周雄新，歐笛聲

（廣西工學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，柳州 545006）

0 引言

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，為快速響應(yīng)新型汽車開發(fā)的需求，其模具設(shè)計(jì)制造的周期要求越來(lái)越短。單一階段的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具制造等的周期已經(jīng)難以壓縮，多階段并行進(jìn)行，即并行工程的應(yīng)用將成為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的主要方式。并行工程是相對(duì)于傳統(tǒng)的串行技術(shù)而提出的一種新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造模式，是一種系統(tǒng)的集成方法，它采用并行方法處理產(chǎn)品設(shè)計(jì)及相關(guān)過程，包括制造和支持過程[1]，著眼于產(chǎn)品開發(fā)的大局而不是局限于某個(gè)設(shè)計(jì)階段，可協(xié)調(diào)處理設(shè)計(jì)、制造以致服務(wù)等整個(gè)產(chǎn)品生命周期的各種問題，是制造企業(yè)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段。

1 沖壓模具設(shè)計(jì)制造的并行工程

為保證能夠生產(chǎn)出合格的沖壓件，除需要有合理的沖壓件結(jié)構(gòu)之外，還需要模具結(jié)構(gòu)符合沖壓工藝的要求。傳統(tǒng)的串行生產(chǎn)技術(shù)，其模具設(shè)計(jì)與制造過程相互獨(dú)立，即根據(jù)產(chǎn)品數(shù)模設(shè)計(jì)并制造出模具后，進(jìn)行產(chǎn)品試制，然后對(duì)試制產(chǎn)品出現(xiàn)的各種缺陷成因進(jìn)行分析，再修改其工藝及模具。汽車覆蓋件為空間曲面結(jié)構(gòu)，形狀復(fù)雜，影響其成形的因素較多，難以確定引起成形缺陷的具體原因，只能反復(fù)對(duì)模具進(jìn)行修改、調(diào)試，再試制，如此反復(fù)，直到?jīng)_壓出合格的產(chǎn)品。模具調(diào)試、修改的過程全憑經(jīng)驗(yàn)，致使模具制造周期長(zhǎng)、成本高，生產(chǎn)質(zhì)量較難保證，無(wú)法適應(yīng)快速響應(yīng)市場(chǎng)的要求。

并行工程的運(yùn)用可以有效解決上述問題，其在沖壓模具設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在：借助計(jì)算機(jī)輔助工程、虛擬制造等現(xiàn)代技術(shù)，模具設(shè)計(jì)制造人員和產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員共同參與沖壓產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)，在設(shè)計(jì)階段就可預(yù)見產(chǎn)品成形和模具制造中可能出現(xiàn)的問題，可協(xié)同對(duì)產(chǎn)品數(shù)模和模具方案進(jìn)行修訂，共同解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、模具制造到產(chǎn)品生產(chǎn)全過程的問題，把問題解決在設(shè)計(jì)階段。在模具制造出來(lái)后，只需簡(jiǎn)單的調(diào)試甚至不需調(diào)試即可投入生產(chǎn)，并可最大限度地保證產(chǎn)品質(zhì)量。并行工程的應(yīng)用可以有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 并行工程在沖壓模具設(shè)計(jì)制造中的運(yùn)用

2.1 零件分析

某汽車大地板外側(cè)梁分為左/右件，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，如圖1所示。零件材料為ST13，含碳量≤0.08%，屬低碳鋼，板厚為1.4 mm，延伸率≥32%，沖壓加工性能良好。屈服強(qiáng)度≤250 MPa，抗拉強(qiáng)度為270～370 MPa，彈性模量為207 GPa，塑性硬化指數(shù)為0.237，厚向異性指數(shù)為2.295。其硬化指數(shù)在鋼材中是比較高的，且材料成形極限較大。

若對(duì)左/右梁?jiǎn)为?dú)成形，就需要對(duì)該兩個(gè)零件進(jìn)行工藝補(bǔ)充，會(huì)引起材料利用率低的問題，且需要制造兩套模具，生產(chǎn)成本較高。考慮到兩個(gè)梁結(jié)構(gòu)左右完全對(duì)稱，本文采用一模兩件，即把左/右梁拼接為一件一次沖壓成形，成形后再剖切為左/右兩件。該零件的沖壓工藝為：下料、拉延、沖孔與修邊、剖切。

