基于Dynaform 的汽車離合器蓋沖壓工藝設(shè)計

文/蔣件生·桂林福達股份有限公司

本文分析了凸緣類離合器蓋的沖壓工藝，并結(jié)合Dynaform 的數(shù)值模擬技術(shù)，對沖壓工藝中存在的毛坯尺寸、修邊線、沖壓成形、沖壓回彈等難點工藝問題進行了分析。通過對數(shù)值模擬的成形極限圖、材料FLD 曲線、產(chǎn)品的截面、優(yōu)化修邊設(shè)置過程及試模數(shù)據(jù)的統(tǒng)計對比。總結(jié)了一套運用CAE 技術(shù)輔助開發(fā)汽車離合器蓋沖壓工藝的范例。

汽車離合器作為汽車傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵傳動部件，其工作特點是通過以離合器蓋為支點，以膜片彈簧為杠桿組成的彈簧系統(tǒng)來切斷和連接整個汽車的動力傳輸。離合器的工作狀況直接影響到整車的使用體驗。本文所涉及的離合器蓋，材質(zhì)為熱軋?zhí)妓劁摪?8Al，厚度T=6.0mm。形面復(fù)雜，精度尺寸要求高，如圖1 所示。

圖1 汽車離合器蓋示意圖

該零件外觀要求較高，表面要求光滑平整，沒有皺折、拉傷拉毛等外觀缺陷。凸緣處要求平整，平面度要求小于0.3mm。各凸臺成形要到位，高度公差小于0.4mm。另外，各成形凸臺上還設(shè)計有各種用途的沖孔特征。

工藝規(guī)劃

汽車離合器作為汽車傳統(tǒng)的傳動部件，經(jīng)過多年生產(chǎn)總結(jié)，其零部件的沖壓工藝在行業(yè)內(nèi)已基本成熟。對于小型號凸緣類離合器蓋的生產(chǎn)，一般采用三道沖壓工序，即落料沖窗口、成形、沖孔系。但針對該零件的具體特性，我們對其沖壓工藝設(shè)計如下，OP10：落料、沖窗口→OP20：成形→OP30：切邊→OP40：精整→OP50：沖孔系。

與其他小型號產(chǎn)品相比，我們增設(shè)切邊和精整兩道工序。主要考慮該型號產(chǎn)品尺寸較大，材料較厚，邊線尺寸要求較高，難以準確計算落料邊線尺寸，使成形后邊線輪廓尺寸滿足產(chǎn)品的設(shè)計要求。另外，由于凸緣連接圓角R2，遠小于1.5T 的成形圓角的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。如果強制一序成形到位，很容易造成拉傷、拉毛等沖壓外觀缺陷。所以在工藝設(shè)計上，先采用大圓角成形，再改小圓角精整到產(chǎn)品設(shè)計要求。

工藝設(shè)計

根據(jù)工藝規(guī)劃內(nèi)容，在三維環(huán)境下對規(guī)劃內(nèi)容進行設(shè)計數(shù)據(jù)的建模，如圖2 所示，其中OP30 切邊和OP50 沖孔系屬于常規(guī)沖裁模，不參與工藝CAE 分析。本文著重介紹基于CAE 數(shù)值仿真環(huán)境下對OP20 成形模面設(shè)計、OP40 精整工序回彈分析和OP10 落料工序坯料尺寸計算進行設(shè)計分析。

成形分析

沖壓成形工序的仿真分析是所有工序分析中最重要的分析。其他工序的分析都是以成形工序的結(jié)果為基礎(chǔ)。離合器蓋屬于典型的厚板沖壓成形零件，和常規(guī)薄板沖壓零件相比，在材料、速度、網(wǎng)格及結(jié)果判定標準方面有其自身的CAE 技術(shù)要求。

