文/張國(guó)兵、陳文琳、徐迎強(qiáng)、趙烈偉、崔禮春·安徽江淮汽車股份有限公司

汽車車身沖壓零件多工位級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)與應(yīng)用

文/張國(guó)兵、陳文琳、徐迎強(qiáng)、趙烈偉、崔禮春·安徽江淮汽車股份有限公司

張國(guó)兵，沖壓工藝主管，工程師，主要從事車身沖壓工藝文件編制、工藝驗(yàn)證、品質(zhì)基準(zhǔn)書編制及公差分析工作，參與調(diào)試的瑞風(fēng)S5項(xiàng)目獲得公司年度“管理、創(chuàng)新、成果”項(xiàng)目匯報(bào)評(píng)比一等獎(jiǎng)，主持完成調(diào)試的瑞風(fēng)M3項(xiàng)目獲得安徽省省級(jí)科技成果獎(jiǎng)，擁有3項(xiàng)專利。

本文分析了汽車支架零件的外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定了該零件的成形工藝，并通過排樣分析給出了零件排樣圖。利用有限元分析軟件對(duì)其沖壓成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果（成形極限圖及材料變薄率）對(duì)成形工藝及工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將優(yōu)化結(jié)果用于指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)工作。

多工位沖壓具有效率高、質(zhì)量好、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，是制造業(yè)經(jīng)常采用的冷沖壓工藝，但多工位沖壓模具與普通單工位模具有許多不同。

多工位級(jí)進(jìn)模又稱連續(xù)模、跳步模，它是在一副模具中，按所加工的工件分為若干等距離的工位，在每個(gè)工位設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)基本沖壓工序來(lái)完成沖壓件某部分的加工，它是在單工位沖壓模具基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的多工序集成模具，是沖壓工藝的發(fā)展方向之一。隨著我國(guó)汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，企業(yè)之間競(jìng)爭(zhēng)激烈程度的持續(xù)加劇，零件質(zhì)量和成本控制顯得尤為突出重要，級(jí)進(jìn)模將成為該行業(yè)沖壓模具的重點(diǎn)發(fā)展方向。

零件工藝性分析

圖1為支架零件圖。單車型多處使用且多車型共用，現(xiàn)有沖壓件模具使用年限較長(zhǎng)，無(wú)法繼續(xù)滿足新老車型的大量使用，故在新車型開發(fā)階段考慮能夠滿足大批量生產(chǎn)的級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)。該零件比較簡(jiǎn)單，僅有一處沖孔和一處彎曲，但零件彎曲為90°，對(duì)沖孔位置精度要求較高。

圖1 支架零件圖

零件排樣分析

多工位較普通單工位一個(gè)明顯的特點(diǎn)就是排樣設(shè)計(jì)，排樣設(shè)計(jì)的原則除了遵循普通沖壓排樣的原則外，還要考慮以下內(nèi)容：

1）工序安排。沖裁工序盡量避免采用復(fù)雜形狀的凸模，如果形狀復(fù)雜，寧可多加一個(gè)工序用來(lái)簡(jiǎn)化凸模形狀。為了保證模具強(qiáng)度和設(shè)變需求，料帶上應(yīng)視情況適當(dāng)預(yù)留空工位，空工位就是不做任何沖壓工序的一個(gè)工位。

對(duì)于彎曲類零件，應(yīng)在切除彎曲部位周邊的廢料后進(jìn)行彎曲，然后再切除其余廢料。對(duì)于有沖孔的彎曲件，如果彎曲工序可能影響孔的位置精度或形狀時(shí)，應(yīng)考慮先折彎后沖孔或者在折彎處壓線以減少折彎對(duì)沖孔的影響。對(duì)于不對(duì)稱的彎曲，工件易于滑動(dòng)，因此可以對(duì)零件進(jìn)行對(duì)稱彎曲，然后將用于彎曲的一邊切除，如果零件較小，也可考慮用對(duì)排保證料帶及零件的穩(wěn)定。