圖1 產(chǎn)品數(shù)模

2.2 拉延件的工藝補(bǔ)充

在構(gòu)造出拉延形狀、確定沖壓方向后，制出外側(cè)梁的拉延工藝補(bǔ)充和壓料面[2]，如圖2所示。拉延件的數(shù)學(xué)模型在X、Y方向最大展開尺寸為：916.28 mm，113.35 mm，考慮壓料的需要，取毛坯尺寸為：925 mm×135 mm。該零件的右邊側(cè)壁比左邊高，最大差值為5.63 mm，毛坯中心與壓力中心有一定的偏離，取偏心距為2.5 mm ，則毛坯Y方向上的尺寸為70 mm，-Y方向上的尺寸為65 mm。

圖2 拉延工藝補(bǔ)充數(shù)模

2.3 拉延成形的數(shù)值模擬

本例采用DYNAFORM軟件作為前后處理工作平臺(tái)，采用LS-DYNA作求解運(yùn)算，對(duì)大地板外側(cè)梁的拉延成形工藝進(jìn)行有限元分析。

將圖2所示的拉延工藝補(bǔ)充數(shù)模以IGES文件格式導(dǎo)入DYNAFORM軟件。用“曲面網(wǎng)格化”工具自動(dòng)劃分工具網(wǎng)格，網(wǎng)格最大尺寸設(shè)置為10 mm，其它參數(shù)為默認(rèn)值。用“坯料網(wǎng)格生成”工具自動(dòng)生成板料網(wǎng)格，單元大小為6 mm。用“顯示邊界”方法檢查網(wǎng)格上的間隙、孔洞和退化的單元。對(duì)于較大的孔洞，采用“曲面網(wǎng)格劃分”的方法局部重新生成單元。對(duì)于細(xì)小的裂痕，用“修補(bǔ)裂紋”功能進(jìn)行修補(bǔ)，且注意保持曲面的光順性。

新建零件層，用“分離零件層的”方法分離出凸模有限元模型和壓邊圈有限元模型，如圖3和圖4所示。凹模由DYNAFORM自動(dòng)“裝配”而成，不需要專門建立。在“快速設(shè)置/拉延”對(duì)話框的Bland、Binder、Lower Tool各選項(xiàng)中分別指定板料、壓邊圈、凸模有限元模型，建立虛擬裝配的拉延模。

圖3 凸模有限元模型

圖4 壓邊圈有限元模型

根據(jù)ST13板料定義材料參數(shù)，壓力機(jī)參數(shù)定義設(shè)定為：?jiǎn)蝿?dòng)沖壓，沖壓速度為250 mm/s，壓邊圈閉合速度為250 mm/s，壓邊力為120 kN。

求解運(yùn)算后，可獲得拉延成形極限圖和厚度分布圖[3]，如圖5和圖6所示。圖5中不同顏色的區(qū)域表示沖壓零件的不同變形結(jié)果，圖中沒有出現(xiàn)紅色的破裂區(qū)，預(yù)示零件不會(huì)發(fā)生破裂；局部存在粉紅色的起皺區(qū)和藍(lán)色的起皺危險(xiǎn)區(qū)，預(yù)示零件會(huì)出現(xiàn)起皺現(xiàn)象；存在大面積的灰色成形不良區(qū)，預(yù)示零件大部分變形不充分，不能達(dá)到加工硬化改善材料性能的目的，會(huì)增加模具設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試的難度。

圖5 成形極限圖

圖6 厚度分布圖

對(duì)板料成形而言，要求板料變薄率控制在30%以內(nèi)[4]。由圖6的板厚分布圖可知，該拉延件的最厚處為1.464mm，最薄處為1.269mm，厚度變化不夠均勻，板料的最大變薄率為9.3%，在合理范圍之內(nèi)。

2.4 工藝改進(jìn)

