多工位级进冲压成形质量控制应用实例分析 / 开普饭

多工位模具运动仿真应用视频

为提高多工位级进冲压成形质量，降低模具制造成本，对某汽车车门导轨结构件冲压过程中所涉及的压弯、拉深、修边、整形、翻边等成形工序和回弹卸载进行了有限元数值模拟，预测了成形过程中可能出现的载体畸变、拉深破裂、翻边破裂和回弹等成形缺陷，分析了缺陷产生的原因，并提出了相应的解决或控制措施，由此重新建模，获得了理想的模拟结果．

基于数值模拟结果进行了多工位级进冲压试验，成功冲制出了一模两件成形质量合格的某车门导轨结构件，该模能满足大批量生产要求．

汽车工业的快速发展对汽车零部件的生产效率、制件质量和制件成本提出了更高的要求，多工位级进模因“高精度、高效率、高寿命”的独特优点在汽车零部件加工中得到了越来越广泛的应用。但多工位级进冲压成形质量受到诸多因素的影响，如毛坯几何形状、载体形式、模具结构和工艺参数等，依赖经验设计出来的模具常常会使零件在成形过程中出现起皱、拉裂和回弹等缺陷，成形质量难以控制，需要在制造过程中反复试模和修模，产品制造成本高、周期长．通过有效运用数值模拟手段，能够计算成形过程中板料的弹塑性变形情况，准确地预测成形缺陷，得到一个经过优化的成形工艺或模具结构，并最终提高成形质量．

以某汽车前纵梁加强板为例，对级进模冲压过程进行了模拟，预测了生产中可能出现的传送带变形、毛坯展开不准确等问题，并对级进冲压成形的料带进行了优化．对某高强钢板汽车安装座件的１３工位冲压成形进行了全工序有限元数值模拟，通过对毛坯及凸包形状进行修正解决了正、反拉深时易产生破裂的问题，

提高了成形质量．但迄今为止，尚未见到针对多工位级进冲压成形全过程进行缺陷预测和质量控制的研究报道．文中以某汽车车门导轨结构件为研究对象，运用

Ｄｙｎａｆｏｒｍ软件对其多工位级进冲压成形工序和回弹卸载进行了有限元建模，通过数值模拟完整地预测了成形过程中可能出现的载体畸变、拉深破裂、翻边破裂和回弹等成形缺陷，并根据产生的原因进行有效控制。

１、有限元建模及数值模拟

某汽车车门导轨结构件零件示意图如图１所示：

材料为ＤＸ５３Ｄ镀锌板、料厚１．２ｍｍ．该导轨结构件用于汽车的电动玻璃升降器，零件弧形型面须与车门玻璃弧度保持一致，且凹槽、卡口等多处局部特征形状与其他部件相配合，这些部位须确保良好的成形质量和尺寸精度．通过对该导轨结构件的工艺性分析，最终确定采用１３工位、双侧载体、双排排样、左右件同时冲压成形的冲压工艺方案，排样设计如图２所示：

１—冲导正孔、工艺切口；２—修边、冲工艺切口；３—修边、冲工艺切口；４—压弯－拉深；５—冲定位孔、修边；６—修边、冲孔；７—修边、冲孔；８—整形；９—整形、翻边；１０—铆孔；１１—铆孔；１２—冲孔、修边；１３—切断落料

１．１　有限元网格模型的建立

根据导轨结构件冲压成形工艺，对所涉及的压弯－拉深、分段修边、整形、翻边、冲孔、修边切断工序进行有限元数值模拟，在修边模拟时将连续工步

的分段修边或冲孔建在一个模型内，级进冲压成形工序的具体模拟流程为压弯－拉深成形→修边→整形、翻边→修边、切断．由于修边工序仅将材料沿修边线去除而没有模拟过程，因此不需要建立冲裁工具网格模型，建立的压弯－拉深成形和整形、翻边有限元模型分别如图３（ａ）和３（ｂ）所示：

１．２　材料模型及分析参数的选取

板料为ＤＸ５３Ｄ镀锌钢板，厚１．２ｍｍ，材料的力学性能参数如表１所示：

进行有限元分析模拟时，材料选用３６＃３参数Ｂａｒｌａｔ材料模型，选用全积分薄壳单元公式以提高后续回弹模拟精度，其他主要分析参数设置为：压边力６０ｋＮ，翻边力４０ｋＮ，凸凹模间隙１．１ｔ，虚拟冲压

