基于AutoForm的階梯盒形件沖壓工藝模擬及優化＊

高文嬙，潘遠安

（長春汽車工業高等?？茖W校，吉林長春 130013）

1 引言

沖壓加工作為材料成形的重要手段在汽車等制造業中占有至關重要的地位[1]。利用模具實現材料的沖壓加工，使其成為具有一定尺寸、形狀和性能制件的加工方法，不僅能夠保證制件的質量，也能提高生產效率、節約成本[2～3]。盒形件在生產中較為常見，一般用于連接或固定其它零件，由于其結構特點一般采用沖壓工藝進行加工，且沖壓質量直接決定最終裝配質量，因此，把控盒形件的沖壓質量對實際生產有重要意義[4]。實際生產前，通?？梢岳糜邢拊抡孳浖_壓過程進行模擬分析，評定工藝設計的合理性并預判潛在的質量問題，為優化工藝設計提供可靠的支撐和依據[5～6]。本文以階梯盒形連接件為研究對象，制定加工工藝方案和參數，采用AutoForm軟件模擬了拉伸成形過程，根據模擬結果進行工藝參數優化。

2 制件工藝性分析

圖1所示連接件材料為08AL，料厚為1mm，生產批量為中批量。首先對制件進行工藝性分析，08AL為優質的碳素結構鋼，塑性好，適合沖壓成形。尺寸及形狀精度要求未特殊說明，按照IT14進行設計，符合沖壓工藝要求，且制件簡單對稱，圓筒內外側最小圓角半徑為R2mm大于板料厚度，符合拉伸工藝要求。

圖1 制件圖

3 制件工藝設計

根據制件特征，成形需要完成拉伸、沖孔、切邊3道工序，根據制件批量需求確定沖壓工藝：OP10拉伸，OP20切邊沖孔。

4 仿真模擬

該制件生產的核心工藝是拉伸，因此采用AutoForm軟件對OP10拉伸工藝進行仿真模擬，確保制件成形性，并對重點的工藝參數壓料力、板料尺寸、摩擦系數進行對比分析，確定工藝參數優化方向。

4.1 制定工藝補充面

由于拉伸工藝特點，拉伸后制件邊緣不規整，要為后續的切邊留有足夠的余量，且在拉伸過程中需要先把沖孔部分進行填充，因此需要設計工藝補充面，以進行后續仿真模擬，如圖2所示。

圖2 工藝補充面

4.2 確定沖壓方向

為了保證拉伸質量，拉伸采用凸模在下凹模在上的倒裝模具結構。由于制件小端存在向內的沖壓負角，因此需要將制件傾斜一定的角度再進行沖壓加工，經過分析，確定調整的傾角為7°，沖壓方向沿Z軸向下,如圖3所示。

圖3 沖壓方向

4.3 確定模擬參數

將制件及工藝補充面導入AutoForm軟件，設定模具類型為倒裝模具，給定沖壓方向，定義板料尺寸為45×60mm2，定義凸模、凹模及壓邊圈，壓邊力設為2MPa，摩擦系數設為0.15，進行仿真模擬。

4.4 模擬結果

基于以上條件，成形模擬結果如圖4所示。

圖4 成形模擬結果

由分析結果可知，制件一次成形性較好，但是在盒型底部3條棱線交匯的圓角位置有輕微的拉裂可能性，因此可以通過調整參數對拉伸工藝進行優化。

5 結果分析及優化

5.1 板料大小

由于板料尺寸的大小不同，會導致板料在拉伸的過程中拉伸力不同，將明顯影響拉伸質量。根據切邊工藝需求，拉伸后工序件應預留足夠的余量，因此首先要對制件進行板料展開，確定拉伸所需最小板料尺寸，并在此基礎上確定板料尺寸為40×55mm2、45×60mm2、50×70mm2，分別進行仿真模擬，結果如圖5所示。

圖5 不同板料尺寸成形模擬結果

根據模擬結果可知，當板料尺寸為40×55mm2時，拉伸件成形性較好，僅在棱線交匯處圓角位置出現減薄，但并未發生明顯拉裂。隨著板料尺寸的增加，減薄量大的區域逐漸增大，當板料尺寸為50×70mm2時，制件小端出現大面積減薄嚴重區域，存在拉裂風險，這是由于板料尺寸的增大增加了板料與凹模和壓邊圈之間的摩擦力，從而使拉伸力增大，圓角位置受到的雙向拉應力增大，變薄加劇。因此，板料尺寸應當在滿足切邊余量的前提下盡量取較小值。

5.2 摩擦系數

板料與工作零件表面的摩擦力會使拉伸力增大，增加拉裂的可能性，但其同時也限制了凸緣部分板料的流動速度，在一定程度上減少了起皺的可能性，因此摩擦系數應當適當取值，采用摩擦系數為0.1、0.15、0.2及0.5的潤滑條件進行仿真模擬，結果如圖6所示。

圖6 不同摩擦系數成形模擬結果

由對比分析模擬結果可知，隨著摩擦系數的增加，凸緣部分的起皺可能性略有減小，但是盒形底部圓角處材料減薄明顯增大，當摩擦系數為0.5時，材料發生明顯斷裂。這主要是受到摩擦力的影響，導致材料流動困難，最終形成斷裂。因此，在盒形件成形時應盡量減小摩擦系數，必要時可以添加潤滑油。

5.3 壓邊力

采用壓邊圈并施加合理的壓邊力能夠有效改善拉伸質量，但是壓邊力過大會增大拉伸阻力，增加拉裂的可能性，而壓邊力過小則不能有效地避免起皺。因此，在模擬中設置調整壓邊力以優化得到合理的壓邊力大小。采用壓邊圈壓強分別為10MPa、50MPa、100MPa、200MPa，分別對成形過程進行模擬，結果如圖7所示。

圖7 不同壓邊力成形模擬結果

由模擬結果可知，隨著壓邊力的增加，凸緣部分起皺趨勢減低，但效果不明顯，同時隨著壓邊力的增加，圓角處減薄率明顯增加，提高了拉裂的可能性。因此，在盒形件拉伸過程中，壓邊力在不明顯發生起皺的前提下應盡可能取較小值。

6 結論

本文針對某階梯盒形件進行了工藝性分析，制定了拉伸、切邊沖孔兩道沖壓加工工序，并利用AutoForm軟件進行了拉伸成形模擬分析?；谀M結果，研究了板料尺寸、摩擦力及壓邊力3個參數對拉伸質量的影響因素，由于階梯盒形件成形困難，主要可能產生的缺陷是拉裂，為了避免拉裂應在滿足切邊余量需求的前提下盡量減小板料尺寸，同時盡量降低壓邊力和摩擦系數，減少材料減薄率，提高制件成形質量。根據以上分析結果和工藝參數優化方向指導生產，可以降低盒形類制件廢品率，具有重要的實際意義。