聶 昕 成艾國(guó) 申丹鳳

1.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙,410082

2.東風(fēng)柳州汽車有限公司,柳州,545005

3.湖南湖大三佳汽車技術(shù)開發(fā)有限公司,長(zhǎng)沙,410205

汽車結(jié)構(gòu)件級(jí)進(jìn)模的料帶優(yōu)化設(shè)計(jì)

聶 昕1,2成艾國(guó)1申丹鳳3

1.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙,410082

2.東風(fēng)柳州汽車有限公司,柳州,545005

3.湖南湖大三佳汽車技術(shù)開發(fā)有限公司,長(zhǎng)沙,410205

以某汽車前縱梁加強(qiáng)板為例,通過對(duì)級(jí)進(jìn)模沖壓過程進(jìn)行模擬,預(yù)測(cè)生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的傳送帶變形、毛坯展開不準(zhǔn)確、成形缺陷等問題,并提出采用手動(dòng)修改與比例因子法相結(jié)合的方法對(duì)料帶進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證了該方法的優(yōu)越性,所得結(jié)果為實(shí)際調(diào)試模具提供了依據(jù),可大大縮短模具開發(fā)周期,節(jié)約模具成本。

級(jí)進(jìn)模;傳送帶變形;比例因子法;優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

目前,對(duì)汽車鈑金件沖壓而言,一般都采用多工序、多工位模具才能實(shí)現(xiàn),因此零件制造的全工序需要多套模具和多臺(tái)壓力機(jī),尤其在自動(dòng)化生產(chǎn)時(shí)需要的設(shè)備更多。如果采用級(jí)進(jìn)模進(jìn)行沖壓生產(chǎn),就可以克服這些缺點(diǎn)。級(jí)進(jìn)模的特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高,生產(chǎn)周期短,占用的操作人員少,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化批量生產(chǎn)。

在國(guó)內(nèi),復(fù)雜零件的級(jí)進(jìn)模的設(shè)計(jì)特別少,而高強(qiáng)度鋼板復(fù)雜零件的級(jí)進(jìn)模的設(shè)計(jì)則幾乎沒有。在級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)過程中,一旦最初板料展開尺寸出錯(cuò),最終的產(chǎn)品一定不合格。料帶的形狀設(shè)計(jì)決定了模具的基本結(jié)構(gòu),控制著零件的流動(dòng),而橋的設(shè)計(jì)會(huì)明顯地影響傳送帶的變形和后序零件的形狀,所以級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)的難點(diǎn)及關(guān)鍵在于產(chǎn)品的毛坯展開及料帶形狀的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的毛坯估算及料帶形狀設(shè)計(jì)只能依靠工程師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來完成,對(duì)于造型相對(duì)復(fù)雜的零件,很難估算準(zhǔn)確,從而造成實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)模具報(bào)廢、產(chǎn)品定位誤差大等嚴(yán)重問題。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)級(jí)進(jìn)模的文獻(xiàn)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),幾乎所有的文獻(xiàn)提出的級(jí)進(jìn)模沖壓成形分析都沒有真正地針對(duì)級(jí)進(jìn)模的各工序沖壓特點(diǎn)進(jìn)行整體分析[1],也沒有考慮因料帶的結(jié)構(gòu)和變形而造成的零件變形的影響[2],更談不上對(duì)毛坯形狀和料帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]。

本文以某汽車結(jié)構(gòu)件為例,在有限元仿真的基礎(chǔ)上,結(jié)合手動(dòng)修改與比例因子法等優(yōu)化方法,對(duì)該零件級(jí)進(jìn)模的料帶進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并預(yù)估其沖壓成形性,將問題消除在設(shè)計(jì)階段。最后,通過實(shí)踐驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 比例因子優(yōu)化算法

比例因子法是一種優(yōu)化輪廓線的方法[4],它是通過調(diào)用、比較沖壓前后終了輪廓線和目標(biāo)輪廓線的差值,計(jì)算出零件變形的比例因子,通過比例因子修正輪廓線而進(jìn)行自動(dòng)偏置補(bǔ)償、迭代的一種優(yōu)化方法。其基本過程如下:

