只改變壓邊圈這一變量），在拉延速度V=5 000mm/s、拉延間隙Z=1.65mm情況下，設(shè)計(jì)了有、無壓邊圈2組方案進(jìn)行對比分析：方案1，無壓邊圈；方案2，有壓邊圈，壓邊力F=500 kN．兩組方案模擬結(jié)果的成形極限圖（FLD圖）如圖3所示．

由圖3所示的模擬結(jié)果可知，在采用或不采用壓邊圈情況下，該產(chǎn)品的FLD圖有較大區(qū)別：1）如圖3a）所示，在不采用壓邊圈情況下，坯料在被壓入凹模過程中，在板料邊緣與凸、凹模相接觸的部位（A位置）受到較大的切向應(yīng)力，導(dǎo)致A位置的材料失穩(wěn)而出現(xiàn)了翹曲和起皺現(xiàn)象；比較而言，采用壓邊圈后，A區(qū)域的起皺現(xiàn)象得到緩解，如圖3b）所示．2）在不采用壓邊圈情況下，圖3a）中B、C位置出現(xiàn)較大未變形區(qū)域；采用壓邊圈后，增大了板料的流變阻力，使得B區(qū)域的板料能夠充分變形，但C位置仍存在較大未變形區(qū)域，需進(jìn)一步優(yōu)化拉延工藝參數(shù)才能得以消除[7]．由以上初步分析可知，采用壓邊圈對于避免該產(chǎn)品邊緣的起皺現(xiàn)象和消除未變形區(qū)有一定作用，在拉延過程中應(yīng)設(shè)置壓邊圈．

圖3 有、無壓邊圈情況下的FLD圖Fig.3 FLD diagramsw ith orw ithoutblank holder

3.2 坯料尺寸的選擇

通過毛坯尺寸估算分析，初步確定了變速桿加強(qiáng)板的毛坯形狀為近似矩形．為進(jìn)一步確定毛坯尺寸，在固定拉延速度V=5 000mm/s、壓邊力F=500 kN、拉延間隙Z=1.65mm條件下，設(shè)計(jì)了3組毛坯尺寸方案（480mm×350mm、500mm×350mm、520mm×350mm）并進(jìn)行成形效果的仿真模擬，結(jié)果如圖4所示．

由圖4中3組坯料尺寸的FLD圖可知，隨毛坯尺寸增大，A、B、C所示位置的起皺程度有所減小．這是因?yàn)殡S著毛坯尺寸增加，壓邊面積和效果逐漸增大；D所指示的未變形區(qū)域沒有明顯變化，可能需要通過設(shè)置拉延筋的方式加以改進(jìn)．綜合考慮材料的利用率和成形效果，選擇500mm×350mm的坯料尺寸為宜．

圖4 3組坯料尺寸的FLD圖Fig.4 FLD diagramsof three kindsofworkblankswith differentgeometricalsizes

3.3 拉延筋的設(shè)計(jì)

圖5所示為分析所得該產(chǎn)品成形過程中的材料流動情況，可以發(fā)現(xiàn)，沿坯料外輪廓各部分的流動量并不均勻．設(shè)置拉延筋并優(yōu)選拉延筋位置、數(shù)量可有效調(diào)整各部分材料的流動阻力、控制其流入型腔速度，從而使材料流變均勻并得到良好的產(chǎn)品．拉延筋應(yīng)設(shè)在材料流入量大、流動速度快的位置以增加該區(qū)域的流動阻力，通常將拉延筋設(shè)置在距離型腔25～30mm的位置處[8]．經(jīng)過前期仿真模擬，最終選擇將拉延筋設(shè)置在距離型腔30mm處．為確定拉延筋的數(shù)量，設(shè)計(jì)了雙拉延筋、四拉延筋、六拉延筋3組方案，在V=5000mm/s、F=500 kN、Z=1.65mm條件下進(jìn)行成形效果模擬，結(jié)果如圖6所示．