⑴材料模型。由于厚板零件的成形，其彎曲半徑與板厚之比一般都比較小，彎曲部位的應(yīng)力狀態(tài)為三向應(yīng)力狀態(tài)，如圖3 所示。所以在選取材料模型時，需要考慮材料的厚向異性。在Dynaform 中的36#、37#、39#材料模型比較適合厚板類的沖壓成形分析。在材料截面單元方程和積分點的選取上，根據(jù)圖4 中各類工藝工況下厚度方向的應(yīng)力分布特點，如果只是單純的分析成形工序，可選用2#單元方程BT 殼單元，5 個積分點。但如果后續(xù)還需要分析回彈等工序，必須選用16#單元方程全積分單元，7 個積分點。因為2#單元方程計算速度快，是16#單元方程的5 倍。但16#單元方程能夠捕獲合理的應(yīng)力分布，計算結(jié)果精確，對于回彈分析尤其適合。

⑵速度。由于離合器蓋成形以翻邊工藝為主，在沖壓速度設(shè)計上，不宜設(shè)置過大，一般不大于2000mm/s。

圖2 工藝規(guī)劃

圖3 彎曲點應(yīng)力分布

圖4 沖壓成形厚度方向的應(yīng)力分類

⑶網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分主要是處理曲面上最少網(wǎng)格的劃分，最小網(wǎng)格的劃分原則如圖5所示，在精確計算的分析模型中，檢查工具網(wǎng)時一個圓弧面上至少劃分有4 個網(wǎng)格。

⑷判定標準。成形失效的判定準則是沖壓工藝能否通過成形性評估的評判標準。對于成形開裂失效的判定，主要從成形極限圖、FLD 曲線和減薄率這三方面判斷。如果成形極限圖開裂和FLD 超過材料的抗拉強度，那么零件的成形開裂缺陷一定存在。如果前兩者安全，但厚料成形減薄率大于30%，也有可能開裂。

對于厚板成形皺折的判定，主要在到底和到底前一幀觀察零件表面有無皺折或波浪的情況存在。如果明顯存在上述情況，那么零件的成形起皺缺陷一定存在。如果皺折或波浪的情況不明顯，再看零件截面厚度的變化。若其截面厚度變化大于5%，零件也有可能發(fā)生皺折。

圖5 曲面網(wǎng)格質(zhì)量

圖6 離合器蓋沖壓成形模型

厚度為6mm 的離合器蓋屬于典型的厚板沖壓成形件，厚板成形一般不采用壓邊圈來壓料和脫料，而采用背壓墊來實現(xiàn)成形板料的鎖緊和成形后的脫料功能。由于效率和精度問題，在實際生產(chǎn)中厚板沖壓成形很少采用CAE 數(shù)值仿真進行工藝評估。但隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，CAE 對沖壓成形工藝中開裂、皺折、回彈變形等常規(guī)沖壓缺陷的評估，以及對于成形噸位的計算，均能給出比較準確的評估。表1 統(tǒng)計了同類零件的數(shù)值模擬和實際開模結(jié)果的反面對比。

按上述分析，對本案例確認好的工藝類型，將工藝的三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入Dynaform 分析軟件，建立分析模型，如圖6 所示，其他過程設(shè)置可以按系統(tǒng)默認值。

建立模型后按工藝設(shè)計要求輸入工藝參數(shù)，提交運算后得到該零件的成形極限圖，并結(jié)合材料的FLD曲線圖，以及材料的減薄率等特征，我們可以判斷該零件的加強凸臺處存在很大的開裂風(fēng)險，需要對成形模面進行優(yōu)化。對比優(yōu)化前后的成形模面與數(shù)值仿真見表2。優(yōu)化模面后的數(shù)值模擬結(jié)果中，成形極限圖未有破裂，F(xiàn)LD 曲線上只有局部邊界點超越了材料的抗拉極限曲線，不影響零件的整體成形性能，可按優(yōu)化后的模面作為成形模具。

表1 數(shù)值模擬開裂、折皺與試模結(jié)果對比

表2 成形模面優(yōu)化前與優(yōu)化后的數(shù)值模擬對比

回彈分析

金屬板材經(jīng)模具施力后產(chǎn)生塑性變形，后模具分離壓力卸載，金屬材料塑性變形后內(nèi)部積累的殘余應(yīng)力得以釋放，使板材產(chǎn)生局部變形，這是金屬板材沖壓回彈的關(guān)鍵因素。回彈后零件厚度方向的應(yīng)力分布狀態(tài)較為復(fù)雜，其分布狀態(tài)如圖4所示。應(yīng)力無法抵消，回彈也無法消除，但可以預(yù)測改善。在預(yù)測回彈趨勢的基礎(chǔ)上進行反向補償，Dynaform 有限元分析軟件可較好地預(yù)測沖壓回彈問題。

