基于快速仿真方法的多工位级进模条料设计

章志兵 柳玉起 杜 亭 许恒建

华中科技大学材料成形模拟及模具技术国家重点实验室,武汉,430074

0 引言

汽车车身零件大部分是冲压件,且形状都比较复杂,为了提高零件的加工效率和加工质量,很多零件采用级进模成形方式加工[1]。级进模工艺设计很复杂,往往需由经验十分丰富的技术人员完成。目前可以采用的技术手段主要是经验和简单的理论公式以及试模技术,这导致生产周期较长、产品制造成本高。

采用数值方法对冲压件成形过程进行仿真是提高设计质量和效率的有效途径,在板料成形方面主要有有限元增量法和逆算法两种数值模拟方法。在条料设计阶段,模具、工件中间构形和边界条件都是未知的,无法采用传统的有限元增量方法进行模拟。

文献[2-8]的研究主要集中在如何将冲压件展开成平面坯料上,如何快速预测连续成形过程的研究成果很少。复杂成形件或级进模成形件的中间成形过程对零件的初始坯料有较大的影响,采用传统逆算法进行整体展开难以考虑中间局部成形对中间构形的影响。例如,级进模零件上的不同成形区域需要采用不同的成形方式,整体展开时难以在局部区域分别采用不同的工艺条件。

基于此,本文根据级进模条料工艺设计流程,在有限元逆算法的基础上,提出级进模零件的多步展开算法。初步实现了级进模条料连续逆向展开,并以实际零件为例详细说明了该方法的计算流程。

1 级进模三维条料设计和基于工艺特征的多步展开

图1为典型的级进模成形件条料设计图。在设计零件成形工序时,仅仅知道最终工件的形状和尺寸,中间构形的形状是未知的,需要根据工件的工艺要求和形状特征设计出中间构形形状,如图1a中的第7步中间构形、图1b中的第4步中间构形。在设计翻边工序时,需要在中间参考面上先切料再翻边,翻边时板料可能产生较大的变形,这就需要预先精确确定切口线的三维尺寸。在局部变形较大的区域,如拉深、翻边或胀形区域,需要考虑板料的成形工艺条件和材料的成形性能等因素,预先估计局部区域的成形特征,检查工艺条件是否合理、成形性是否符合要求,避免成形时产生缺陷。因此,级进模工艺设计是一个比较困难和复杂的工作,只有经验丰富的工程师才能胜任。

针对级进模工艺设计的难点,在逆算法的基础上,提出多步展开的算法。如图1b所示,根据零件冲压工艺特征,多次逆向计算确定工件中间构形和切口线尺寸,从而既得到较高精度的初始坯料尺寸,又考虑到局部区域板料的可成形性。

2 多步展开中的关键技术要点

2.1 中间展开参考面

在展开计算模型中,需要根据局部成形区域的特征面自动确定一个中间展开参考面。对于大多数级进模零件来说,中间展开参考面可以根据最终构形的局部特征自动构造出来,例如,根据局部变形区域的边界沿切线方向构造中间形状参考面。如果零件的工艺比较复杂,也可以根据设计的要求,创建一个中间形状的参考曲面。级进模每个工步是相互关联的,只要在成形中有一个成形步有成形缺陷,都有可能需要对已经设计的工序作调整,而不仅仅是对当前有缺陷的成形步作调整,多次优化中间参考构形或成形工艺条件。

2.2 工艺条件的处理

根据零件在不同区域的成形特点,在局部区域建立有限元逆算法模型。有限元计算模型中,边界条件的处理随着不同的工艺条件而不同。胀形成形时的法兰约束力或压边力非常大,材料在法兰下几乎不流动,而拉深成形时的法兰约束力或压边力适当,材料在法兰下可以流动。因此中间形状展开时,如果展开区域属于胀形成形,可以直接在展开区域施加固定位移约束或施加很大的压边力。如果是拉深成形则按实际工艺施加适当的压边力。

板料在较大的压边力作用下,搭桥区域变形较小,近似认为板料在搭桥处的节点位移为零。计算时,在搭桥处的节点上施加固定约束。

弯曲和翻边区域需要根据实际工艺要求,设置不同压边力和润滑条件来控制弯曲和翻边区域周围板料的流动。由于不容易在模具的不同区域施加不同的润滑条件,故一般采用控制压边力大小的方法来调整板料的流动。如果希望在弯曲和翻边区域周围的材料的流动量较小,则施加较大的压边力。反之,则施加较小的压边力。

2.3 分步展开过程

对于不同的冲压工序,材料的流动过程是不同的,最终零件的成形性也会有很大的差异。因此,多步展开的顺序需要与实际制定的冲压工序相符合,不同的工艺流程对应不同的展开顺序。如果根据零件的形状特征和工艺要求,预先确定了冲压工序,那么可以采用分步展开算法从最终零件开始,按照实际的冲压工序逆向获得工件的中间工序构形形状,并评估每一步中间构形的成形性,避免成形缺陷,优化冲压工序。如果不能准确地制定全部的工序,需要采用多步展开算法从零件形状开始,逆向逐步优化每一次展开的中间参考面和工艺条件,调整冲压工艺顺序,最终得到优化的条料图。

