工件的成形工藝

1、摘要: 分析了裝貨口蓋成形工藝性，并進行了理論計算和模擬驗證，由此制定了該工件的成形工藝、模具設計方案。中國國際模具網關鍵詞: 工藝分析;起伏成形;數(shù)值模擬;模具設計中國國際模具網1 前言 我公司作為鐵路貨車出口基地，在出口車市場上占有相當大的份額，澳大利亞糧食漏斗車是我公司繼2000年以后又一次向西方發(fā)達國家出口的鐵路貨車。裝貨口蓋(圖1)是該車的重要外覆蓋件，生產數(shù)量多、質量要求高。 工件材質09cupcrni，是鐵路貨車常用的耐侯鋼，具有良好的抗腐蝕性和較高的強度，但它的成形性能比08-f或q235要差一些。從產品結構上看，零件中部加強筋是典型起伏成形，而兩側則是彎曲成形。從近年來我廠生

2、產實踐驗證，該類材料屈服強度較高、塑性較差，成形時容易出現(xiàn)破裂、翹曲等質量問題。2 成形工藝分析及工藝計算 起伏成形是一種使材料局部區(qū)域發(fā)生變形、拉薄，造成局部凹進或突起，來改變毛坯形狀的沖壓加工方法。這種方法提高了工件自身的剛度，而且使工件的外形美觀，同時工件在組裝焊接時，抗熱應力變形的強度也得到提高。 裝貨口蓋成形的難點就在于中部加強筋的成形，主要有兩個方面的問題:其一是由于板料變形產生拉薄，加上塑性較差，極易導致成形部位破裂;其二是成形時，材料流動的速度和方向不一樣，工件內部應力分布不均勻，造成板料失穩(wěn)起皺、翹曲。而且后者靠增加工序等手段是很難修復的。中國國際模具網 中國國際模具網2.1

3、 成形極限判斷 首先，根據加強筋的形狀和材料性能，計算材料在一次成形工序中的極限伸長率(圖2)即： 中國國際模具網 由此可確定，裝貨口蓋加強筋可以一次成形。中國國際模具網 中國國際模具網2.2 壓邊力的計算 裝貨口蓋加強筋起伏成形時，在筋端頭處，板料要向凸筋流動，以補充材料的不足。這樣在筋端頭部分的材料應力狀態(tài)與橢圓形件拉深相似，徑向產生拉應力，切向產生壓應力。如果不用壓邊，該處將會失穩(wěn)起皺。其壓邊力: 從計算結果看，所需的壓邊力較大，應該采用設備驅動壓邊。中國國際模具網 中國國際模具網2.3 成形數(shù)值模擬及工藝方案的確定 我廠自2000年初開始實施“鐵路貨車產品開發(fā)并行工程”以來，現(xiàn)已裝備了

4、數(shù)值模擬軟件-dy-naform。它是由eta公司研制的基于ls-dana的飯金沖壓仿真分析系統(tǒng)的專業(yè)cae軟件，是專門處理板材成形有限元分析的數(shù)值模擬系統(tǒng)。 基于工藝計算結果，在計算機上利用沖壓成形數(shù)值模擬系統(tǒng)dynaform進行了成形模擬分析。分析結果的應力云圖見圖3。 從數(shù)值模擬分析結果看，在壓邊力的作用下，加強筋端頭的褶皺基本消除，但在工件長邊的兩側出現(xiàn)較大的波浪翹曲現(xiàn)象。主要是由于在壓筋時，每個加強筋端頭成形致使板料產生的內應力相互作用，從而出現(xiàn)波浪翹曲現(xiàn)象，直接影響后序側邊彎曲。 通過數(shù)值模擬分析，可以預知，采用先壓加強筋，再進行兩側長邊折彎的工藝方法會產生難以修復的質量問題。 考

5、慮到工件兩側是彎曲成形，可以采用復合工序的手段，利用雙動壓力機，先完成工件兩側的彎，然后再壓加強筋(圖4所示)。這樣第一個動作完成了工件的彎曲成形，又負責壓筋時的壓邊，尤其是在完成彎曲成形后，工件的彎曲部位起到了拉延坎的作用，兩道拉延坎的阻力再加上第一個動作設備自身的壓力，完全阻止了工件長邊兩側材料的流動，使加強筋兩端成形完全處于脹形狀態(tài)。另外由于彎曲成形在先，增加了工件的自身剛度，阻止了壓筋時導致的翹曲現(xiàn)象。 中國國際模具網3 模具設計 前文已經確定了裝貨口蓋沖壓成形的工藝方案。下面將介紹復合成形模具的結構設計。在模具設計時，適當減小壓筋凹模的圓角r,r=2t(t為板厚)，第一是考慮壓筋凹模

