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锻造与冲压:汽车车身冲压零件多工位级进模设计与应用
2019-11-08
摘要:本文分析了汽车支架零件的外形结构特点,制定了该零件的成形工艺,并通过排样分析给出了零件排样图 。利用有限元分析软件对其冲压成形过程进行数值模拟,根据模拟结果 ( 成形极限图及材料变薄率) 对成形工艺及工艺参数进行优化,将优化结果用于指导模具设计工作 。

  本文分析了汽车支架零件的外形结构特点,制定了该零件的成形工艺,并通过排样分析给出了零件排样图 。利用有限元分析软件对其冲压成形过程进行数值模拟,根据模拟结果 ( 成形极限图及材料变薄率) 对成形工艺及工艺参数进行优化,将优化结果用于指导模具设计工作 。

  多工位有效率高即安全性高等优点,是制造业经常采用的冷冲压工艺, 但多工位冲压模具与普通单工位模具有许多不同 。

  多工位级进模又称连续模 、跳步模, 它是在一副模具中,按所加工的工件分为若干等距离的工位 , 在每个工位设置一个或几个基本冲压工序来完成 中压件某部分的加工,它是在单工位冲压模具基础上发展起来的多工序集成模具, 是冲压工艺的发展方向之一 。随着我国汽车行业的迅速发展,企业之间竞争激烈程度的持续加剧 , 零件质量和成本控制显得尤为突出重要,级进模将成为该行业冲压模具的重点发展方向 。

  零件工艺性分析

  图 1 为支架零件图 。单车型多处使用且 多车型共用 ,现有冲压压件模具使用年限较长无法继续满足新老车型的大量使用 ,故在新车型开发阶段考虑能够满足大批量生 产的级进模设计 。该零件比较简单 , 仅有一处冲孔和一处弯曲 ,但零件弯曲为 90 度,对冲孔位置精度要求较高 。

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  一、零件排样分析

  多工位较普通单工位一个明显的特点就 是排样设计 , 排样设计的原则除了遵循普通冲压排样的原则外 , 还要考虑以下内容:

  1 ) 工序安排 。中裁工序尽量避免采用 复杂形状的凸模 ,如果形状复杂 ,宁可多加 一个工序用来简化凸模形状 。为了保证模具强度和设变需求 , 料带上应视情况适当预留 空工位 ,空工位就是不做任何 中压工序的一个工位。

  对于弯曲类零件 ,应在切除弯曲部位周 边的废料后进行弯曲 ,然后再切除其余废料 。对于有冲孔的弯曲件 , 如果弯曲工序可能影 响孔的位置精度或形状时 ,应考虑先折弯后冲孔或者在折弯处压线以减少折弯对冲孔的影响。对于不对称的弯曲 , 工件易于滑动 , 因此可以对零件进行对称弯曲 , 然后将用于 弯曲的一边切除 ,如果零件较小 ,也可考虑用对排保证料带及零件的稳定。

  2 )    导正孔的设计 。级进模中导正销是非常重要的 ,导正销孔用来做级进模中的精 定位,一般在第    步就要冲出导正销孔 , 从 第二工位开始使用导正销 。导正销孔一般开 在废料上 ,如用零件上的孔做导正销孔的话 , 应注意孔与定位销之间的精度 , 同时还应注意,被借用的孔经导正后 , 会损坏孔的精度甚至变形 ,应考虑后序精 中。

  3 ) 料带的连料 。在级进模中 , 为了保证级进冲裁的流畅性 ,料带必须要有足够的 强度和刚度 ,这主要决定于料带连料部分的 强度和刚度 。限于工件形状和工序的要求 , 连料的形式也各不相同 ,有双侧连料 、 中间 连料 、 单侧连料等 。最理想的是双侧连料 , 因为这样对零件的送料 、 导正和定位来说都 是有利的 , 单侧连料对零件最不利 。

  根据该支架零件的外形特点 ,单件为不 对称弯曲 ,成形时工件易渭动质量无法保证 , 又因该零件较小 , 考虑采用对排保证 零件及 料带的稳定 。由于该零件料厚 为 1 5mr啊 , 对排后中间连料方案料带的刚性可以满足送 料要求 。综上考虑 ,选定的排样方案 为 10 个工位 ( 图2 ) ,各工位依次为;中导正销孔、 切边 、 切边 、 切边 、 翻边 、 切边 、 空位、 成 开豆 、 精 中孔、 切断。

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  二、支架有限元模型建立与冲压成形 仿真

  参数设定

  该支架的材料为 SPCC ,料厚为 1  5mm .其材料的物理性能见表 1。

  有限元建模

  有限元模型如图 3 所示 ,模具采用正装结构 , 凸模、 凹模选为刚性材料 ,模具运动 类型为 single action .  自适应网格重划次数 为 4 ,时间步为 1 5 ,板料单元厚向积分点数为 6。板料采用等向强化模型 。

