章志兵 柳玉起 杜 亭 許恒建

華中科技大學材料成形模擬及模具技術(shù)國家重點實驗室,武漢,430074

0 引言

汽車車身零件大部分是沖壓件,且形狀都比較復(fù)雜,為了提高零件的加工效率和加工質(zhì)量,很多零件采用級進模成形方式加工[1]。級進模工藝設(shè)計很復(fù)雜,往往需由經(jīng)驗十分豐富的技術(shù)人員完成。目前可以采用的技術(shù)手段主要是經(jīng)驗和簡單的理論公式以及試模技術(shù),這導(dǎo)致生產(chǎn)周期較長、產(chǎn)品制造成本高。

采用數(shù)值方法對沖壓件成形過程進行仿真是提高設(shè)計質(zhì)量和效率的有效途徑,在板料成形方面主要有有限元增量法和逆算法兩種數(shù)值模擬方法。在條料設(shè)計階段,模具、工件中間構(gòu)形和邊界條件都是未知的,無法采用傳統(tǒng)的有限元增量方法進行模擬。

文獻[2-8]的研究主要集中在如何將沖壓件展開成平面坯料上,如何快速預(yù)測連續(xù)成形過程的研究成果很少。復(fù)雜成形件或級進模成形件的中間成形過程對零件的初始坯料有較大的影響,采用傳統(tǒng)逆算法進行整體展開難以考慮中間局部成形對中間構(gòu)形的影響。例如,級進模零件上的不同成形區(qū)域需要采用不同的成形方式,整體展開時難以在局部區(qū)域分別采用不同的工藝條件。

基于此,本文根據(jù)級進模條料工藝設(shè)計流程,在有限元逆算法的基礎(chǔ)上,提出級進模零件的多步展開算法。初步實現(xiàn)了級進模條料連續(xù)逆向展開,并以實際零件為例詳細說明了該方法的計算流程。

1 級進模三維條料設(shè)計和基于工藝特征的多步展開

圖1為典型的級進模成形件條料設(shè)計圖。在設(shè)計零件成形工序時,僅僅知道最終工件的形狀和尺寸,中間構(gòu)形的形狀是未知的,需要根據(jù)工件的工藝要求和形狀特征設(shè)計出中間構(gòu)形形狀,如圖1a中的第7步中間構(gòu)形、圖1b中的第4步中間構(gòu)形。在設(shè)計翻邊工序時,需要在中間參考面上先切料再翻邊,翻邊時板料可能產(chǎn)生較大的變形,這就需要預(yù)先精確確定切口線的三維尺寸。在局部變形較大的區(qū)域,如拉深、翻邊或脹形區(qū)域,需要考慮板料的成形工藝條件和材料的成形性能等因素,預(yù)先估計局部區(qū)域的成形特征,檢查工藝條件是否合理、成形性是否符合要求,避免成形時產(chǎn)生缺陷。因此,級進模工藝設(shè)計是一個比較困難和復(fù)雜的工作,只有經(jīng)驗豐富的工程師才能勝任。

針對級進模工藝設(shè)計的難點,在逆算法的基礎(chǔ)上,提出多步展開的算法。如圖1b所示,根據(jù)零件沖壓工藝特征,多次逆向計算確定工件中間構(gòu)形和切口線尺寸,從而既得到較高精度的初始坯料尺寸,又考慮到局部區(qū)域板料的可成形性。

2 多步展開中的關(guān)鍵技術(shù)要點

2.1 中間展開參考面

在展開計算模型中,需要根據(jù)局部成形區(qū)域的特征面自動確定一個中間展開參考面。對于大多數(shù)級進模零件來說,中間展開參考面可以根據(jù)最終構(gòu)形的局部特征自動構(gòu)造出來,例如,根據(jù)局部變形區(qū)域的邊界沿切線方向構(gòu)造中間形狀參考面。如果零件的工藝比較復(fù)雜,也可以根據(jù)設(shè)計的要求,創(chuàng)建一個中間形狀的參考曲面。級進模每個工步是相互關(guān)聯(lián)的,只要在成形中有一個成形步有成形缺陷,都有可能需要對已經(jīng)設(shè)計的工序作調(diào)整,而不僅僅是對當前有缺陷的成形步作調(diào)整,多次優(yōu)化中間參考構(gòu)形或成形工藝條件。

2.2 工藝條件的處理

根據(jù)零件在不同區(qū)域的成形特點,在局部區(qū)域建立有限元逆算法模型。有限元計算模型中,邊界條件的處理隨著不同的工藝條件而不同。脹形成形時的法蘭約束力或壓邊力非常大,材料在法蘭下幾乎不流動,而拉深成形時的法蘭約束力或壓邊力適當,材料在法蘭下可以流動。因此中間形狀展開時,如果展開區(qū)域?qū)儆诿浶纬尚?可以直接在展開區(qū)域施加固定位移約束或施加很大的壓邊力。如果是拉深成形則按實際工藝施加適當?shù)膲哼吜Α?/p>

