多工位级进冲模模具结构分析及优化关键技术研究

许景华

摘要：随着制造行业不断发展，企业对于制造成本与生产效率的重视程度日益增加。相比于传统冲模，级进模可以减少所需工人数量，降低制造成本，但级进模存在精度与质量问题。对此，本文基于汽车底梁加固件级进模，提出一种使用有限元模型控制模具重量的优化方法，促使模具重量减少13.22 %，变形量降低13.73 %。

关键词：冲模模具;结构分析;优化技术

中图分类号：TG385                文献标识码：A

在汽车工业不断发展的过程中，开始呈现出强度高、重量轻的发展趋势。这是政府和环保部门提出的要求，也是市场选择。虽然通过高强度材料能够有效减小汽车重量，但其制造难度也随之增加。开展高强度材料冲压活动时，冲模所承受的荷载情况较为复杂，为了有效提高模具强度，设计人员通常会对安全系数进行调整，然而这样会导致模具规格增加，影响精度，使生产成本增加，所以需要积极地进行优化[1]。

1  多工位级进冲压模具的结构分析

要想充分优化模具，应该认真分析模具结构，本文以汽车底梁加固件模具为例，展开详细研究。

1.1  下模结构分析

对于级进模下模模具，结构方面主要包括架立板、架上板、垫板、下模等部分。通过选择有限元建模方式进行分析，上下模具分析过程并无较大差异。但是，下模立板设计过程相对较为复杂，需要考虑大量工艺条件对其的影响，所以，本文选择下模模具进行有限元建模分析。

首先，网格划分。借助Hypermesh软件对立板、上板、垫板以及凹模展开网格划分，获得汽车梁底板的有限元网格分析模型。其次，设置材料参数。按照不同组件实际材质构建材料属性，同时向不同组件赋予相应材料属性[2]。再次，定义接触。先对接触面进行创建，然后进行接触关系设定。最后，构建约束与载荷。实施约束条件，对压力机台面的下表面自由度进行约束。载荷主要是由自身重力、映射工具形成的成形力与冲裁力构成。

在多工位级进冲压过程中，板料成形属于动态过程，在各个冲压时刻中，模具结构实际受力情况存在一定差异，但是，结构分析工作属于静态过程。如果分析所有冲压时刻，则会严重增加计算时间。所以，可以重点挑选受力较大工况开展结构分析工作，通过与压力机滑块4点的实际距离进行工况标定[3]：

（1）与下死点相距8.0 mm，级进模开展2-3工位的冲裁半圆孔与外轮廓工序、12工位的落料切断工序;（2）与下死点相距7.4 mm，级进模开展1-3、6、11、12总计6个工位的冲裁工序冲压;（3）与下死点相距7.0 mm，级进模开展1-3、6、11、12总计6个工位的冲裁工序冲压;（4）与下死点相距0 mm，工位4、5、7、9、10工位中成形力达到最大值。提交给HyperWorks/Radioss软件进行运算，表1为不同工况中下模具变形量最大值。

通过表1能够发现，基于工况1条件，在第3工位的外轮廓冲裁位置的模具结构变形量达到最大数值，具体为0.816 mm;基于工况2条件，第2工位的外轮廓冲裁位置，模结构变形量达到最大值，具体为0.057 3 mm;基于工况3条件，第6工位的冲裁位置模具结构变形量达到最大值，具体为0.047 1 mm;基于工况4条件，第9工位的整形位置模具结构变形量达到最大值，具体为0.053 0 mm。由此可见，不同工况条件下产生的最大变形量各有不同，最大变形量受到工况条件、位置等影响。

1.2  上模结构分析

在传统汽车底梁多工件级进模的上模中，通过模架立板可对闭合高度进行调整，立板设计通常会根据设计人员进行布置，较为密集，使得材料成本不断增加。所以，在传统模架立板基础上进行拓扑优化，借助静力分析级进模上模结构，对其结构位移量情况进行深入分析，为其优化参数提供有益参考[4]。

底梁加固件的级进模上模结构有限元建模和下模结构并无较大差异，借助Hypermesh软件，对上模结构展开网格划分，构建边界条件与约束条件，进行接触关系定义以及材料参数设置，选取受力最大的4个工况，按照具体工况进行有限元模型构建。提交给HyperWorks/Radioss软件进行运算，表2为不同工况中上模具变形量最大值。