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  模拟结果及分析

  模拟结果如图 4 所示 ,零件 R 角中间位 置存在凹凸造型 , 变形充分 , 未出现工艺缺 陷, 图中 safe 所在位置 , 零件两侧中间位 置型面整个过程保持平整 ,未产生变形 , 图 中 lnsuff stretch 所在位置 ,但零件 R 角处两 侧位置在第二序成形过程中 ,存在多料问题 , 成形后产生起皱缺陷 , 图中 thick ing 所在位 置 。因此在该位置前序落料时增加工艺缺口 ,图 4 模拟结果 使该处成形得到改善 ,起皱缺陷消除 。

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  三、模具结构设计

  根据 AUTOFORM 分析 ,在排样的基础上 , 模具结构如图 5 所示 。该支架多工位级进模 采用独立式对角导柱模架 ,导向精度较高 。各工位凸凹模通过固定板分别安装在上下模 部分 ,在模座与固定板之间加装垫板 ,材料 为 45 钢调制处理 , 起缓冲作用及防止模座 变形。

  导向装置

  该支架单边 中裁间隙为 0045    0 . 075mm ,其中料厚为 1 5mm ,取冲裁间隙为 006 mm。为保证 中裁工位始终具有合理而均匀 的间隙, 需要提高模具的导向精度 ,为此选 用高精度等级的独立式 滚珠导柱对角布置。由于支架尺寸小 , 中导正孔 、 中废料边等刀 块尺寸较小 ,为防止刀块工作时因强度和刚 度不足而变形甚至折断 , 设计了辅助导向 装 置 ,即压料板和凹模固定板导向装置 。在固 定板上安装了四对内导柱 、 导套 , 模具工作 过程中 ,对凸、 凹模进行导向 ,确保上 、 下模对中 , 凸、 凹模间隙均匀 ,提高了模具的 导向精度 , 从而提高了零件的尺寸精度。

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  定位装置

  带料采用浮动导料杆与导正 销相结合的 定位方式 。带料送进时由两边浮动 导料杆进 行粗定位 ,经工位 1 冲出导正孔 , 而后由两 边均布的导正销进行精确定位 ,从而保证每冲裁一次带料送进一个步距 。这种定位方式 结构简单 ,定位精确且生产效率高 。

  卸料装置

  冲压后带料会卡在凸模上 ,为保证上模顺利回程进 行下 次冲压 , 带料需从凸 模上卸下使其留在下模 。模 具设计了卸料装置 , 由弹簧 和卸料板组成 .模具闭合时,弹簧压缩 , 当模具打开上模回程时,弹簧恢复使卸料板 相对于上模向下运动将带料 从凸模上卸下。;中压前卸料 板与凹模先行压紧条料 , 又 有压料作用 ,可使零件和带 料平直 ,保证零件尺寸精度 。

  工作部件

  各冲裁、 成形凸模均以过盈配合加底部凸肩方式固定于上模 , 模真加工简单 、装配方便 ,且便于调整和修配 。凹模均采用镶块结构 ,将易磨损或难以加工部分以镶件形式嵌入,降低加工难度 ,便于刃磨和维修 , 节省生产成本 。

  四、实物及生产验证

  模具实物如图 6 所示 , 利用该模具进行 了零件试制 , 试制零件如图 7 所示 。将试制 件与仿真结果进行比较 , 表明仿真结果与模具生产的零件吻合程度较高 , 如实反映了零 件成形过程中板料的变形情况 。

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  五、结束语

  ( 1 ) 应用 AUTOFORM 对支架的冲压成形过程进行了成形仿真分析, 以直观的图像反 映了该零件成形过程中厚度的变化情况,为模具设计提供了参考。

  ( 2 ) AUTOFORM 同步计算坯料展开尺寸 , 提高了坯料尺寸精度 , 得到了合理的坯料形状。

  ( 3 ) 根据成形仿真分析所确定的成形工艺参数 ,进行了级进模设计与制造 ,并对零 件进行了试制 ,进一步验证了分析结果 ,利 用该成形工艺能够顺利获得符合设计要求的 零件。

  ( 4 ) 该级进模经实际使用证明 , 模具结构合理可靠 ,安全性好 ,维修方便 ,使用寿命长, 完全满足了大批量生产的需求 。对相似零件的模具设计, 具有较好的参考价值 。

  综上所述 ,在模具设计过程中 ,基于有限无法的数值仿真技术 ,可以确定合理的冲压工艺和参数 ,避免反复试模和修模 , 缩短模具开发周期 ,提高零件成形质量 。

  【兴迪源机械简介】

  兴迪源机械(Xingdi Machinery)是一家专注流体压力成形技术的锻压设备制造企业。自2007年创立以来,兴迪源机械一直致力于内高压成形的技术创新和产品研发。主营产品范围从生产普通液压设备,现今发展至生产、研发国内顶尖流体压力成形技术的锻压设备。

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  兴迪源机械是先进轻量化成形技术的提供者,从产品研发、设备生产、模具研制、方案定制,直至最终交付及提供增值服务,我们为客户提供的不仅仅是一台设备,而是一整套智能制造成形方案。