板料在較大的壓邊力作用下,搭橋區(qū)域變形較小,近似認為板料在搭橋處的節(jié)點位移為零。計算時,在搭橋處的節(jié)點上施加固定約束。

彎曲和翻邊區(qū)域需要根據(jù)實際工藝要求,設(shè)置不同壓邊力和潤滑條件來控制彎曲和翻邊區(qū)域周圍板料的流動。由于不容易在模具的不同區(qū)域施加不同的潤滑條件,故一般采用控制壓邊力大小的方法來調(diào)整板料的流動。如果希望在彎曲和翻邊區(qū)域周圍的材料的流動量較小,則施加較大的壓邊力。反之,則施加較小的壓邊力。

2.3 分步展開過程

對于不同的沖壓工序,材料的流動過程是不同的,最終零件的成形性也會有很大的差異。因此,多步展開的順序需要與實際制定的沖壓工序相符合,不同的工藝流程對應(yīng)不同的展開順序。如果根據(jù)零件的形狀特征和工藝要求,預(yù)先確定了沖壓工序,那么可以采用分步展開算法從最終零件開始,按照實際的沖壓工序逆向獲得工件的中間工序構(gòu)形形狀,并評估每一步中間構(gòu)形的成形性,避免成形缺陷,優(yōu)化沖壓工序。如果不能準確地制定全部的工序,需要采用多步展開算法從零件形狀開始,逆向逐步優(yōu)化每一次展開的中間參考面和工藝條件,調(diào)整沖壓工藝順序,最終得到優(yōu)化的條料圖。

2.4 成形性分析

多步展開算法不僅可以求得中間展開構(gòu)形,也可以獲得成形后各種物理量的分布情況和毛坯中間孔的變形情況,進而預(yù)測零件可能存在的各種成形缺陷(如起皺、破裂、成形不足等),以輔助零件的工藝設(shè)計。

3 級進模條料設(shè)計實例

以圖2a所示級進模成形件為例,說明條料的三維設(shè)計過程。零件材料為SPCC,初始板厚為0.75mm。

3.1 成形特征的分析

級進模零件的成形方式主要包括脹形、彎曲、翻邊、修邊、整形等,采用多工位級進模成形方式加工,應(yīng)用多步展開算法可以計算條料的關(guān)鍵中間構(gòu)形。例如,搭橋區(qū)域(如圖2a中的 H 區(qū)域),在展開計算時對應(yīng)區(qū)域需要施加固定約束。對實體建模的鈑金件,抽取板料的中面,在中面上進行有限元分析。

3.2 中間成形步的分步展開

按照成形特征,當前級進模成形件的條料可以分為6個主要的成形工步,具體展開步驟如下:

(1)如圖3所示,先展開圖2b第16步中的局部彎曲區(qū)域(圖2a中的D區(qū)域),得到第15步中間構(gòu)形。在D區(qū)域,板料先經(jīng)過切口,然后彎曲,變形方式屬于局部彎曲成形。展開計算時,將彎曲板料展開到彎曲前參考面(當前構(gòu)形中為平面)上。

(2)如圖4所示,展開圖2b第14步中的局部翻邊區(qū)域(圖2中的C區(qū)域和G區(qū)域),得到第13步中間構(gòu)形。

圖5所示為翻邊展開的逆算法模型。計算模型中,通常在翻邊區(qū)域的相鄰區(qū)域施加較大的壓邊力,防止相鄰區(qū)域板料的滑動,因此在逆算法模型中,在與參考構(gòu)形的相鄰節(jié)點上施加固定約束。計算模型中,展開算法自動根據(jù)零件特征曲面擴展生成參考曲面。例如,根據(jù)零件上特征曲面的邊界曲線沿切線方向延展生成參考曲面。對于復(fù)雜的參考構(gòu)形,則需要預(yù)先設(shè)計好中間參考構(gòu)形。

多步展開算法不僅可以展開中間構(gòu)形和修邊線,也可以模擬零件成形后各種物理量的分布情況,預(yù)測零件可能存在的各種成形缺陷,輔助零件的工藝設(shè)計。圖6為翻邊區(qū)域的厚向應(yīng)變分布圖。厚向應(yīng)變模擬結(jié)果表明,板厚最大減薄量為翻邊前厚度的10.7%,板料成形性較好,沒有破裂的危險。板厚最大增厚量為翻邊前厚度的9.5%,位于壓縮翻邊區(qū)域,由于增厚量偏大,成形過程中有起皺的危險。

