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摘要:汽车覆盖件中,存在着大量的翻边特征,翻边零件修边线的位置直接影响到修边模的设计和翻边零件的成型质量,生产实际中往往都是根据经验不断修改修边模,这样会造成大量的人力和物力浪费。作者运用计算机仿真技术模拟翻边工序,提出了利用毛坯反求的原理来确定修边线位置的方法,并运用这一方法解决了工程中典型的修边线设计计算问题,实践证明所提出的方法不仅能够缩短设计周期,还可大幅节约设计制造成本。
关键词:翻边;毛坯反求;修边线

1　前言

在汽车覆盖件冲压成型中,翻边是一道很常见的工序。许多汽车覆盖件在拉延、修边等工序之后还要进行翻边操作,而修边后,零件的形状和尺寸是否合理是影响翻边成型性和成型精度的一个重要因素,也是目前板料冲压成型中的一个技术难题。本文针对这一问题,利用覆盖件成型的计算机仿真技术,提出了由毛坯反求的方法来确定复杂零件修边线的形状和尺寸。

2　圆孔翻边的ＣＡＥ仿真

在汽车覆盖件上存在很多圆孔翻边特征,这也是最简单的翻边形式,因此,首先以这种最基本的翻边形式入手来分析翻边工序。第一个算例中圆孔翻边的具体尺寸如图1所示。

在确定圆孔翻边工艺参数时,一种情况是已知翻边零件成形后的孔径和翻边高度,要确定翻边之前坯料上预制孔径的大小;另一种情况是已知预制孔径和成形后孔径的大小,要确定零件可能达到的翻边高度。在这个算例中已经知道了零件成形后的孔径和翻边高度,希望通过毛坯反求的方法来得到预制孔的大小。对于这种简单的翻边程序由经验公式[1]可以计算出该零件翻边时的预制孔径的大小。

在仿真计算时,先任意假设一个毛坯的形状和尺寸,然后通过有限元计算的结果一步步逼近最优的毛坯。图2是作者在这个算例中所用的初始毛坯和模具尺寸,所用的冲头是半球形的,这种形状的冲头产生的翻边力较小,这一点通过和其他形式的冲头比较也可以看出。假设预制孔的直径为20ｍｍ,并以此为基础进行翻边的计算。

毛坯的反算是一个不断逼近的过程,这里就存在一个结果判定依据的问题,即根据什么样的标准来判断所得到的毛坯是否是合理的。这里采用评定因子φ[2]来确定,

φ=|(Ｓｉ+1-Ｓｉ)/Ｓｉ|

其中Ｓｉ+1为第ｉ+1次反算出来的毛坯在某一个(假设为垂直于冲压方向)投影上的面积,Ｓｉ为第ｉ次的。通常φ取一个较小的数0.01。如果某次反算的评定因子小于0.01,就可以终止反算过程。仿真计算用的材料参数如表1所示,板料的初始厚度为1ｍｍ。

应力应变关系为:

单元类型为ＢＴ单元,材料模型为三参数Ｂａｒｌｅｔ模型。经过四次反算,评定因子满足φ<0.01的要求,四次仿真的结果如表2所示。

由于初始毛坯的预制孔较小,所以材料变形抗力较大,因此,所需要的翻边成形力也很大。第一次反求后,预制孔的直径增大了很多,所以相对于初始毛坯成形时的阻力来说,就小了很多;其它三次反求时,得出的预制孔直径相差不大,故这三次成形时的翻边力就差不多。预制孔径的变化,直接影响到翻边过程中的成形力,这一点从表2中列出最大翻边力可以看出。比较最后一次反求出来的预制孔直径和用经验公式算出来的预制孔直径,两者很接的,这也证明了作者提出的方法的可行性和正确性。

