座椅连接件冲压成形工艺设计及成形分析*

2021-12-03魏秀琴岑升波肖振泉

机械研究与应用 2021年5期

金星，魏秀琴，岑升波，肖振泉

(柳州铁道职业技术学院，广西柳州 545416)

0 引言

随着国外技术的引进，我国汽车产量、类型得到迅速的增长。据统计，汽车大约有80%的零件需要设计模具进行加工制造，其中有数百个冲压零件，需要大量的冲压模具的设计研发。如何快速准确地对结构复杂冲压件进行料片的展开，如何预测出零件在冲压成形过程中可能出现的缺陷开裂、起皱、回弹，是汽车冲压件技术发展的两个重要环节。

随着数值研究不断深入，板料的成型数值研究开始应用到实际生产问题中，我国很多学者开始对板料冲压成型进行研究，衣杰栋针对DC05材料的汽车座椅支撑板冲压工艺优化研究[1]。徐丁旺对高强钢汽车结构件冲压成形及回弹控制进行了的Box-Behnken试验,建立多目标优化响应面模型，针对模型获得最优的冲压参数[2]。韩佳利用Autoform对轿车前机舱罩内板成型模拟研究[3]。徐成林运用 LS-DYNA 软件，完成了对前横梁的成型模拟，通过对不同工艺参数的模拟结果进行研究，认为适当增大凹模圆角半径和摩擦系数可以避免产生破裂缺陷[4]。王怀志利用LS-DYNA软件对汽车油封骨架冲压过程仿真，研究了压边力和凸模冲压速度对其成型效果的影响[5]。

笔者结合CAD/CAM软件，利用有限元软件Autoform数值分析座椅连接件的冲压成形过程，根据零件的结构，制定合理的冲压工艺，通过“优化修边线”，对零件料片进行准确展开，并预测出缺陷的产生的位置。该数值研究结果指导现场生产，缩短了模具开发周期，增加了设计可靠度。

1 冲压模型

连接板的整体尺寸为132 mm×95 mm×52 mm,此零件厚度为2 mm，结构如图1所示，图中1位置是一个凸缘，图中2位置是折弯并成形，图中3位置为向下拉延，图中4位置有一个φ15孔，孔的公差在±0.5以内，位置4还有两个椭圆的孔，孔的公差在±0.5以内。该零件选用材料为DC03，材料的具体参数如表 1所列。

表1 材料的力学参数

2 工艺设计及冲压方向

结合零件的形状特征和以往冲压件成形设计经验分析，该零件在工艺设计时可能出现以下两种缺陷：(1)料片的精准展开，料片展开直接影响加工零件的成形尺寸；(2)零件2位置成形时导致拐角可能出现开裂。为了提高加工质量，板料的冲压工艺方案为：①落料；②拉延零件位置1处凸缘:F20；③成形零件位置2和3:F30；④成形零件位置3：F40；⑤冲孔:F50。

冲压方向的确定是冲压工艺设计的关键环节，正确的的冲压方向既可以保证零件成形的质量，还可以提高材料的利用率[1]。板料的冲方向会影响到材料的流动速度，冲压方向设置不合理，容易发生起皱和开裂。因此在选择冲压方向时，尽量做到在冲压过程中不存在拉延负角，凹模和凸模的接触面是完全贴合的。同时尽量让凹模和凸模初始接触面积充分。因此选择座椅连接板的冲压方向如图2所示，这样设置冲压方向满足加工工艺，没有拉延负角区域。

图1 座椅连接板结构图图2 零件的冲压方向

3 全工序工序数值模拟

选取零件的内侧作为研究对象，首先设置缝合距离为0.5，容错公差为0.05，最大边长为3 mm，全局圆角半径为3 mm，摩擦阻力系数为0.15，压形力50.0 kN模拟参数设置完成将已在三维软件设计好的凹凸模工具体进行相关设置，然后进行初步计算。计算结果发现成形的零件与设计零件尺寸偏差较大，需要对料片进行精准展开，这里采用“修边线优化”设置，以零件最外面边界为优化目标，为了获得较准确的料片轮廓，设置最大偏差为0.35 mm(该值与零件生产有求有关，软件默认为0.5 mm)，最大迭代次数为6次，计算结果如图3所示，发现第3次计算结果的偏差最小，其偏差置为0.4，因此选择第三次计算得到的料片轮廓作为数值研究的料片轮廓，如图4所示。

图3 反算修边线结果图4 最优偏差下料片展开轮廓

4 成型分析

成形极限图是金属板料冲压成形能力评定的重要依据，在预测金属板料冲压成形的缺陷时都会用到，金属板料在进行冲压成形的过程中，起皱和开裂缺陷随时有可能发生，将材料出现起皱和开裂的表面应变量定义为极限应变量，通过做实验得到每种材料在不同板厚下的成型曲线。成型极限图的横坐标代表板料的副应变，纵坐标代表板料主应变。座椅连接板成形极限图如图5所示，其中区域I(Splits)为破裂区；区域II(Excess of thinning)过度减薄区。区域III(Risk of Splits)为开裂风险区;区域IV(Safe)为安全区占19.39%，区域V(Compress)为压应力区，占18.77%，区域VI(Thickening)起皱区，占37.39%。灰色区域指拉延不足区域。由于该零件作为汽车后片座椅连接配件，对表面起皱要求没有覆盖件高，因此满足零件的技术要求。