(1)首先給定必要的初始條件,包括初始輪廓線A、目標(biāo)輪廓線aT。通過調(diào)用有限元分析軟件進(jìn)行沖壓模擬,獲得終了輪廓線a。

(2)然后將終了輪廓線與目標(biāo)輪廓線進(jìn)行比較,如果形狀誤差在公差允許范圍之內(nèi),則結(jié)束運(yùn)算,輸出該初始輪廓線;否則對(duì)該初始輪廓線進(jìn)行特定的偏置。再調(diào)用有限元軟件對(duì)偏置后的輪廓線A*進(jìn)行沖壓模擬,獲得偏置后的終了輪廓線a*。

(3)最后計(jì)算出零件變形的比例因子ω。通過比例因子ω對(duì)初始輪廓線A進(jìn)行修正,再將修正后的輪廓線作為下一次迭代的初始輪廓線。這樣不斷循環(huán),直至形狀誤差均在公差允許范圍之內(nèi),結(jié)束迭代,將最后一次迭代的輪廓線作為最優(yōu)輪廓線輸出。

其流程如圖1所示。

圖1 比例因子法流程圖

2 汽車前縱梁加強(qiáng)板級(jí)進(jìn)模工藝

2.1 汽車前縱梁加強(qiáng)板

某汽車前縱梁加強(qiáng)板如圖2所示,其質(zhì)量為1.216kg,厚度為 1.8mm,材質(zhì)為高強(qiáng)度鋼DP340,其材料屬性如表1所示。產(chǎn)品邊界公差值為±1.0mm。

2.2 級(jí)進(jìn)模工藝

設(shè)計(jì)多工位級(jí)進(jìn)模的關(guān)鍵是零件的毛坯展開及料帶的排樣,這是模具設(shè)計(jì)的核心。合理的排樣及適當(dāng)?shù)拇钸呏凳墙档统杀竞捅ＷC工件質(zhì)量及模具壽命、使用性能的有效措施。

2.2.1 毛坯展開

常用的毛坯展開方法一般有傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式法[5]、one-step[6]仿真分析法,或者兩者相結(jié)合的方法。此零件中部的凸包造型在沖壓時(shí),材料將發(fā)生明顯變形,按常用展開方法進(jìn)行毛坯展開無法準(zhǔn)確計(jì)算該處的展開尺寸,只能得到一個(gè)大致的毛坯尺寸,如圖3所示。

圖3 前縱梁加強(qiáng)板毛坯展開圖

2.2.2 料帶排樣

級(jí)進(jìn)模的工藝設(shè)計(jì)就是料帶的排樣設(shè)計(jì)。前縱梁加強(qiáng)板的沖壓工序內(nèi)容包括:毛坯形狀的落料、凸包的拉延、側(cè)壁的翻邊及整形、頭部的小翻邊、加強(qiáng)板中間的沖孔以及最后的切邊。同時(shí)考慮到模具受力的平衡性,該加強(qiáng)板沖壓工藝總共分成八個(gè)工序:三工序落料、成形、翻邊、整形、沖孔和切斷。級(jí)進(jìn)模就是將上述所有工序集中在一副模具里,每一工序稱為該模具的一個(gè)工位,其排樣如圖4所示。

圖4 級(jí)進(jìn)模料帶排樣圖

為了保證料帶能夠連續(xù)精確地進(jìn)入級(jí)進(jìn)模內(nèi),鋼卷必須先經(jīng)過開卷機(jī)、校直器及進(jìn)給器才能進(jìn)入級(jí)進(jìn)模,再傳遞到其他工位。料帶不僅提供沖壓用的零件毛坯,還要實(shí)現(xiàn)將零件從一個(gè)工位傳遞到下一個(gè)工位的功能,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

一般料帶應(yīng)該包括毛坯、工件、傳送帶、橋及定位孔等。此加強(qiáng)板的毛坯中開了兩個(gè)工藝孔,以避免成形中間凸包造型時(shí)發(fā)生破裂。料帶中的傳送帶是用來連接相鄰工位的,橋是用來連接傳送帶與零件的,定位孔是用來保證料帶進(jìn)入每個(gè)工位時(shí)位置的準(zhǔn)確性的,步距是相鄰兩個(gè)工位之間的距離,即料帶每次向前進(jìn)給的距離。

