工件的成形工艺.doc

[摘要]: 分析了装货口盖成形工艺性，并进行了理论计算和模拟验证，由此制定了该工件的成形工艺、模具设计方案。中国国际模具网
[关键词]: 工艺分析;起伏成形;数值模拟;模具设计中国国际模具网
1 前言 塑料模具网
    我公司作为铁路货车出口基地，在出口车市场上占有相当大的份额，澳大利亚粮食漏斗车是我公司继2000年以后又一次向西方发达国家出口的铁路货车。装货口盖(图1)是该车的重要外覆盖件，生产数量多、质量要求高。 

    工件材质09cupcrni，是铁路货车常用的耐侯钢，具有良好的抗腐蚀性和较高的强度，但它的成形性能比08-f或q235要差一些。从产品结构上看，零件中部加强筋是典型起伏成形，而两侧则是弯曲成形。从近年来我厂生产实践验证，该类材料屈服强度较高、塑性较差，成形时容易出现破裂、翘曲等质量问题。
2 成形工艺分析及工艺计算
    起伏成形是一种使材料局部区域发生变形、拉薄，造成局部凹进或突起，来改变毛坯形状的冲压加工方法。这种方法提高了工件自身的刚度，而且使工件的外形美观，同时工件在组装焊接时，抗热应力变形的强度也得到提高。
     装货口盖成形的难点就在于中部加强筋的成形，主要有两个方面的问题:其一是由于板料变形产生拉薄，加上塑性较差，极易导致成形部位破裂;其二是成形时，材料流动的速度和方向不一样，工件内部应力分布不均匀，造成板料失稳起皱、翘曲。而且后者靠增加工序等手段是很难修复的。中国国际模具网
    中国国际模具网
2.1 成形极限判断
    首先，根据加强筋的形状和材料性能，计算材料在一次成形工序中的极限伸长率(图2)即：

中国国际模具网
    由此可确定，装货口盖加强筋可以一次成形。中国国际模具网
    中国国际模具网
2.2 压边力的计算
    装货口盖加强筋起伏成形时，在筋端头处，板料要向凸筋流动，以补充材料的不足。这样在筋端头部分的材料应力状态与椭圆形件拉深相似，径向产生拉应力，切向产生压应力。如果不用压边，该处将会失稳起皱。其压边力:

    从计算结果看，所需的压边力较大，应该采用设备驱动压边。中国国际模具网
    中国国际模具网
2.3 成形数值模拟及工艺方案的确定
    我厂自2000年初开始实施“铁路货车产品开发并行工程”以来，现已装备了数值模拟软件--dy-naform。它是由eta公司研制的基于ls-dana的饭金冲压仿真分析系统的专业cae软件，是专门处理板材成形有限元分析的数值模拟系统。
    基于工艺计算结果，在计算机上利用冲压成形数值模拟系统dynaform进行了成形模拟分析。分析结果的应力云图见图3。

    从数值模拟分析结果看，在压边力的作用下，加强筋端头的褶皱基本消除，但在工件长边的两侧出现较大的波浪翘曲现象。主要是由于在压筋时，每个加强筋端头成形致使板料产生的内应力相互作用，从而出现波浪翘曲现象，直接影响后序侧边弯曲。
    通过数值模拟分析，可以预知，采用先压加强筋，再进行两侧长边折弯的工艺方法会产生难以修复的质量问题。
    考虑到工件两侧是弯曲成形，可以采用复合工序的手段，利用双动压力机，先完成工件两侧的弯，然后再压加强筋(图4所示)。这样第一个动作完成了工件的弯曲成形，又负责压筋时的压边，尤其是在完成弯曲成形后，工件的弯曲部位起到了拉延坎的作用，两道拉延坎的阻力再加上第一个动作设备自身的压力，完全阻止了工件长边两侧材料的流动，使加强筋两端成形完全处于胀形状态。另外由于弯曲成形在先，增加了工件的自身刚度，阻止了压筋时导致的翘曲现象。

    中国国际模具网
3 模具设计
    前文已经确定了装货口盖冲压成形的工艺方案。下面将介绍复合成形模具的结构设计。在模具设计时，适当减小压筋凹模的圆角r,r=2t(t为板厚)，第一是考虑压筋凹模的圆角较易磨损，减小凹模圆角可以预留磨损量，第二是使筋在不破裂的前提下，使加强筋的轮廓更加清晰、美观。另外压筋是靠凸模和凹模圆角成形，所以在压筋凸模下方的凹模部分采用镂空方式，以避免成形时出现干涉现象。
    实践证明，压筋同样存在回弹现象，这里的回弹是指压形后加强筋的实际高度值，要比设计凸模高度值小。为了保证筋的尺寸，压筋凸模高度取16mm。
    在第一个动作弯曲成形时，为了提高成形平面度、减小弯曲回弹，采用弹性压料，弹性压料装置在全部成形终了时，兼作卸件器。压筋凹模镶在压料板上。
    模具主要结构见图5。模具工作过程如下:
    弯曲上模下行，接触板料，并在压料板的作用下压紧板料，弯曲七模继续下行，完成弯曲成形后负责压紧坯件。压筋上模下行，压筋凸模接触坯件，压筋上模继续下行，完成加强筋胀形。压筋上模上行，弯曲上模上行，压料板在弹簧力的作用下将工件顶出弯曲凹模。至此，完成工件的全部成形。 模具行业门户网站

