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

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程中的重要控制手段之一，其目的在于增加成形過程阻力，使板料能夠順利成形，減少成形缺陷。壓料筋設(shè)計在汽車覆蓋件拉深模具設(shè)計過程中占有特別重要的地位。合理設(shè)計壓料筋結(jié)構(gòu)參數(shù)可以改善板坯的流動狀況，從而減少沖壓件的破裂和起皺[1]等缺陷。

1 壓料筋作用原理

拉深成形生產(chǎn)中，尤其是車身覆蓋件等大型零件的拉深工序中，往往會因為零件幾何型面不對稱，使得板坯在拉深成形時各處材料沿凹?？诘牧鲃铀俣炔痪猓斐衫詈蟮牧慵植繙p薄量大，出現(xiàn)頸縮或者破裂等質(zhì)量問題，有些部位則出現(xiàn)起皺、波紋等質(zhì)量缺陷。板料沿凹?？诘牧鲃铀俣龋鐖D1 所示。

圖1 板料沿凹?？诘牧鲃铀俣葓D

為改善這種狀況，需要在壓料面上控制對零件不同部位提供進料阻力，即在需要材料多且流動速度慢的部位相應(yīng)的進料阻力小一些，而在需要材料少流動速度快的部位相應(yīng)的進料阻力相對大一些，如圖2 所示，從而平衡坯料在凹?？诓康牧鲃铀俣炔町?，提高零件的成形質(zhì)量。平衡后板料沿凹模口流動速度，如圖3 所示。

圖2 板料沿凹?？谶M料阻力分布圖

圖3 平衡后板料沿凹?？诹鲃铀俣葓D

改變壓料面上進料阻力的方法很多，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?？趫A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型。由于筋的斷面形狀及幾何尺寸不同，其功能強弱也不同。三個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所產(chǎn)生的摩擦阻力。當(dāng)板料流過壓料筋時，會發(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)計方法

壓料筋傳統(tǒng)工藝設(shè)計過程，一般是先根據(jù)工程師經(jīng)驗確定一個粗略的設(shè)計方案，然后通過后期不斷的試模來修正初始設(shè)計方案，直到最終能沖出合格的沖壓件為止。由于初始設(shè)計方案完全憑經(jīng)驗給出，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，初始設(shè)計方案往往與實際設(shè)計方案相差較大，從而使得試模次數(shù)增加，設(shè)計不準確而且設(shè)計周期延長，開發(fā)成本較高。

4 壓料筋改進設(shè)計方法

隨著數(shù)值模擬計算技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機輔助工程技術(shù)，即CAE 分析技術(shù)，在汽車零件模具設(shè)計過程中發(fā)揮著越來越重要的作用。CAE 技術(shù)為研究壓料筋各個結(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)計也變得更為簡單。對保證零件質(zhì)量、減少材料消耗、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高開發(fā)質(zhì)量以及降低制造成本等都具有重要意義。

壓料筋是工藝補充的一個重要組成部分。布置壓料筋不僅需要考慮調(diào)整板材在成形過程中局部的流動速度，還需要考慮后續(xù)修邊和拉延時可能產(chǎn)生的質(zhì)量問題。在模具工藝設(shè)計時，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體可以在不失精度的前提下大大降低計算時間。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材料流動的不同影響，而無需零件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)計中，壓料筋的具體幾何尺寸由CAE 軟件的專門模塊提供，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)與其對應(yīng)的凹模口形狀一致?？刂茖α慵煌课惶峁┑倪M料阻力，也就是毛坯在進入凹模前遇到的阻力，即在需要材料多的部位相應(yīng)的進料阻力小一些，而在需要材料少的部位相應(yīng)的進料阻力大一些，從而平衡坯料在凹?？诓康牧鲃铀俣炔町悾岣吡慵尚钨|(zhì)量。壓料筋的布置方向要與材料流動方向垂直。

4.2 壓料筋的位置與結(jié)構(gòu)參數(shù)

總的來說，壓料筋的位置對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?？紤]到壓料筋的應(yīng)用情況，壓料筋的圓角半徑不能過小。此外，筋高高于筋的圓角半徑太多就沒有多大意義了。槽的圓角半徑根據(jù)習(xí)慣設(shè)計選取。

有了上述經(jīng)驗，其他細節(jié)問題還需具體情況具體分析。壓料筋各參數(shù)選取時應(yīng)根據(jù)材料流動性，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，最終參考取值，確定壓料筋各個結(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，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。本文利用計算機輔助工程技術(shù)（CAE）改進設(shè)計壓料筋，以便確定壓料筋各個結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理組合，大大提高經(jīng)濟效益和產(chǎn)品質(zhì)量。