6、的圓角較易磨損，減小凹模圓角可以預留磨損量，第二是使筋在不破裂的前提下，使加強筋的輪廓更加清晰、美觀。另外壓筋是靠凸模和凹模圓角成形，所以在壓筋凸模下方的凹模部分采用鏤空方式，以避免成形時出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。 實踐證明，壓筋同樣存在回彈現(xiàn)象，這里的回彈是指壓形后加強筋的實際高度值，要比設計凸模高度值小。為了保證筋的尺寸，壓筋凸模高度取16mm。 在第一個動作彎曲成形時，為了提高成形平面度、減小彎曲回彈，采用彈性壓料，彈性壓料裝置在全部成形終了時，兼作卸件器。壓筋凹模鑲在壓料板上。 模具主要結構見圖5。模具工作過程如下: 彎曲上模下行，接觸板料，并在壓料板的作用下壓緊板料，彎曲七模繼續(xù)下行，完成彎曲成

7、形后負責壓緊坯件。壓筋上模下行，壓筋凸模接觸坯件，壓筋上模繼續(xù)下行，完成加強筋脹形。壓筋上模上行，彎曲上模上行，壓料板在彈簧力的作用下將工件頂出彎曲凹模。至此，完成工件的全部成形。 模具行業(yè)門戶網站 中國國際模具網4 結束語 通過對裝貨口蓋成形工藝分析，對可能出現(xiàn)的質量問題作了預測，找到了較為可靠的復合工藝方法，利用彎曲成形來抑制或改善壓筋的質量缺陷，同時也簡化了工藝過程，提高了生產效率。 模具投人使用后，順利完成了澳大利亞糧食漏斗車裝貨口蓋的壓制工作，工件外觀光滑、棱線清晰，無開裂、無翹曲。可以認為，裝貨口蓋沖壓成形工藝分析及模具結構設計，對鐵路貨車生產中的類似覆蓋件成形，都有借鑒價值。汽車

8、覆蓋件具有尺寸大、相對厚度小、形狀復雜等特點，決定了在沖壓成形中板料變形的復雜性，變形規(guī)律不易被掌握，不能定量地對主要工藝參數(shù)和模具參數(shù)進行計算，在工程實踐中還主要運用經驗類比來進行沖壓工藝設計。一、沖壓工藝制定1.零件工藝分析圖1所示為某轎車車門內板零件圖，材料為St14，料厚0.8mm。從圖可以看出，該零件形狀復雜，高差較大，局部成形較多，板料的變形不是單純的拉延成形，而是存在一定程度的脹形變形，是典型的汽車覆蓋件。圖1中的a和b處，由于窗框部分進行內工藝補充后，形成了零件的反成形形狀，這部分形狀的成形一般不能靠外部材料進行補充，只能靠該部分板料的脹形成形來實現(xiàn)，脹形成形深度較深，a和b處

9、大約有20mm左右，且轉角部R較小，因此在拉延成形過程中很容易出現(xiàn)破裂。在零件的c處，存在大約12mm高的臺階，此部分若在第一次拉延過程中直接成形，則壓料面可能有以下兩種分法：(1)將c部分作為壓邊面的一部分，即將分模線分在零件側壁圓角處，這樣由于臺階對板料的進料阻力較大，易導致零件在拉延過程中可能產生破裂;(2)將c部分作為凸模的一部分，即將分模線分在c部分外側的法蘭上，則在拉延過程中該區(qū)域的板料是懸空的，在徑向拉應力和切向壓應力的作用下，材料集中收縮到此處，可能導致零件的該部分起皺，甚至有迭料的可能。由上面的工藝分析可知，該覆蓋件成形難度大，成形工藝較復雜。圖1 某轎車車門內板零件圖2.工

10、藝方案的制定產品沖壓成形工藝的確定過程，就是分析和預測板料在變形過程中可能產生的缺陷，并采取一定的措施，以消除和防止沖壓缺陷，同時考慮制造能力、沖壓設備、投資成本等因素。根據本零件的工藝性和本身的結構特點，結合實際生產情況，車門內板的工藝過程如下：拉延+切角;二次拉延+切邊+沖孔;切邊+沖孔;側切+側沖孔翻孔+沖孔+整形;整形+沖孔。(1)拉延工序工藝方案的制定拉延工序是覆蓋件沖壓成形的關鍵工序，覆蓋件的大部分形狀是在此工序形成的，拉延成形的好壞將直接影響覆蓋件質量。該工序一方面將成形出零件的大部分形狀，同時在拉延過程中還將對坯料進行切角，減少落料模具，降低成本。結合零件的工藝性，在拉延工序中

11、對零件的某些部分作如下處理：在零件的a和b處可采取以下方式來消除破裂：第一方案，增大a和b處的相應模具圓角，以減小材料流動阻力，后工序再對相應部分作整形;第二方案，利用在窗框的適當部位沖切工藝切口的方法，使容易破裂的區(qū)域從相鄰區(qū)域里得到材料補充，從而改善該區(qū)域的變形情況，避免破裂的產生。在零件的C處，為了避免一次拉延可能產生的缺陷，考慮作二次拉延，從而降低第一次拉延的難度，如圖2中的局部視圖F所示。拉延工序工藝的制定包括拉深方向的選擇、工藝補充和壓料面的設計等。選擇合理的拉延方向應考慮以下原則：(1)保證能將拉延件的全部空間形狀一次拉出來，不產生負角;(2)盡量使拉深深度淺且均勻;(3)保證凸