速度５ｍ／ｓ，摩擦系数０．２．

２、数值模拟过程及质量控制

根据导轨结构件冲压成形模拟流程和所建立的有限元模型进行数值模拟，预测了冲压过程中影响产品质量的成形缺陷，并对质量控制进行了研究．

２．１　拉深破裂控制

运用图３（ａ）所示有限元模型进行压弯－拉深成形模拟时，在盒形件中部圆角位置出现了严重的破裂，如图４所示：

经分析，严重破裂现象主要是由于成形时中间区域的材料向两端凹槽流动相互限制，拉应力大幅增大，导致在中部圆角位置的应力很快达到极限点而产生破裂．因此，在坯料中线上相对拉深破裂区域的中间位置冲３条工艺长孔（考虑凸模结构取宽度为６ｍｍ）以提高拉深成形性的同时，选择对拉裂处

的过小圆角参数采用过渡圆角形式进行逐步修改，如图５所示：

重新建模后的模拟结果如图６所示，通过冲工艺长孔和修正模具圆角，拉裂问题得到了很好的解决（成形极限图中的破裂点为三角形网格自适应细划分时出现问题而产生，且位于工件之外）．

２．２　载体畸变控制

载体在多工位级进冲压过程中起着至关重要的作用，一旦载体发生变形，条料的送进精度就无法保证，严重影响冲压质量．而在压弯－拉深成形时，

载体产生了畸变缺陷（如图７所示）：

经分析，连接桥在被压边圈压成Ｖ形的同时，随着拉深成形材料向内流动而受力被拉长，并对载体中段产生一个向内偏下的拉力，从而造成载体中段的畸变，后处理中测量可知该处拱起达６ｍｍ．因此，在载体中段预先冲出一个高３．５ｍｍ的凸包，并在压弯－拉深成形时运用压料块将凸包区域压住，从而产生约束作用，以根本上解决畸变问题，冲压凸包的模具结构和具体尺寸如图８所示：

图９所示模拟结果表明，载体畸变得到了很好的控制，冲压过程中几乎没有发生拱起，也不会因畸变而越出导料块，条料侧面与导料块的接触状况得到了较大的改善，确保了送料的顺畅度和精度．

２．３　翻边破裂控制

运用图３（ｂ）所示模型进行翻边成形数值模拟，在翻边过程中，工件一端出现了破裂现象，如图１０所示：

由图１１（ａ）所示翻边法兰形状可知，出现破裂的区域属于伸长类曲面翻边，根据法兰连接处圆角做图１１（ｂ）所示凸模圆角，半径仅为０．８ｍｍ，在翻边时，该区域受到拉应力的集中作用，容易产生破裂．

为避免该破裂现象的发生，在对翻边修边线进行优化的同时对过小的凸模圆角进行修正，以增大受拉伸长区域，避免拉应力的过度集中，修正后的凸模圆角如图１１（ｃ）所示，采用３ｍｍ→２ｍｍ的圆角过渡．改进后的翻边成形模拟结果如图１２所示，表明翻边破裂问题得到了有效解决．

２．４　回弹控制

回弹是板料成形不可避免的现象，当冲压工件的回弹量超出容许范围时，就需要采取相应的措施进行控制，否则零件的几何精度将难以满足要求．因此，在进行导轨结构件级进冲压工艺设计时，选择采用整形工艺对精度要求高和回弹大的部位进行尺寸精度控制，为了使整形达到良好的效果，需要对整形前工序件的回弹进行准确预测．工件的回弹分析模型建立在板料成形模拟的基础上，采用多步隐式分析方法进行回弹分析，模拟结果如图１３所示：

由图１３可知，工件在切边回弹卸载后，呈一定的扭曲状态，在 A、B、C、D、E 位置的回弹较大，且精度要求都较高，选择采用镶拼模具结构进行整形，整形可采用加压矫正、模具镶块型面补偿等方式进行．针对需整形的部位，在分段修边设计去除材料时应有利于这些部位内应力的释放，具体整形部位和分段修边后的坯料如图１４所示：