    中国国际模具网
4 结束语 模具行业门户网站
    通过对装货口盖成形工艺分析，对可能出现的质量问题作了预测，找到了较为可靠的复合工艺方法，利用弯曲成形来抑制或改善压筋的质量缺陷，同时也简化了工艺过程，提高了生产效率。
    模具投人使用后，顺利完成了澳大利亚粮食漏斗车装货口盖的压制工作，工件外观光滑、棱线清晰，无开裂、无翘曲。可以认为，装货口盖冲压成形工艺分析及模具结构设计，对铁路货车生产中的类似覆盖件成形，都有借鉴价值。

　汽车覆盖件具有尺寸大、相对厚度小、形状复杂等特点，决定了在冲压成形中板料变形的复杂性，变形规律不易被掌握，不能定量地对主要工艺参数和模具参数进行计算，在工程实践中还主要运用经验类比来进行冲压工艺设计。
　　一、冲压工艺制定
　　1.零件工艺分析
　　图1所示为某轿车车门内板零件图，材料为St14，料厚0.8mm。从图可以看出，该零件形状复杂，高差较大，局部成形较多，板料的变形不是单纯的拉延成形，而是存在一定程度的胀形变形，是典型的汽车覆盖件。
　　图1中的a和b处，由于窗框部分进行内工艺补充后，形成了零件的反成形形状，这部分形状的成形一般不能靠外部材料进行补充，只能靠该部分板料的胀形成形来实现，胀形成形深度较深，a和b处大约有20mm左右，且转角部R较小，因此在拉延成形过程中很容易出现破裂。在零件的c处，存在大约12mm高的台阶，此部分若在第一次拉延过程中直接成形，则压料面可能有以下两种分法：(1)将c部分作为压边面的一部分，即将分模线分在零件侧壁圆角处，这样由于台阶对板料的进料阻力较大，易导致零件在拉延过程中可能产生破裂;(2)将c部分作为凸模的一部分，即将分模线分在c部分外侧的法兰上，则在拉延过程中该区域的板料是悬空的，在径向拉应力和切向压应力的作用下，材料集中收缩到此处，可能导致零件的该部分起皱，甚至有迭料的可能。
　　由上面的工艺分析可知，该覆盖件成形难度大，成形工艺较复杂。

图1 某轿车车门内板零件图
　　2.工艺方案的制定
　　产品冲压成形工艺的确定过程，就是分析和预测板料在变形过程中可能产生的缺陷，并采取一定的措施，以消除和防止冲压缺陷，同时考虑制造能力、冲压设备、投资成本等因素。根据本零件的工艺性和本身的结构特点，结合实际生产情况，车门内板的工艺过程如下：拉延+切角;二次拉延+切边+冲孔;切边+冲孔;侧切+侧冲孔翻孔+冲孔+整形;整形+冲孔。
　　(1)拉延工序工艺方案的制定
　　拉延工序是覆盖件冲压成形的关键工序，覆盖件的大部分形状是在此工序形成的，拉延成形的好坏将直接影响覆盖件质量。该工序一方面将成形出零件的大部分形状，同时在拉延过程中还将对坯料进行切角，减少落料模具，降低成本。结合零件的工艺性，在拉延工序中对零件的某些部分作如下处理：
　　◎在零件的a和b处可采取以下方式来消除破裂：第一方案，增大a和b处的相应模具圆角，以减小材料流动阻力，后工序再对相应部分作整形;第二方案，利用在窗框的适当部位冲切工艺切口的方法，使容易破裂的区域从相邻区域里得到材料补充，从而改善该区域的变形情况，避免破裂的产生。
　　◎在零件的C处，为了避免一次拉延可能产生的缺陷，考虑作二次拉延，从而降低第一次拉延的难度，如图2中的局部视图F所示。
　　拉延工序工艺的制定包括拉深方向的选择、工艺补充和压料面的设计等。选择合理的拉延方向应考虑以下原则：(1)保证能将拉延件的全部空间形状一次拉出来，不产生负角;(2)尽量使拉深深度浅且均匀;(3)保证凸模有良好的接触状态;(4)有利于防止表面缺陷5)同时要考虑后工序内容和模具结构。综上所述，结合车门内板本身特点，拉延工序的冲压方向如图2所示。
　　合理的压料面形状应遵循以下几个主要设计原则：(1)压料面的形状应尽量简单;(2)在拉延过程中压料面任一断面的展开长度要小于拉延件内部相应断面的长度;(3)压料面应使成形深度小且各部分深度接近一致。结合本零件的特点，压料面沿零件四周的变化趋势顺延成曲面，如图2所示。
　　在进行工艺补充时，应主要考虑以下几个原则：(1)尽量简化拉延件结构形状;(2)工艺补充部分尽量小，以提高材料利用率，降低成本;(3)对后工序有利原则，如定位、修边等。根据以上原则，结合本零件的本身特点，工艺补充简图如图2所示。如局部视图F所示，为了降低拉延的难度，避免拉延过程中产生缺陷，将如图1的C部分分两次成形。由于后工序全部有冲孔动作，出于模具结构简单化的目的考虑，窗框型面部分采用向下整形，并保证合适的切边角度，窗框型面部分的工艺补充如图2的局部视图I所示，并将侧壁作了8°的拔模角,如局部视图E所示。其余部分顺着产品延伸出来。