2）導(dǎo)正孔的設(shè)計(jì)。級(jí)進(jìn)模中導(dǎo)正銷是非常重要的，導(dǎo)正銷孔用來(lái)做級(jí)進(jìn)模中的精定位，一般在第一步就要沖出導(dǎo)正銷孔，從第二工位開始使用導(dǎo)正銷。導(dǎo)正銷孔一般開在廢料上，如用零件上的孔做導(dǎo)正銷孔的話，應(yīng)注意孔與定位銷之間的精度，同時(shí)還應(yīng)注意，被借用的孔經(jīng)導(dǎo)正后，會(huì)損壞孔的精度甚至變形，應(yīng)考慮后序精沖。

3）料帶的連料。在級(jí)進(jìn)模中，為了保證級(jí)進(jìn)沖裁的流暢性，料帶必須要有足夠的強(qiáng)度和剛度，這主要決定于料帶連料部分的強(qiáng)度和剛度。限于工件形狀和工序的要求，連料的形式也各不相同，有雙側(cè)連料、中間連料、單側(cè)連料等。最理想的是雙側(cè)連料，因?yàn)檫@樣對(duì)零件的送料、導(dǎo)正和定位來(lái)說(shuō)都是有利的；單側(cè)連料對(duì)零件最不利。

根據(jù)該支架零件的外形特點(diǎn)，單件為不對(duì)稱彎曲，成形時(shí)工件易滑動(dòng)質(zhì)量無(wú)法保證，又因該零件較小，考慮采用對(duì)排保證零件及料帶的穩(wěn)定。由于該零件料厚為1.5mm，對(duì)排后中間連料方案料帶的剛性可以滿足送料要求。綜上考慮，選定的排樣方案為10個(gè)工位（圖2），各工位依次為：沖導(dǎo)正銷孔、切邊、切邊、切邊、翻邊、切邊、空位、成形、精沖孔、切斷。

圖2 排樣工藝圖

支架有限元模型建立與沖壓成形仿真

參數(shù)設(shè)定

該支架的材料為SPCC，料厚為1.5mm，其材料的物理性能見表1。

表1 材料的物理性能

有限元建模

有限元模型如圖3所示，模具采用正裝結(jié)構(gòu)，凸模、凹模選為剛性材料，模具運(yùn)動(dòng)類型為single action，自適應(yīng)網(wǎng)格重劃次數(shù)為4，時(shí)間步為15，板料單元厚向積分點(diǎn)數(shù)為6。板料采用等向強(qiáng)化模型。

圖3 模擬成形有限元模型

模擬結(jié)果及分析

模擬結(jié)果如圖4所示，零件R角中間位置存在凹凸造型，變形充分，未出現(xiàn)工藝缺陷，圖中safe所在位置；零件兩側(cè)中間位置型面整個(gè)過程保持平整，未產(chǎn)生變形，圖中Insuff stretch所在位置；但零件R角處兩側(cè)位置在第二序成形過程中，存在多料問題，成形后產(chǎn)生起皺缺陷，圖中thicking所在位置。因此在該位置前序落料時(shí)增加工藝缺口，使該處成形得到改善，起皺缺陷消除。

圖4 模擬結(jié)果

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)AUTOFORM分析，在排樣的基礎(chǔ)上，模具結(jié)構(gòu)如圖5所示。該支架多工位級(jí)進(jìn)模采用獨(dú)立式對(duì)角導(dǎo)柱模架，導(dǎo)向精度較高。各工位凸凹模通過固定板分別安裝在上下模部分，在模座與固定板之間加裝墊板，材料為45鋼調(diào)制處理，起緩沖作用及防止模座變形。