圖5 級(jí)進(jìn)模料帶結(jié)構(gòu)圖

3 級(jí)進(jìn)沖壓仿真及料帶優(yōu)化

級(jí)進(jìn)模沖壓及仿真的難點(diǎn)主要有以下兩點(diǎn):①毛坯形狀預(yù)估的準(zhǔn)確性。如果毛坯形狀不準(zhǔn)確,實(shí)際沖壓或者仿真出來的結(jié)果一定不合格,且調(diào)試工作量大。②料帶中橋的變形難以預(yù)估。如果橋的尺寸設(shè)計(jì)不合理,則會(huì)因橋的強(qiáng)度過大難以變形,使得傳送帶發(fā)生明顯變形,無法保證料帶進(jìn)給時(shí)位置的準(zhǔn)確性;或因橋的強(qiáng)度過小,沖壓過程中橋發(fā)生斷裂,無法保證級(jí)進(jìn)沖壓正常進(jìn)行。以往的仿真很少考慮橋的變形,導(dǎo)致仿真的結(jié)果沒有意義。

3.1 級(jí)進(jìn)沖壓仿真

當(dāng)級(jí)進(jìn)工藝制訂好后,按照初始的毛坯形狀及橋的設(shè)計(jì)來對(duì)該前縱梁加強(qiáng)板進(jìn)行級(jí)進(jìn)全工序沖壓仿真分析。沖壓仿真結(jié)果如圖6所示,從圖6中的結(jié)果看,毛坯中間兩個(gè)工藝孔發(fā)生開裂,為凸包的成形提供材料,從而保證了凸包的成形性。整個(gè)零件的成形過程未出現(xiàn)開裂及明顯起皺現(xiàn)象,因此該加強(qiáng)板的成形性良好。

3.1.1 橋及傳送帶的變形結(jié)果

圖7所示為橋及傳送帶部分的變形情況,右側(cè)為局部放大圖。圓圈部分為料帶毛坯的初始狀態(tài),網(wǎng)格為經(jīng)過成形、翻邊及整形后的工件輪廓,從圖中可以看出,橋變形不太明顯,而兩端的傳送帶發(fā)生了明顯的變形,會(huì)造成定位孔也發(fā)生變形,這樣最終導(dǎo)致料帶進(jìn)給時(shí)定位不準(zhǔn)確,從而使級(jí)進(jìn)模的自動(dòng)進(jìn)給無法實(shí)現(xiàn)。上下兩端的傳送帶的偏差距離分別達(dá)到了2.7mm和5.2mm。

由變形結(jié)果分析可知,造成傳送帶變形的主要原因是由于橋的剛性過大,橋難以變形。為解決這個(gè)問題,必須重新設(shè)計(jì)橋的形狀及尺寸。

3.1.2 毛坯沖壓后的工件邊界

對(duì)采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式和one-step仿真分析展開的方法獲得的毛坯形狀進(jìn)行級(jí)進(jìn)沖壓仿真,沖壓后工件邊界結(jié)果如圖8所示。粗實(shí)線為產(chǎn)品邊界線,網(wǎng)格面為沖壓仿真后工件的形狀,從放大圖可看出,工件邊界與產(chǎn)品邊界線在凸包處誤差最大,一側(cè)最大誤差值為12.53mm,另一側(cè)的誤差值為 14.28mm,這與產(chǎn)品邊界公差要求±1.0mm相比,差距太大。

圖6 級(jí)進(jìn)沖壓成形性分析

圖7 橋及傳送帶變形簡(jiǎn)圖

如果按這樣的設(shè)計(jì)進(jìn)行制造加工,不僅造成最終工件不合格,還會(huì)使得級(jí)進(jìn)模的前三個(gè)工位的落料模具報(bào)廢,造成非常嚴(yán)重的損失。因此必須在設(shè)計(jì)階段消除這些問題,這需要對(duì)級(jí)進(jìn)模料帶進(jìn)行優(yōu)化。

