多工位级进冲压成形联动数值模拟

黄昭明, 赵恒文, 潘金元, 陈伟国

(1.河海大学文天学院 机械工程系， 安徽 马鞍山 243031；2.奇瑞汽车股份有限公司 汽车工程技术研发总院， 安徽 芜湖 241006)

以有限元法为基础的板料成形过程计算机仿真技术，为模具设计、工艺过程设计与工艺参数优化提供了科学的新途径，该技术已是解决板料复杂成形过程设计和模具设计的最有效手段.近年来，对于多工位级进冲压成形仿真，通常是采用单工序法[1-3]，即单工位非联动模拟，对成形中各个工位分别建立模具的有限元网格模型，用于各工序成形工艺优化进行了大量研究，主要是针对落料、预弯、拉延、修边、冲孔、翻边以及整形工位中出现的成形性问题，结果表明合理的冲压方向、工艺补充、压料面形状、工艺切口及回弹补偿等工艺可以有效改善其冲压成形质量[4-8].对于应用多工位全工序法[9-11]模拟板料从重力作用开始至零件最终成型的整个过程也有相关报道，结果表明该方法更接近于实际生产，但此方法的实质仍为单工位非联动模拟，无法真实、形象地揭示条料被逐步送入模具后的真实成形过程.

轿车车身钣金件主要起连接、加强及支撑等作用，通常具有较复杂的形状.鉴于单工位非联动模拟方法对复杂制件进行成形分析带来的传递问题，而导致难以进行工艺优化调整的不利局面，本文以某轿车加强板为例，以CAE仿真软件AutoForm为平台结合CAD建模软件CATIA[12]，应用多工位联动模拟方式、增量法模拟类型，研究其成形工艺方案优化问题，旨在更真实、形象地揭示板料在级进模中的成形过程与制件的工艺方案规划效果.

1 多工位联动数值模拟及模拟流程

单工位非联动模拟方式通过考察单个步距内料片在级进模各工位的模具体内依次进行的成形过程，进而评价整个级进模的性能.在AutoForm的操作方法及表现形式上，类似于非级进模的模拟过程，即将级进模按工位设置拆分相应的工序，再依照一般零件的模拟方法进行分析.多工位联动模拟方式采用数个步距长的料片作为分析对象，料片从生产起步开始被逐步送入模具进行成形，相对于单工位非联动模拟方式，多工位联动模拟方式能够更真实形象地揭示级进模的成形过程.

有限元法分析思路是把整个受力结构划分成有限多个小的力学单元，互相连接而成的集合体能提供整个结构的力学特性，其计算过程和计算结果都是一组离散的数值.由于联动与非联动模拟的受力区域面积不同，在力学单元划分精度相同时，其计算量大大增加.在借助高性能计算机进行求解的同时，板料成形多工位联动模拟分析流程尤为重要，其分析流程如图1所示.该流程主要包含建立计算模型、求解和分析计算结果3个基本部分.多工位级进模联动模拟步骤设置如下：

图1 多工位联动模拟过程分析流程Fig.1 Analysis process of multi-station linkage simulation

1)在CAD软件中根据拟定的成形工艺方案建立板料、对应的凸模和凹模的型面模型以及压边圈等模具的型面模型，然后存为IGS等文件格式，并导入AutoForm系统.

2)利用AutoForm软件提供的网格划分工具对板料、凸模、凹模、压边圈进行网格的自动划分，自动检查并修正网格缺陷.

3)定义板料及模具的属性及相应的工艺参数，完成第一工位的有限元模型，然后以继承与添加方式逐步定义至所有工序的有限元模型.

4)通过AutoForm进行运动检查，若出现模具仿真运动不符合实际冲压位置或运动过程等情况，需要进行问题排查，直至通过检查后提交计算，并分析以云图、等值线和动画等形式显示的数值模拟结果.通过反映的变化规律找到问题的所在，重新定义工具的形状、运动曲线，以及进一步设置毛坯尺寸，变化压边力的大小，调整工具移动速度和位移等，重新运算至制件成形最大厚度与最大减薄率符合产品要求.

2 加强板成形工艺分析

图2为加强板三维CATIA数模，该制件的主要成形工艺为成形、翻边和冲孔.考虑冲压的形状、立体成形冲压件展开毛坯的形状、料厚及冲压工艺工步要求，采用双件中间载体式排样，在入模带料的中间设置载体，携带工件送进.以连续冲压工艺工步设计为基础，以确保冲压件质量及其尺寸与形位精度为核心，以冲压工步顺序安排和工位间的送进方式选择为先导，以冲模选择与结构设计为目的，设计了9工位加强板双件中间载体式CATIA三维排样，如图3所示.排样的9个工位分别为：第1、2、3工位OP05、OP10、OP20为落料；第4工位OP30为翻边和修边；第5工位OP40为成形；第6工位OP50为成形；第7工位OP60为翻边和冲孔；第8工位OP70为冲孔；第9工位OP80为切断.

图2 加强板三维CATIA数模Fig.2 Three dimensional CATIA modulus of reinforced plate

图3 双件中间载体式CATIA三维排样设计Fig.3 3D Layout design of two-piece intermediate carrier

3 多工位联动数值模拟

3.1 数据准备

1)为确保冲压稳定性，按照实际模具在压机里的摆放位置，根据设计经验定义冲压坐标中心为9工位料带的第5工位定位销中心，并按料带送进方向为X坐标，冲压方向为Z坐标定义坐标方向制作工艺数模，避免从工艺数模导入AutoForm中再进行坐标变换而产生不可预见的问题.