2.4 成形性分析

多步展开算法不仅可以求得中间展开构形,也可以获得成形后各种物理量的分布情况和毛坯中间孔的变形情况,进而预测零件可能存在的各种成形缺陷(如起皱、破裂、成形不足等),以辅助零件的工艺设计。

3 级进模条料设计实例

以图2a所示级进模成形件为例,说明条料的三维设计过程。零件材料为SPCC,初始板厚为0.75mm。

3.1 成形特征的分析

级进模零件的成形方式主要包括胀形、弯曲、翻边、修边、整形等,采用多工位级进模成形方式加工,应用多步展开算法可以计算条料的关键中间构形。例如,搭桥区域(如图2a中的 H 区域),在展开计算时对应区域需要施加固定约束。对实体建模的钣金件,抽取板料的中面,在中面上进行有限元分析。

3.2 中间成形步的分步展开

按照成形特征,当前级进模成形件的条料可以分为6个主要的成形工步,具体展开步骤如下:

(1)如图3所示,先展开图2b第16步中的局部弯曲区域(图2a中的D区域),得到第15步中间构形。在D区域,板料先经过切口,然后弯曲,变形方式属于局部弯曲成形。展开计算时,将弯曲板料展开到弯曲前参考面(当前构形中为平面)上。

(2)如图4所示,展开图2b第14步中的局部翻边区域(图2中的C区域和G区域),得到第13步中间构形。

图5所示为翻边展开的逆算法模型。计算模型中,通常在翻边区域的相邻区域施加较大的压边力,防止相邻区域板料的滑动,因此在逆算法模型中,在与参考构形的相邻节点上施加固定约束。计算模型中,展开算法自动根据零件特征曲面扩展生成参考曲面。例如,根据零件上特征曲面的边界曲线沿切线方向延展生成参考曲面。对于复杂的参考构形,则需要预先设计好中间参考构形。

多步展开算法不仅可以展开中间构形和修边线,也可以模拟零件成形后各种物理量的分布情况,预测零件可能存在的各种成形缺陷,辅助零件的工艺设计。图6为翻边区域的厚向应变分布图。厚向应变模拟结果表明,板厚最大减薄量为翻边前厚度的10.7%,板料成形性较好,没有破裂的危险。板厚最大增厚量为翻边前厚度的9.5%,位于压缩翻边区域,由于增厚量偏大,成形过程中有起皱的危险。

(3)如图7所示,展开图2b第12步中的局部展开弯曲区域(图2a中的F区域),得到第11步中间构形。展开过程与步骤(1)相同。

(4)如图8所示,展开图2第10步中的局部展开弯曲区域(图2a中的B区域),得到第9步中间构形。展开过程与步骤(3)相同。

(5)展开步骤(3)中的局部翻边区域(图2a中的E区域),得到第2步中间构形。此工步是在切口前进行的,因此它属于局部胀形成形模式。局部胀形时,板料在压边力和摩擦的作用下,仅在局部区域产生变形。在建立计算模型时,在成形区域周围施加压边力,同时在稍远一点的外围区域节点上施加固定约束。模拟结果如图9所示,板料最大厚向应变超过—30%,板料过度减薄,存在破裂的危险,这时可能需要减小压边力或分两次成形这两个胀形区域。

(6)展开步骤(1)中的局部翻边区域(图2a中的A区域),得到初始平板坯料。处理过程与步骤(5)处理过程相同。这个工步也是在切口前进行的,变形模式属于局部胀形成形模式。模拟结果如图10所示,板料最大厚向应变约为—20%,说明板料胀形后的成形性较好。

从初始零件形状开始,根据前面的6个工步展开结果,可以完成图 2b条料中工步 15、13、11、9、2、1的关键构形形状设计,其余工步为切边或整形工步,这些工步与中间构形形状设计无关。

展开模拟过程中没有考虑整形和切边回弹对中间构形的影响。由于采用板壳单元模型不能准确模拟整形和切边回弹过程的三维变形模式,展开计算过程存在一定误差。

如图11所示,采用多步展开算法计算得到的毛坯轮廓线与实际采用的轮廓线基本吻合。误差最大值为0.95mm,主要集中在 A1、A2、B1和B2处。实际生产中对坯料轮廓进行了简化处理,将曲线近似处理为直线,导致这4处的坯料尺寸小于模拟计算的尺寸,这样必然导致成形后的零件在这4个区域的形状尺寸与设计尺寸有误差,比设计尺寸小。如果考虑这个因素,算法展开得到的坯料形状与实验数据基本一致。

4 结束语

针对复杂级进模零件的中间构形展开,尤其是包含自由曲面的中间构形展开问题,采用多步展开方法,根据级进模零件的冲压工艺特征,按照冲压工艺顺序,在局部区域建立有限元逆算法模型,依次在局部区域逆向展开,得到中间关键构形。可以提高有限元逆算法的模拟精度,使其与多工位级进模成形工艺更加一致。

结合多工位级进模条料设计的特点,基于有限元逆算法,开发了一种基于工艺特征的多工位级进模条料多步展开算法。该算法不仅计算速度快,而且可以综合考虑搭桥、压边力、摩擦等实际工艺条件,可以比较精确地预测中间工步的成形性和中间构形。

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