通过表2能够发现，基于工况1条件，第1工位的半圆孔冲裁凸模位置模具结构的变形量达到最大值，即0.008 1 mm;基于工况2条件，第6工位的冲孔凸模位置模具结构变形量达到最大值，即0.047 3 mm;基于工况3条件，第6工位的冲孔凸模位置模具结构变形量达到最大值，即0.041 0 m;基于工况4条件，第9工位的整形位置模具结构变形量达到最大值，即0.037 1 mm。由此可见，不同工况条件下产生的最大变形量各有不同，变形量受到工况条件和位置的影响。

2  某汽车底梁级进模具的结构优化

2.1  下模拓扑优化

对于拓扑优化手段，主要将材料分布情况作为优化目标，不断提高区域内材料分布合理性与科学性。构建拓扑优化的有限元模型过程中，上模结构与下模结构的拓扑优化并无较大差异。其优化建模涵盖4个部分：（1）设计工件，对拓扑优化进行定义;（2）进行约束条件设置;（3）进行载荷分析初步定义;（4）进行优化参数设置，本文主要选择下模具进行拓扑优化的建模过程。

拓扑优化定义：将优化目标选为立板结构，并设计可设计空间，从两侧排出成形废料，在末端落料位置将成品排出，同时进行排料间隙預留，宽度需要超出10 mm，通过预留空间为安装氮气弹簧提供保障，确保可设计空间能够得到有效保持。

约束条件设置：使用拓扑优化的过程中需要对优化结果加工型进行深入分析。若是无法通过现有工艺进行制造或加工成本较高，则优化结果的应用价值较低。对于拓扑优化，借助HyperWorks/OptiStruct软件进行工艺约束条件设置，进而实现对零件加工性考虑，例如拔模约束、模式组以及其他约束条件。对于立板的设计空间，其有限元网格尺寸是15 mm，成员尺寸最大值是120 mm，最小值是60 mm，z轴正方向为拔模方向。

载荷分析步定义：将上述下模结构的特征向有限元模型中进行载荷映射，同时对其相应载荷状态和冲床下台面实际约束进行组合，建立基于拓扑优化条件的载荷分析部，进而建立基于拓扑优化下的边界条件。

优化参数的设置：将优化之前的模具结构分析数据作为基础，对优化参数展开科学设置。通过立板的可设计空间对下模立板进行替换，并通过有限元模式进行网格划分，同时，选择上述下模结构分析中的数据进行设置，借助HyperWorks/Radioss软件对不同工况下的模具结构进行分析。

在优化之前，第3工位的外轮廓冲裁刃口位置下模结构变形量达到最大值0.071 8 mm。通过传统级进模中结构分析数据可以发现，结构变形量的最大值是0.081 6 mm。两者相比，优化前的变形量最大值更小，表明根据传统方法进行级进模下模结构设计的刚度更加突出。所以，对下模结构展开拓扑优化的过程中，应该以原有刚度为前提，对结构重量进行控制。对于拓扑优化，若是将目标函数选为体积，则设计改变的敏感较低，所以在下模结构进行拓扑优化的过程中，目标函数选为体积。

下模结构优化阐述一般是设置目标函数与优化相应。在立板的可设计空间中可以进行体积分数相应定义，类型设定成Volunmefrac。根据工况划分结果，进行位移相应定义（数量4个），选择传统级进模下模节点位移最大值作为位移约束实际上限值。选择可设计空间中的体积分数为目标函数，保证各个约束条件得到满足，促使可设计空间的体积分数达到最小值，并设定成拓扑优化目标函数。

通过HyperView将分析数据文件夹中的.mvw文件打開，即能够处理拓扑优化的具体结果。对阈值滑块进行调节，即可以对各个单元密度条件下的材料分布情况进行查看。

2.2  上模拓扑优化

上模结构的拓扑建模和下模结构拓扑建模并无较大差异，涵盖参数优化、载荷分析不定义、约束条件设置以及设计空间四部分。开展上模架立板可设计空间设计工作室，需要对导柱与氮气弹簧安装空间进行充分考虑，对可设计空间进行充分保持。