2)进料侧设置托料装置如图4所示，模拟卷料开卷后放入多工位级进模生产的过程；所有切边线应该设计成封闭曲线，避免导入AutoForm后无法识别而终止工作.

图4 进料侧托料装置的设置Fig.4 Setting of supporting device at feeding side

3)将所有的切边线逐个以IGS文件格式导出；制件初始料片的长度按照公式“进料步距×(工位数+1)”设置为3 750.00 mm；以IGS文件格式导出料片轮廓线；标注各个工位导正/定位销中心点的坐标，以便于后期定义各工位模具有限元模型时备用.开启AutoForm，新建sim文件，导入CATIA模型文件，用壳单元自动划分成容错公差为0.1 mm、最大边长为50 mm的网格；生成CATIA模型的边界线与孔位；定义模拟类型为增量法、单动拉延、凹模侧参考模型；导入料片轮廓.材料DC04信息由AutoForm材料库导入，材料采用的是弹塑性本构关系模型，具体性能参数见表1.

表1 DC04材料力学性能参数Tab.1 Mechanical properties of DC04 material

3.2 关键工位工艺过程

1)OP05工位，冲2个定位孔并切2处边，定义OP05工位的模具与工步过程.OP05模具的位置与工步过程如图5所示.OP05落料工步由重力Gravity、第1次闭合Closing1、第2次闭合Closing2和切边Cutting共4个动作完成.料片Blank在重力动作下作用于托料板Lifter上；压料板Pad向下运动50压住料片，完成第1次闭合动作；然后压料板、料片和托料板一起向下运动150与凸模Punch接触，完成第2次闭合动作，并由2D模具切边完成切边动作.

2)OP05～OP10工位，切两处边，复制OP05的工位内容，OP10工步过程设置与OP05相同.添加2个定位销1和2，并按CATIA模型中的定位孔位置精确设置其坐标位置，定位销直径为12mm、高度为坐标点上方40mm.OP10模具和OP05相同，移位工步在开始位置只添加1次，后续会被自动复制，再增加OP10切边工步.

3)OP05～OP30工位，翻4处边并切2处边，复制OP05～OP20工位内容，在OP05～OP20的基础上增加OP30工位的部分，再增加向下和向下翻边块Steel1、Steel2，增加OP30定位销4，增加向下和向上翻边两个工步以及修边.OP05～OP30模具工步过程设置如图6所示.OP30翻边和修边工步由换位Positioning、第1次闭合Closing1、第2次闭合Closing2、第1次翻边Forming1、第2次翻边Forming2、第1次切边Cutting1、第2次切边Cutting2共7个动作完成.前3个动作与OP05相同.完成第2次闭合动作后，翻边块Steel1向下运行完成2处翻边；接着翻边块Steel2向下运行完成2处翻边；然后2D模具切边完成2次切边动作Cutting1与Cutting2.

图5 OP05模具工步过程设置Fig.5 Step process setting of OP05 mould

图6 OP05～OP30模具工步过程设置Fig.6 Step process setting of OP05 to OP30 mould

4)OP05～OP80工位，将制件从载体系带上切断，复制OP05～OP70工位内容、增加OP80模具、工步过程、定位/导向销，保存；在OP05～OP70的基础上增加OP80工位的部分，增加OP70定位销9，增加切断工步，OP05～OP80的工具有限元模型如图7所示.至此，多工位联动模拟过程的前处理工作全部完成.

图7 OP05～OP80模具有限元模型Fig.7 Finite element model of OP05 to OP80 mould

3.3 求解运算与分析

多工位联动模拟过程的前处理工作完成后，需通过AutoForm运行菜单进行检查，若出现模具仿真运动不符合实际冲压位置或运动过程等情况需要进行问题排查，直至通过检查才可提交运算.从落料到切断工位的模拟结果如图8所示.应用色带图可以直观地显示制件的成形性问题.成形性问题的具体量化可以用制件减薄率分析辅助成形极限图FLD来确定，如图9所示.

图8 OP05～OP80工位的联动模拟结果Fig.8 Linkage numerical simulation results from OP05 to OP80 stations

图9 制件的减薄率分析及成形极限图Fig.9 Thinning rate analysis and forming limit diagram of part

通过图8(i)底部颜色条可以看出料带上OP40～OP80的成形性情况.由图9可以看出，制件最大减薄率为-0.193，即制件最薄处为1.007mm，制件未开裂；起皱情况也在可接受的范围内，切断后的零件外侧翻边处及零件与载体的连接端局部成形不足，此现象是由OP30工位至OP40工位成形卸载后的回弹现象所致，且该现象在OP70工位中未被消除，而被逐步带入OP80切断工位.显然，通过分析多工位联动模拟可以揭示板料在级进模中的成形过程与制件的工艺方案连线情况，可用于指导多工位单动模拟工艺方案的进一步优化调整.对多工位单动模拟工艺优化提出的调整方案为：通过回弹补偿OP30翻边和修边工位来消除OP40成形工位的回弹现象，即在OP40成形工位中借助CAE软件计算回弹量，反向修正OP30翻边和修边模具来完成整形前模具的型面，型面修正后的模具对OP30翻边和修边工位后的制件成形能够补偿OP40成形工位的回弹量.

4 结束语

通过加强板成形工艺分析，获得了合理的9工位排样设计图，建立了9工位联动模拟工具有限元模型，并进行求解获得了OP05～OP80的模拟结果.OP80切断模拟结果与成形极限图FLD显示制件未开裂，切断后的零件外侧翻边处及零件与载体连接端成形不足.由此可知OP80的多工位联动模拟结果可以揭示板料在级进模中的成形过程与制件的工艺方案规划效果，可用于指导多工位单动模拟工艺方案的进一步优化调整.

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