图2 拉延工序及工艺补充简图
　　(2)其余工序工艺方案
　　该覆盖件部分孔和其他大部分孔的方向相差约10°，并且考虑到窗框型面弧度变化，第一工序和第二工序的冲压方向相同，后工序冲压方向与之相差10度，现将后工序进行简单介绍。
　　工序二，二次拉延+切边+冲孔，如图3a所示，该工序对如图1所示的C部分进行二次拉延，局部区域进行整形，切边时考虑了窗框内废料较大，将其分三块切掉，出于模具结构强度的原因本工序切出两端的两块。
　　工序三：切边+冲孔，如图3b所示，将余下全周进行切边，同时冲出部分孔。
　　工序四：侧切+侧冲孔翻孔+冲孔+整形，如图3c所示，窗框内边整形，侧向门锁安装孔在此工序全部完成，如SECA-A所示，此部分内容的完成也是模具结构的难点，采用双动斜楔机构。
　　工序五：整形+冲孔，如图3d所示,全周法兰边整形，冲切余下孔，因为零件的法兰边要与外板进行扣合，法兰边的平展度将直接影响扣合的质量，故在此工序安排了法兰边全周的整形。

　　二基于DYNAFORM 的数值模拟技术
　　在数值模拟过程中，模具、板料等各部件模型被离散化，分为有限个单元，单元用节点连接，单元之问的作用由节点传递，并根据弹塑性及相关理论建立物理方程，通过计算机按照特定算法，求解出各单元成形后的应力及应变等状态，然后建立计算结果的仿真模型，反映板料在成形后的拉裂、起皱等现象及应力应变等情况。
　　在DYNAFORM的实际应用中，计算结果的仿真模型是确定合理的工艺参数，指导模具设计的依据。因此，计算结果的准确性是数值模拟技术的首要问题。而计算结果的准确性主要是由有限元模型的准确性决定的。有限元建模过程包括选择适当的网格单元对几何模型进行离散化，以获得有限元网格模型;以合理的方式获得仿真分析中准确的材料参数、摩擦润滑参数、工艺条件和各种约束条件等，建立一个可直接用于仿真计算的完整有限元模型其中，有限元网格质量是决定计算效率和计算精度的主要因素。网格单元小则结果精确，但单元数目越多计算量越大，浪费计算时间;网格尺寸大则计算量小，但误差较大，不能真实反映模型特征。在实际应用中，根据模具与板料在数值模拟中的不同特点，板料网格尺寸的大小应在满足精度要求的前提下尽量大，并尽可能采用自适应网格划分。
　　三、车门内板拉延数值模拟
　　将各单元集分别定义为凹、凸模、板料和压边圈。设置好模具、板料和压边圈之间的相对位置，并定义它们之间的接触类型、参数和运动曲线，设置必要的工艺参数。
　　分析材料厚度为0.8mm,考虑到材料利用，坯料设计为平行四边形，如图2所示。材料选用材料库中的St14，其弹性模量E=2.07×105MPa，泊松比为0.28，屈服强度σ=165MPa，各向异性指数r-0=1.87，各向异性指数r-45=1.27，各向异性指数r-90：2.17，硬化指数n=0.2,摩擦系数为0.125，压边力为80t。
　　分析所得成形极限图如图5所示，由图可以看出零件拉延成形比较充分，零件部分无明显的起皱，但在窗框部分由于胀形成形深度较深而出现了破裂，即如图1的a和b处，在生产中可通过增大模具相应圆角和冲切工艺切口的方法来消除。在试模过程中，为了降低成本，应优先考虑方案一，即通过增大模具圆角来消除破裂。图6为实际拉延成形的零件。

图5 拉延成形极限图

图6实际拉延的零件

图7 实际生产零件
　　四、结束语
　　本文的车门内板是典型的汽车覆盖件，用计算机进行仿真模拟，预测了拉延过程中可能出现的缺陷，为模具设计提供了指导，减少了模具试模次数，有效降低了设计和制造成本，缩短了生产周期，所生产的制件质量高，提高了企业的市场竞争力。图7为按本工艺所生产的零件。