圖8 產(chǎn)品零件邊界圖

3.2 料帶優(yōu)化

從仿真結(jié)果分析,造成工件不合格和定位不準(zhǔn)確的主要因素是料帶中的兩個(gè)組成部分——橋及毛坯形狀尺寸設(shè)計(jì)不合理,因此料帶的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要針對(duì)這兩部分進(jìn)行。本文采用手動(dòng)修改與比例因子法相結(jié)合的方法對(duì)料帶中的橋及毛坯進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.1 橋優(yōu)化

橋是料帶中傳送帶與毛坯的連接部分,此部分在沖壓過程中可以發(fā)生明顯變形,但不能斷裂,且需保證傳送帶部分不發(fā)生明顯變形。由于橋的最終形狀沒有明確要求,其最終目標(biāo)邊界無法給定,所以只能通過手動(dòng)調(diào)整。

仿真結(jié)果顯示橋的剛性過大,未發(fā)生變形,因此將橋的寬度減小(由8mm減小為5mm)、線長(zhǎng)增加,其中一端的兩條橋變成一條橋,以減小其剛性,具體細(xì)節(jié)如圖9所示。細(xì)虛線為橋的初始形狀,粗實(shí)線為修改后橋的形狀 。

圖9 橋優(yōu)化前后形狀對(duì)比

3.2.2 毛坯優(yōu)化

初始毛坯級(jí)進(jìn)沖壓仿真結(jié)果顯示,工件邊界相對(duì)于產(chǎn)品目標(biāo)邊界有較大差距,遠(yuǎn)不在公差允許范圍內(nèi),為保證沖壓后的工件合格,需對(duì)毛坯形狀進(jìn)行優(yōu)化,本文采用比例因子法對(duì)毛坯進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)前面仿真的結(jié)果,定義沖壓后工件邊界為a,產(chǎn)品最終邊界線為目標(biāo)aT,毛坯形狀為變量A,根據(jù)變形前后的偏置量Δ和δ,求出比例因子ω:

然后根據(jù)比例因子ω進(jìn)行多次迭代,當(dāng)結(jié)果a與目標(biāo)a T的誤差在公差±1.0mm內(nèi)時(shí)迭代結(jié)束,輸出變量A即為優(yōu)化后的毛坯形狀。

本算例的工件邊界與目標(biāo)邊界的誤差由初始的14.29mm經(jīng)過一次迭代后降為1.46mm,直至第七次迭代,誤差值為 0.88mm,在公差±1.0mm內(nèi),滿足要求,迭代停止。圖 10所示為迭代優(yōu)化結(jié)果的比較,點(diǎn)劃線為目標(biāo)值1mm,共迭代7次,第七次迭代的數(shù)據(jù)為虛線以下,即達(dá)到要求。

圖10 優(yōu)化迭代結(jié)果比較

圖11所示為初始毛坯線和第七次迭代后所得的毛坯線比較,虛線為初始毛坯線,實(shí)線為第七次迭代后的毛坯線,從圖11可以明顯看出,被圈出的部分變化最大,也是產(chǎn)品的凸包展開處,即經(jīng)驗(yàn)展開與實(shí)際差距最大的位置。

圖11 優(yōu)化前后毛坯比較

3.2.3 優(yōu)化后仿真結(jié)果

將優(yōu)化后的橋及毛坯形狀組合成新的料帶,如圖12所示。其中,虛線為初始料帶,實(shí)線為優(yōu)化后料帶。

圖12 優(yōu)化前后料帶比較

將優(yōu)化后的料帶再進(jìn)行級(jí)進(jìn)沖壓模擬,其仿真結(jié)果如圖13所示,可看出,產(chǎn)品未出現(xiàn)開裂及明顯起皺,與料帶優(yōu)化前一樣,該加強(qiáng)板的成形性良好。

圖13 優(yōu)化后成形結(jié)果

除了成形性外,應(yīng)更加關(guān)注的是,在進(jìn)行級(jí)進(jìn)沖壓成形后優(yōu)化后料帶的傳送帶、橋的變形情況,以及成形后工件的邊界與產(chǎn)品邊界之間的誤差值。圖14所示為橋及傳送帶的變形情況,網(wǎng)格為成形后工件的位置,外輪廓線為初始料帶位置,從圖右側(cè)的放大圖可以明顯看出,新料帶的橋發(fā)生了明顯變形,而傳送帶幾乎與初始位置重合,達(dá)到了優(yōu)化的目的,即保證了料帶在進(jìn)給過程中定位的準(zhǔn)確性。