圖5 材料流動情況Fig.5 Situation ofmaterial flow

圖6 不同拉延筋方案的FLD圖Fig.6 FLD diagramsof differentdrawbead schemes

由圖6不同拉延筋方案的FLD圖可見，隨拉延筋數(shù)量增加，各圖中的起皺趨勢逐漸減緩；在四拉延筋情況下，圖6d）中的未變形區(qū)明顯減小；在設(shè)置六拉延筋時，圖6f）中出現(xiàn)開裂，這是由于拉延筋導(dǎo)致材料流動受阻過大．綜上所述，采用四拉延筋方案可實(shí)現(xiàn)較佳的成形效果．

3.4 其它工藝參數(shù)的研究

影響拉延成形效果的因素眾多，除上述分析的壓邊圈、毛坯尺寸和拉延筋外，拉延間隙、潤滑條件和壓邊力都可能對拉延成形效果產(chǎn)生影響．

3.4.1 拉延間隙的影響

在V=5 000mm/s、F=500 kN情況下，設(shè)計(jì)了1.525mm、1.650mm和1.725mm 3組拉延間隙模擬方案，所獲得的FLD圖如圖7所示．由圖7可見，隨拉延間隙變化，該產(chǎn)品的成形效果變化不明顯，這是因?yàn)樵摦a(chǎn)品屬于淺拉延件，即變形程度較小，使得拉延間隙的影響并不顯著．實(shí)際生產(chǎn)中凸、凹模間隙通常選取板料厚度的110%[9]，所以選定拉延間隙為1.65mm．

圖7 不同拉延間隙的FLD圖Fig.7 FLD diagramsof differentdrawing gaps

3.4.2 潤滑條件的影響

拉延過程中凹模與壓邊圈工作表面之間良好的潤滑對于減小摩擦阻力、減少傳力區(qū)危險(xiǎn)斷面的負(fù)擔(dān)具有重要作用．因此，設(shè)計(jì)了帶有油性添加劑的礦物油、精致礦物油潤滑和無潤滑3種方案，對應(yīng)的摩擦系數(shù)分別為0.05、0.125和0.175[10]．在V=5 000mm/s、F=500 kN、Z=1.65mm條件下模擬得到的FLD圖如圖8所示．由圖8可見，采用較大的摩擦系數(shù)可增加材料的流動阻力，使得材料內(nèi)部所受拉應(yīng)力增大，未變形區(qū)域減小；但同時，材料拉裂的風(fēng)險(xiǎn)增加．此外，摩擦系數(shù)的最終影響效果，還與壓邊力的大小有密切關(guān)系，最終摩擦系數(shù)的選取需要與壓邊力的選取協(xié)同考慮．

圖8 3組潤滑條件的FLD圖Fig.8 FLD diagramsof three kindsof lubrication conditions

3.4.3 壓邊力的影響

壓邊力大小對材料的起皺和拉裂缺陷均有較大影響，因此，在理論計(jì)算基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了300 kN、500 kN 和800 kN 3組壓邊力方案，在V=5 000mm/s、=0.125、Z=1.65mm條件下，模擬得到的FLD圖如圖9所示．由圖9可見，隨壓邊力增大，壓邊效果明顯，A所示區(qū)域的起皺傾向逐漸減小；同時，增大了材料的流動阻力，使得B所示區(qū)域的未變形區(qū)減小；但如果壓邊力過大，如圖9a）所示，當(dāng)危險(xiǎn)斷面的拉應(yīng)力超過了材料所能承受的臨界拉應(yīng)力時，在A和C所示區(qū)域均出現(xiàn)了拉裂現(xiàn)象[11]．所以，壓邊力的大小對該產(chǎn)品的成形效果有一定影響，其取值將通過與摩擦系數(shù)的正交實(shí)驗(yàn)分析確定．