将上模结构优化前的分析数据作为参考，合理设置优化参数。对于传统级进模架立板，通过上模架立板的可设计空间进行替代，并分析上模结构，选择和1.2中上模结构相同参数设置以及便捷条件。对于4个工况条件优化之前，第6工位的冲孔工序冲裁凸模位置上模结构变形量达到最大值0.047 30 mm。通过1.2上模结构的分析数据能够发现，上模结构变形量最大值是0.473 3 mm。优化前变形量最大值和原结构之间并无较大差异，所以，对上模结构展开拓扑优化的过程中，同样以保证原有刚度不受损情况下，将控制结构重量作为主要目标。

上模立板中，可设计空间的网格规格是15 mm，成员尺寸最大值是120 mm，成员尺寸最小值是60 mm，z轴正方向为拔模方向。根据工况划分结果，进行位移相应定义（数量4个），选择传统级进模下模节点位移最大值作为位移约束实际上限值。选择可设计空间中的体积分数为目标函数，借助HyperWorks/OptiStruct软件，迭代求解上模拓扑模型。

2.3  级进模模具优化再设计

拓扑优化属于概念性方法，借助得到给定区域内的材料分布最优方法，获得理论层面的结构设计方案。其能够减少设计人员在经验方面的依赖程度，为多工位级进模提供全新设计想法。所以，应该以级进模结构分析数据为基础，结合拓扑优化情况，并将优化所获得的最优分布方法作为重要依据，合理地设计上模与下模的架立板结构，进而获得相应优化结构。在设计过程中需要遵循相应原则：第一，与迭代计算所获材料分布最优方式相符;第二，保证再设计结构的完整性;第三，遵循便于加工与等效简化原则。

在HyperWorks软件中，Ossmooth单元能够根据单元密度结构进行封闭等值曲面构建，并对原边界条件进行自动保留。借助Ossmooth单元能够把超出某个单元密度值的几何模型采用*.Iges格式进行储存，进而向UG软件输入拓扑结果展开再设计工作。比如在下模架立板优化中，借助Ossmooth单元进行单元密度超出0.10模型构建，通过*.Iges格式进行保存，同时向UG软件进行输入，见图1。

结合相应再设计原则，将材料分布的最优方法作为重要依据，同时对叉车货叉工作空间以及下模架立板安装进行充分考虑，合理再设计架立板结构。

3  优化性能分析

以下模结构为例，出于对实际加工过程中成本问题和安装便捷性的考虑，立板贯穿结构通常会保持一致。所以，本文以超出0.10单元密度为基础开展模具再设计工作。在传统设计方法中架立板结构为11条，而图1中仅有9条，借助UG软件测量，再设计的立板重量是1 120.22 kg，体积是0.141 8 m3，整体结构与传统设计结构相比降低13.22 %。基于不同工况条件，优化结构和原结构的具体变形量情况如表3所示。

通过表3可以发现，与原结构的变形量相比，优化结构之后，在所有工况条件下的变形量均有所下降，尤其是在工况4条件下，变形量下降最大，达到13.73 %。由此可见，上述的结构优化措施可行，且工况4相应条件设置，有利于优化效果的提升。

4  结语

本文通过构建有限元模型方式分析多工位级进模具结构，同时通过拓扑优化方法进行优化。在保证使用便捷的基础上，有效降低模具重量，为处理汽车生产过程中高强度材料和模具设计中的质量、强度问题提供有力参考，为提高模具加工效率以及降低生产成本等方面提供了全新思路。

（责任编辑：张  琼）

参考文献：

[1]王二冬，徐晓，夏琴香，等.某汽车底梁加固件多工位级进模设计[J].锻压技术，2015（12）：87-91.

[2]李永.加强筋多工位级进模具设计[J].模具技术，2019（2）：20-23+28.

[3]夏琴香，姚小春，张得良，等.单侧载体多工位级进冲模模具结构偏载分析[J].锻压技术，2017（6）：132-139.

[4]罗颖渊，袁小江，张学良，等.插套多工位级进模具设计[J].锻压装备与制造技术，2019（2）：99-101.