圖14 橋及傳送帶變形情況

圖15所示為新料帶成形后工件邊界與產(chǎn)品邊界的比較,從圖15可以看出,工件邊界與產(chǎn)品邊界幾乎是重合的,特別是在凸包位置,其誤差值非常小。誤差最大的位置為圖中A處,其誤差值為0.894mm,在公差允許范圍內(nèi)。

從上述仿真結(jié)果分析,在級(jí)進(jìn)沖壓中,優(yōu)化后的料帶既保證了進(jìn)給時(shí)料帶定位的準(zhǔn)確性,又滿足了產(chǎn)品邊界的公差要求。

圖15 工件邊界與產(chǎn)品邊界比較

4 實(shí)踐驗(yàn)證

該前縱梁加強(qiáng)板采用優(yōu)化后的料帶進(jìn)行級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì),經(jīng)模具制造及初步調(diào)試后,其結(jié)果如圖16所示。從檢具檢測(cè)結(jié)果可知,產(chǎn)品邊界符合公差要求,最大誤差值為0.95mm,與仿真預(yù)測(cè)結(jié)果0.89mm比較一致。

圖16 檢具上的前縱梁加強(qiáng)板

5 結(jié)論

(1)級(jí)進(jìn)模料帶的優(yōu)化設(shè)計(jì)是成功設(shè)計(jì)級(jí)進(jìn)模的關(guān)鍵,而料帶的設(shè)計(jì)是由毛坯的形狀及橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所決定的。

(2)有限元仿真配合料邊優(yōu)化算法能夠很好地優(yōu)化、指導(dǎo)級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì),但必須同時(shí)考慮傳送帶可能發(fā)生變形的影響。

(3)實(shí)踐證明,比例因子法在料帶邊界優(yōu)化方面有較好的可行性及較高的精度。

[1] 吳春明,阮鋒,夏琴香,等.基于有限元分析的級(jí)進(jìn)模拉深工序優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓,2006(2):29-31.

[2] 黃珍媛,阮鋒,管燦,等.基于數(shù)值模擬的級(jí)進(jìn)模筒形拉深工步工藝分析[J].電加工與模具,2006(4):50-53.

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[6] Lee C H,H uh H.Blank Design and Strain Prediction of Automobile Stam ping Parts by an Inverse Finite Element Approach[J].J.M ater.Proc.Technol.,1996,63(6):645-650.

Optim ization Design of Blank Sheet in Body Panel Progressive Stamping

Nie Xin1,2Cheng Aiguo1Shen Danfeng3
1.State Key Laboratory of A dvanced Design and Manufacture for Vehicle Body,Hunan University,Changsha,410082
2.Dongfeng Liuzhou Motor Co.,Ltd.,Liuzhou,Guangxi,545005
3.Hunan Sunja Auto R&DCo.,Ltd.,Changsha,410205

A front rail reinforcement panel is an exam ple to illustrate how the process of progressive stamping was simulated by finite-element method herein,so the problem s occurred in p roduction cou ld be p redicted such as carrier distortion,inaccurate blank size,cracks,and w rink les and so on.Besides,themethod which combined manualmodification and the scale factormethod were supp lied to op timize blank sheet.In the end,the method is proves its advantages and supp lies reference fo r trial in p ractice.It can also shorten development cycle and reduce cost.

progressive stamping;carrier distortion;scale factor method;op tim ization design

TG156

1004—132X(2011)06—0723—06

2010—05—13

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006BAF02A 02);國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(007AA 042006);教育部長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(531105050037);湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題(60870002)

(編輯 蘇衛(wèi)國(guó))

聶 昕,男,1982年生。湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院講師,東風(fēng)柳州汽車有限公司博士后研究人員。主要研究方向?yàn)檐嚿斫Y(jié)構(gòu)優(yōu)化及新工藝、新材料的應(yīng)用。發(fā)表論文7篇。成艾國(guó),男,1973年生。湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授。申丹鳳,女,1981年生。湖南湖大三佳汽車技術(shù)開發(fā)有限公司碩士。