圖9 不同壓邊力的FLD圖Fig.9 FLD diagramsof differentblank holder forces

3.5 摩擦系數(shù)與壓邊力的正交實(shí)驗(yàn)分析

考慮到摩擦系數(shù)與壓邊力均對該產(chǎn)品的成形效果有顯著影響，且二者的取值對壓邊效果和拉裂缺陷有交互的影響，設(shè)計(jì)了表1所示的正交實(shí)驗(yàn)因素水平表和表2所示的正交實(shí)驗(yàn)表[12-13]．依據(jù)正交實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果，對該產(chǎn)品的成形效果進(jìn)行了評估與分析，如表3所示．

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Tab.1 Levelsoforthogonalexperimental factors

表2 正交實(shí)驗(yàn)表Tab.2 Orthogonalexperimentgroups

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果評估Tab.3 Orthogonalexperimentsimulation results

由表3對正交實(shí)驗(yàn)所得9組模擬結(jié)果的評估分析可知：1）就潤滑條件和壓邊力對成形效果的影響而言，潤滑條件的影響較大，壓邊力的影響較小；2）1、4、5、7、8五組方案的模擬結(jié)果均出現(xiàn)拉裂缺陷，方案不合理；3）2、3、6、9四組未出現(xiàn)拉裂缺陷，但3、6兩組方案零件的未變形區(qū)較大；比較2、9兩組方案的成形極限圖和厚度（Thickness）云圖，從拉裂傾向、起皺區(qū)域和減薄率等角度考慮，最終確定第2組方案的成形效果更佳，其成形極限圖如圖10所示．

4 結(jié)論

1）本文以變速桿加強(qiáng)板為研究對象，運(yùn)用CAD/CAE技術(shù)及相關(guān)軟件，完成了該產(chǎn)品冷沖壓成形工藝的設(shè)計(jì)與分析．在工藝分析的基礎(chǔ)上，確定了該產(chǎn)品的冷沖壓成形工序?yàn)槁淞稀印捱厸_孔→翻邊整形→沖孔；借助CAE軟件的模擬分析，確定了該產(chǎn)品較佳的拉延工藝方案為：毛坯尺寸500mm×350mm；采用壓邊圈，壓邊力為500 kN；采用四拉延筋；拉延間隙為1.65mm；采用精致礦物油進(jìn)行潤滑．

圖10 方案2的FLD圖Fig.10 FLD diagram of Scheme2

2）針對汽車零部件的成形特點(diǎn)，基于沖壓成形理論進(jìn)行工藝方案設(shè)計(jì)并借助CAE技術(shù)進(jìn)行模擬仿真，能夠直觀評估工藝方案的合理性，預(yù)測可能出現(xiàn)的沖壓缺陷，并且可縮短模具設(shè)計(jì)和調(diào)試周期，降低設(shè)計(jì)和試制成本．

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[責(zé)任編輯 田 豐 夏紅梅]

Design and analysisof cold stamping processof the shift lever reinforcing plate

LIHaipeng1，XU Yang1，LIAN Penghao1，WANG Lihui2

(1.SchoolofMaterialsScienceand Engineering,HebeiUniversityof Technology,Tianjin300130,China;2.AutomobileEngineering Department,Academy ofM ilitary Transportation,Tianjin 300161,China)

The cold stamping form ing processes for the shift lever reinforcing platewere designed and analyzed using the CAD/CAE technology and related software.Based on theestablishmentof the3Dmodelof theshift lever reinforcing plate using CAD software,thestamping processesof theproductweredeterm ined through the technicalanalysis.With thehelp ofCAEsoftware,thedraw ing processand related technologicalparameters(eg.blank holder force,draw inggap,friction coefficient,etc.)were investigated in particular.And the optim ized draw ing processof the productwasobtained.

shift lever reinforcing plate;cold stamping;form ing process;simulation analysis;technologicalparameter

TG386.1

A

1007-2373(2016)04-0053-10

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.04.009

2016-02-28

河北省科技支撐計(jì)劃（13211027）；省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201610080067）

李海鵬（1977-），男（漢族），教授，博士．