12、模有良好的接觸狀態(tài);(4)有利于防止表面缺陷;(5)同時要考慮后工序內容和模具結構。綜上所述，結合車門內板本身特點，拉延工序的沖壓方向如圖2所示。合理的壓料面形狀應遵循以下幾個主要設計原則：(1)壓料面的形狀應盡量簡單;(2)在拉延過程中壓料面任一斷面的展開長度要小于拉延件內部相應斷面的長度;(3)壓料面應使成形深度小且各部分深度接近一致。結合本零件的特點，壓料面沿零件四周的變化趨勢順延成曲面，如圖2所示。在進行工藝補充時，應主要考慮以下幾個原則：(1)盡量簡化拉延件結構形狀;(2)工藝補充部分盡量小，以提高材料利用率，降低成本;(3)對后工序有利原則，如定位、修邊等。根據以上原則，結合本零件

13、的本身特點，工藝補充簡圖如圖2所示。如局部視圖F所示，為了降低拉延的難度，避免拉延過程中產生缺陷，將如圖1的C部分分兩次成形。由于后工序全部有沖孔動作，出于模具結構簡單化的目的考慮，窗框型面部分采用向下整形，并保證合適的切邊角度，窗框型面部分的工藝補充如圖2的局部視圖I所示，并將側壁作了8的拔模角,如局部視圖E所示。其余部分順著產品延伸出來。圖2 拉延工序及工藝補充簡圖(2)其余工序工藝方案該覆蓋件部分孔和其他大部分孔的方向相差約10，并且考慮到窗框型面弧度變化，第一工序和第二工序的沖壓方向相同，后工序沖壓方向與之相差10度，現(xiàn)將后工序進行簡單介紹。工序二，二次拉延+切邊+沖孔，如圖3a所示，

14、該工序對如圖1所示的C部分進行二次拉延，局部區(qū)域進行整形，切邊時考慮了窗框內廢料較大，將其分三塊切掉，出于模具結構強度的原因本工序切出兩端的兩塊。工序三：切邊+沖孔，如圖3b所示，將余下全周進行切邊，同時沖出部分孔。工序四：側切+側沖孔翻孔+沖孔+整形，如圖3c所示，窗框內邊整形，側向門鎖安裝孔在此工序全部完成，如SECA-A所示，此部分內容的完成也是模具結構的難點，采用雙動斜楔機構。工序五：整形+沖孔，如圖3d所示,全周法蘭邊整形，沖切余下孔，因為零件的法蘭邊要與外板進行扣合，法蘭邊的平展度將直接影響扣合的質量，故在此工序安排了法蘭邊全周的整形。二、基于DYNAFORM 的數(shù)值模擬技術在數(shù)值

15、模擬過程中，模具、板料等各部件模型被離散化，分為有限個單元，單元用節(jié)點連接，單元之問的作用由節(jié)點傳遞，并根據彈塑性及相關理論建立物理方程，通過計算機按照特定算法，求解出各單元成形后的應力及應變等狀態(tài)，然后建立計算結果的仿真模型，反映板料在成形后的拉裂、起皺等現(xiàn)象及應力應變等情況。在DYNAFORM的實際應用中，計算結果的仿真模型是確定合理的工藝參數(shù)，指導模具設計的依據。因此，計算結果的準確性是數(shù)值模擬技術的首要問題。而計算結果的準確性主要是由有限元模型的準確性決定的。有限元建模過程包括選擇適當?shù)木W格單元對幾何模型進行離散化，以獲得有限元網格模型;以合理的方式獲得仿真分析中準確的材料參數(shù)、摩擦潤

16、滑參數(shù)、工藝條件和各種約束條件等，建立一個可直接用于仿真計算的完整有限元模型其中，有限元網格質量是決定計算效率和計算精度的主要因素。網格單元小則結果精確，但單元數(shù)目越多計算量越大，浪費計算時間;網格尺寸大則計算量小，但誤差較大，不能真實反映模型特征。在實際應用中，根據模具與板料在數(shù)值模擬中的不同特點，板料網格尺寸的大小應在滿足精度要求的前提下盡量大，并盡可能采用自適應網格劃分。三、車門內板拉延數(shù)值模擬將各單元集分別定義為凹、凸模、板料和壓邊圈。設置好模具、板料和壓邊圈之間的相對位置，并定義它們之間的接觸類型、參數(shù)和運動曲線，設置必要的工藝參數(shù)。分析材料厚度為0.8mm,考慮到材料利用，坯料設計為平行四邊形，如圖2所示。材料選用材料庫中的St14，其彈性模量E=2.07105MPa，泊松比為0.28，屈服強度=165MPa，各向異性指數(shù)r-0=1.87，各向異性指數(shù)r-45=1.27，各向異性指數(shù)r-90：2.17，硬化指數(shù)n=0.2,摩擦系數(shù)為0.125，壓邊力為80t。分析所得成形極限圖如圖5所示，由圖可以看出零件拉延成形比較充分，零件部分無明顯的起皺，但在窗框部分