導(dǎo)向裝置

該支架單邊沖裁間隙為0.045～0.075 mm，其中料厚為1.5mm，取沖裁間隙為0.06 mm。為保證沖裁工位始終具有合理而均勻的間隙，需要提高模具的導(dǎo)向精度，為此選用高精度等級(jí)的獨(dú)立式滾珠導(dǎo)柱對(duì)角布置。由于支架尺寸小，沖導(dǎo)正孔、沖廢料邊等刀塊尺寸較小，為防止刀塊工作時(shí)因強(qiáng)度和剛度不足而變形甚至折斷，設(shè)計(jì)了輔助導(dǎo)向裝置，即壓料板和凹模固定板導(dǎo)向裝置。在固定板上安裝了四對(duì)內(nèi)導(dǎo)柱、導(dǎo)套，模具工作過程中，對(duì)凸、凹模進(jìn)行導(dǎo)向，確保上、下模對(duì)中，凸、凹模間隙均勻，提高了模具的導(dǎo)向精度，從而提高了零件的尺寸精度。

圖5 模具結(jié)構(gòu)圖

定位裝置

帶料采用浮動(dòng)導(dǎo)料桿與導(dǎo)正銷相結(jié)合的定位方式。帶料送進(jìn)時(shí)由兩邊浮動(dòng)導(dǎo)料桿進(jìn)行粗定位，經(jīng)工位1沖出導(dǎo)正孔，而后由兩邊均布的導(dǎo)正銷進(jìn)行精確定位，從而保證每沖裁一次帶料送進(jìn)一個(gè)步距。這種定位方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精確且生產(chǎn)效率高。

卸料裝置

沖壓后帶料會(huì)卡在凸模上，為保證上模順利回程進(jìn)行下一次沖壓，帶料需從凸模上卸下使其留在下模。模具設(shè)計(jì)了卸料裝置，由彈簧和卸料板組成，模具閉合時(shí)，彈簧壓縮；當(dāng)模具打開上模回程時(shí)，彈簧恢復(fù)使卸料板相對(duì)于上模向下運(yùn)動(dòng)將帶料從凸模上卸下。沖壓前卸料板與凹模先行壓緊條料，又有壓料作用，可使零件和帶料平直，保證零件尺寸精度。

工作部件

各沖裁、成形凸模均以過盈配合加底部凸肩方式固定于上模，模具加工簡(jiǎn)單、裝配方便，且便于調(diào)整和修配。凹模均采用鑲塊結(jié)構(gòu)，將易磨損或難以加工部分以鑲件形式嵌入，降低加工難度，便于刃磨和維修，節(jié)省生產(chǎn)成本。

實(shí)物及生產(chǎn)驗(yàn)證

模具實(shí)物如圖6所示，利用該模具進(jìn)行了零件試制，試制零件如圖7所示。將試制件與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，表明仿真結(jié)果與模具生產(chǎn)的零件吻合程度較高，如實(shí)反映了零件成形過程中板料的變形情況。

圖6 模具實(shí)物圖

圖7 生產(chǎn)實(shí)物圖

結(jié)束語(yǔ)

(1)應(yīng)用AUTOFORM對(duì)支架的沖壓成形過程進(jìn)行了成形仿真分析，以直觀的圖像反映了該零件成形過程中厚度的變化情況，為模具設(shè)計(jì)提供了參考。

(2)AUTOFORM同步計(jì)算坯料展開尺寸，提高了坯料尺寸精度，得到了合理的坯料形狀。

(3)根據(jù)成形仿真分析所確定的成形工藝參數(shù)，進(jìn)行了級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)與制造，并對(duì)零件進(jìn)行了試制，進(jìn)一步驗(yàn)證了分析結(jié)果，利用該成形工藝能夠順利獲得符合設(shè)計(jì)要求的零件。

(4)該級(jí)進(jìn)模經(jīng)實(shí)際使用證明，模具結(jié)構(gòu)合理可靠，安全性好，維修方便，使用壽命長(zhǎng)，完全滿足了大批量生產(chǎn)的需求。對(duì)相似零件的模具設(shè)計(jì)，具有較好的參考價(jià)值。

綜上所述，在模具設(shè)計(jì)過程中，基于有限元法的數(shù)值仿真技術(shù)，可以確定合理的沖壓工藝和參數(shù)，避免反復(fù)試模和修模，縮短模具開發(fā)周期，提高零件成形質(zhì)量。