(3)如圖7所示,展開圖2b第12步中的局部展開彎曲區(qū)域(圖2a中的F區(qū)域),得到第11步中間構(gòu)形。展開過程與步驟(1)相同。

(4)如圖8所示,展開圖2第10步中的局部展開彎曲區(qū)域(圖2a中的B區(qū)域),得到第9步中間構(gòu)形。展開過程與步驟(3)相同。

(5)展開步驟(3)中的局部翻邊區(qū)域(圖2a中的E區(qū)域),得到第2步中間構(gòu)形。此工步是在切口前進行的,因此它屬于局部脹形成形模式。局部脹形時,板料在壓邊力和摩擦的作用下,僅在局部區(qū)域產(chǎn)生變形。在建立計算模型時,在成形區(qū)域周圍施加壓邊力,同時在稍遠一點的外圍區(qū)域節(jié)點上施加固定約束。模擬結(jié)果如圖9所示,板料最大厚向應(yīng)變超過—30%,板料過度減薄,存在破裂的危險,這時可能需要減小壓邊力或分兩次成形這兩個脹形區(qū)域。

(6)展開步驟(1)中的局部翻邊區(qū)域(圖2a中的A區(qū)域),得到初始平板坯料。處理過程與步驟(5)處理過程相同。這個工步也是在切口前進行的,變形模式屬于局部脹形成形模式。模擬結(jié)果如圖10所示,板料最大厚向應(yīng)變約為—20%,說明板料脹形后的成形性較好。

從初始零件形狀開始,根據(jù)前面的6個工步展開結(jié)果,可以完成圖 2b條料中工步 15、13、11、9、2、1的關(guān)鍵構(gòu)形形狀設(shè)計,其余工步為切邊或整形工步,這些工步與中間構(gòu)形形狀設(shè)計無關(guān)。

展開模擬過程中沒有考慮整形和切邊回彈對中間構(gòu)形的影響。由于采用板殼單元模型不能準確模擬整形和切邊回彈過程的三維變形模式,展開計算過程存在一定誤差。

如圖11所示,采用多步展開算法計算得到的毛坯輪廓線與實際采用的輪廓線基本吻合。誤差最大值為0.95mm,主要集中在 A1、A2、B1和B2處。實際生產(chǎn)中對坯料輪廓進行了簡化處理,將曲線近似處理為直線,導(dǎo)致這4處的坯料尺寸小于模擬計算的尺寸,這樣必然導(dǎo)致成形后的零件在這4個區(qū)域的形狀尺寸與設(shè)計尺寸有誤差,比設(shè)計尺寸小。如果考慮這個因素,算法展開得到的坯料形狀與實驗數(shù)據(jù)基本一致。

4 結(jié)束語

針對復(fù)雜級進模零件的中間構(gòu)形展開,尤其是包含自由曲面的中間構(gòu)形展開問題,采用多步展開方法,根據(jù)級進模零件的沖壓工藝特征,按照沖壓工藝順序,在局部區(qū)域建立有限元逆算法模型,依次在局部區(qū)域逆向展開,得到中間關(guān)鍵構(gòu)形。可以提高有限元逆算法的模擬精度,使其與多工位級進模成形工藝更加一致。

結(jié)合多工位級進模條料設(shè)計的特點,基于有限元逆算法,開發(fā)了一種基于工藝特征的多工位級進模條料多步展開算法。該算法不僅計算速度快,而且可以綜合考慮搭橋、壓邊力、摩擦等實際工藝條件,可以比較精確地預(yù)測中間工步的成形性和中間構(gòu)形。

[1]陳炎嗣.多工位級進模的使用條件與合理應(yīng)用[J].機械工人(冷加工),2007(11):50-51.

[2]Lan Jian,Dong Xianghuai,Li Zhigang.Inverse Finite Element Approach and Its Application in Sheet Metal Forming[J].Journal of Materials Processing Technology,2005,170(3):624-631.

[3]Guo Yinqiao,Batoz J L,Naceur H,et al.Recent Development on the Analysis and Optimum Design of Sheet Metal Forming Parts Using a Simplified Inverse Approach[J].Computers and Structures,2000,78(1/3):133-148.

[4]Lee C H,Huh H.Three Dimensional Multi—step Inverse Analysis for the Optimum Blank Design in Sheet Metal Forming Processes[J].Journal of Materials Processing Technology,1998,80/81:76-82.

[5]Naceur H,Guo Yinqiao,Batoz J L,et al.Optimization of Drawbead Restraining Forces and Drawbead Design in Sheet Metal Forming Process[J].International Journal of Mechanical Sciences,2001,43(10):2407-2434.

[6]Guo Yinqiao,Gati W,Naceur H,et al.Springback E-valuation after Forming Simulation Using the Inverse Approach and Incremental Approach[C]//Simulation of Materials Processing:Theory,Methods and Applications.Swets&Zeitlinger,2001:717-722.

[7]Liu Yuqi,Li Zhigang,Yan Yakun.Fast Accurate Prediction of Blank Shape in Sheet Metal Stamping Forming[J].Acta Mechanica Solida Sinica,2004,17(1):36-42.

[8]杜亭,柳玉起,章志兵,等.板料成形坯料形狀與應(yīng)變分布的快速精確預(yù)測[J].中國機械工程,2005,16(20):1867-1870.