數(shù)值模擬結(jié)果表明，該零件在壓延成形過程中，其大部分區(qū)域變形不充分，局部有起皺缺陷。起皺是由于局部壓應(yīng)力過大引起薄板失穩(wěn)所致。起皺雖然不像破裂那樣削弱零件的強(qiáng)度和剛度，但它影響零件的精度和美觀性，如果在中間工序發(fā)生起皺還可能影響下一道工序的正常進(jìn)行。要解決失穩(wěn)起皺問題，需針對(duì)具體問題進(jìn)行具體分析，判別其起皺的原因、影響因素，并制定相應(yīng)的改進(jìn)措施。在可采取的措施中，按實(shí)施難易程度排序[5]如下：改變壓邊力、增設(shè)或修改拉延筋、修改模具的圓角、更換材料、改變模具結(jié)構(gòu)。并行工程的應(yīng)用，可盡量避免采用難度較大的模具結(jié)構(gòu)改變，以及經(jīng)濟(jì)性不佳的更換較好的材料等措施。下面根據(jù)從易到難的原則采取措施抑制薄板起皺現(xiàn)象，改善零件成形效果。

通過加大壓邊力以增加起皺處的法向接觸力。把壓邊力加大至300KN，其他沖壓參數(shù)和材料參數(shù)不變，成形分析結(jié)果如圖7所示。由該圖可知，板料局部仍存在粉紅色的起皺區(qū)和藍(lán)色的起皺危險(xiǎn)區(qū)，加大壓邊力的方法對(duì)控制起皺的效果并不理想，且不能有效改善局部變形不充分的現(xiàn)象。文獻(xiàn)[5]也指出，加大壓邊力的方法并不能很好地控制薄板凸緣的起皺。

圖7 壓邊力為300KN的成形極限圖

在壓料面上設(shè)置拉延筋的主要目的：一是增加進(jìn)料阻力，使拉延件在拉延時(shí)承受較大的拉應(yīng)力，使材料發(fā)生合理的塑性變形，提高拉延件的剛度和減少回彈引起的凹陷、扭曲、松弛及波紋等缺陷；另一方面，通過拉延筋可以調(diào)節(jié)各部位的進(jìn)料阻力，使材料流入凹模的量更適合工件各處的需要，防止“過多則皺，過少則裂”的不良現(xiàn)象。

利用DYNAFORM軟件提供的拉延筋生成辦法構(gòu)造出如圖8所示的拉延筋[6]，該拉延筋中心線距板料邊界18mm。對(duì)添加了拉延筋的工藝補(bǔ)充數(shù)模進(jìn)行成形分析，結(jié)果如圖9和圖10所示。由圖9可知，在壓料面設(shè)置拉延筋后，有效地控制了起皺的發(fā)生，且零件各部分變形充分，達(dá)到加工硬化及提高表面質(zhì)量的作用。由圖10可知，材料各部分厚度變化較均勻，在零件有效區(qū)域沒有出現(xiàn)局部過薄的問題，符合拉延制件的要求。

圖8 拉延筋及其參數(shù)

圖9 改進(jìn)后的成形極限圖

圖10 改進(jìn)后的厚度分布圖

3 結(jié)論

針對(duì)某型汽車大地板左/右外側(cè)梁沖壓件的設(shè)計(jì)階段采用并行工程技術(shù)進(jìn)行拉延成形的工程性評(píng)價(jià)，在模具制造前通過成形模擬就可預(yù)見產(chǎn)品的成形性，方便及時(shí)修改設(shè)計(jì)方案，消除模具設(shè)計(jì)制造中可能導(dǎo)致沖壓件出現(xiàn)嚴(yán)重質(zhì)量缺陷的隱患；模具制造好之后，只需少量試模與修模便可投入使用，并可獲得高品質(zhì)的產(chǎn)品，減少試模與修模的工作量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本。并行工程技術(shù)的應(yīng)用，是模具制造企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本的有效途徑。

[1] 熊光楞. 并行工程的理論與實(shí)踐[M]. 北京清華大學(xué)出版社, 2000.

[2] Wei Liu, Yuying Yang. Multi - objective optimization of an auto panel drawing die face design by mesh morphing [J].Computer, 2007, 39(10): 863-869.

[3] 楊化林, 鄧芳, 翟紅巖, 等. 基于統(tǒng)一裝配模型的模架設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J]. 工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào), 2009, 16(1): 38-43.

[4] 姜銀方, 袁國(guó)定, 等. 沖壓模具工程師手冊(cè)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011.

[5] F.-K. Chen, Y.-C. Liao. An Analysis of Draw-Wall Wrinkling in a Stamping Die Design [J] . The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2002,19(4): 253-259.

[6] 胡盛文. 基于并行工程的產(chǎn)品開發(fā)過程建模及應(yīng)用研究[D]. 南昌大學(xué), 2009.