為準確描述這類計算模型的應(yīng)力分布，在Dynaform軟件分析中必須選用16#單元方程全積分單元，積分點必須采用7 個積分點進行全工序模擬計算。另外，由于離合器蓋成形的回彈，主要以凸緣部分的慣性釋放為主。所以在彈性約束的選取上，需選擇慣性釋放。結(jié)果分析見表3，表中通過零件的截面線變化來判定回彈狀態(tài)的特性。

經(jīng)對比分析，盡管在具體數(shù)值上，數(shù)值模擬結(jié)果與實際檢測存在一定差異，但回彈趨勢與補償方向還是能給予比較好的指導(dǎo)作用。我們可以根據(jù)計算結(jié)果結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗，在實際調(diào)試過程中適當調(diào)整補償量，同等情況下，經(jīng)數(shù)值計算可以節(jié)約調(diào)試時間。

表3 模面回彈補償前與補償后對比試模結(jié)果

表4 數(shù)值模擬修邊線與試模效果對比

坯料計算

由于該零件成形型面比較復(fù)雜，成形過程也不是單純的一種變形形式。對其成形前落料坯料的計算，既不能按單純的拉深計算，也不能按單純的折彎計算。而是一個拉深、脹形、局部擠壓和彎曲的綜合體。材料的流動形式也復(fù)雜難測，傳統(tǒng)的手工計算誤差結(jié)果與實際開模尺寸相差很大，需要經(jīng)多次試模，反復(fù)修改。但在CAE 數(shù)值仿真環(huán)境下，通過迭代計算，對這個傳統(tǒng)難題給出了比較好的解決方案。

首先，需要在三維環(huán)境下將產(chǎn)品成形零件所需要達到的理想邊界線進行三維數(shù)據(jù)的建模。并將三維模型導(dǎo)入Dynaform 分析軟件，導(dǎo)入狀態(tài)如圖7 中“目標線”所示。

圖7 坯料計算模型

在已經(jīng)完成優(yōu)化后的成形分析模型上，再次按成形工序的分析要求建立數(shù)值分析模型。完成設(shè)置后提交“坯料&修邊線優(yōu)化”計算任務(wù)，并按提示必須依次對應(yīng)地選取坯料線、修邊線和目標線的對應(yīng)關(guān)系。完成選取后，再設(shè)定計算參數(shù)。一般迭代次數(shù)設(shè)置為5 次，精度誤差按工藝公差確定。工藝設(shè)置完成后提交計算，便能得到比較接近理想坯料的原始坯料線。

按工程使用經(jīng)驗，用首次計算的坯料線為計算基礎(chǔ)，經(jīng)三維軟件簡化后再次提交仿真軟件計算，逐步提高計算的誤差精度，更容易計算出逼近開模尺寸的坯料線。因為如果首次計算的精度誤差設(shè)置的太小，可能導(dǎo)致運算無法收斂而報錯。所以首次計算的精度誤差不能設(shè)置太小，一般按一倍料厚設(shè)定，再逐步提高計算的精度誤差。這種計算方法已在同類零件中得到驗證，效果較好。表4 為該同類零件兩次迭代計算效果對比首次試模結(jié)果。

結(jié)束語

通過Dynaform 數(shù)值模擬技術(shù)有助于提高沖壓工藝設(shè)計的準確率，降低模具的調(diào)試成本。在模型設(shè)計中，采用36#材料模型可以比較準確地預(yù)測厚板成形的開裂、皺折等沖壓工藝缺陷。對于厚板的回彈分析，可以預(yù)測回彈趨勢，但對于數(shù)值的精確計算還需要繼續(xù)探索提升。對于修邊的優(yōu)化分析，坯料外輪廓為板料線，內(nèi)輪廓為修邊線，結(jié)合三維軟件的修整技術(shù)，分別經(jīng)兩次建模，兩次迭代計算，修邊線的數(shù)值計算精度可以精確到0.5T。