3　复杂零件的翻边仿真和修边线的确定

为了进一步检验该方法的正确性,作者以上汽通用五菱某车型的一个零件为例(如图3),来确定这个零件的修边线,从而指导修边模的设计。

3.1　仿真参数的优化确定

由于这个零件存在两处不同方向的翻边特征,所以整个模具的有限元模型中采用了两个翻边冲头。仿真参数主要包括单元类型、材料参数、边界条件、运动及接触类型等。

目前在薄板成型有限元分析中使用得最为普遍和成功的壳单元有ＨＬ单元和ＢＴ单元,其中ＨＬ单元具有较高的计算精度,但计算量比较大;而ＢＴ单元不必计算复杂的Ｊａｕ ｍａｎｎ应力[3],因此有较高的计算效率,一般能得到和ＨＬ单元基本一致的计算结果。在综合比较了计算效率和计算精度之后,文中采用了ＢＴ单元。其对比结果如表3所示,从表中数据的比较可以发现两种单元的计算结果相差很小,但是它们所耗费的时间却相差近一倍。

仿真用的材料参数和前一个例子相同。运动的定义主要涉及选择合理的虚拟冲压速度。因为在覆盖件成形分析中大多采用动力显式算法,而动力显式算法为了提高计算效率,就要人为地提高冲头速度,这样就会带来额外的动态效应而引起计算误差。作者通过多次计算和分析比较,发现冲头速度为20ｍ/ｓ时,仿真结果和计算时间都是可以接受的。

边界条件主要涉及板料和模具之间摩擦系数的定义,通过比较不同参数下的仿真结果,凸模与板料以及凹模与板料之间采用同一个摩擦系数μ=0.125。模具与板料之间的接触形式采用单面接触(ｏｎｅｗａｙｓｕｒｆａｃｅｔｏｓｕｒｆａｃｅ)。整个过程共进行了三次有限元仿真和二次反算求解毛坯,每次反算是在当次有限元仿真结果上进行的。经过两次反算,得到的修边线满足了事先给定的评定因子的要求(见图3),下面列出了初始计算和两次反算的对比结果。根据第二次反算得到的修边线,用线切割的方法切出一块冲压坯料进行实际翻边,经过检测,该翻边零件基本达到了设计要求。仿真结果和实际翻边结果如图5、图6所示。

从仿真结果对比(表4)中可以发现,随着板料尺寸的优化,板料的成形过程中的翻边力明显的减小了,成形条件得到了改善,整个板料厚度也更加均匀了。

4　结论

通过以上实例,验证了薄板翻边工序仿真的可行性,并提出了用毛坯反求来确定修边线的方法,实际生产应用表明—501—这一方法是切实可行的。它不同于以往确定修边线都是从解析模式入手,仅仅从理论的角度来分析。因为影响翻边过程的因素很多,包括材料的力学性能、模具与工件之间的摩擦、翻边高度等,在理论分析中很难建立一个能全面考虑这些影响的模型,因而只能对一些简单的翻边零件进行分析。但是在仿真分析中则可以很容易地综合各种因素的影响,运用毛坯反求的方法来确定翻边零件的修边线,整个过程都是在计算机中模拟,因此可以节省大量的人力和物力,对于更好地指导修边模的设计,缩短模具的开发周期具有重要意义。

参考文献:
[1]　卢险峰.冲压工艺模具学[Ｍ].北京:机械工业出版社,1998-5.
[2]　周军,马闯,钟志华.基于计算机技术的薄板冲压成型毛坯形状和尺寸反算[Ｊ].计算机仿真,2002,(1):86-89.
[3]　钟志华,李光耀.薄板冲压成型过程的计算机仿真与应用[Ｍ].北京:北京理工大学出版社,1998-6.

[作者简介]
漆　伟(1973-),男(汉族),江西省宜丰人,在读硕士研究生,研究方向:汽车覆盖件成型的ＣＡＤ/ＣＡＥ仿真;
韩利芬(1963-),女(汉族),湖南湘潭人,在读博士研究生,副教授,研究方向:汽车覆盖件成型的ＣＡＤ/ＣＡＥ仿真;
钟志华(1962-),男(汉族),湖南湘阴人,湖南大学机械与汽车工程学院教授,博士生导师,主要从事汽车车身冲压成型技术、安全技术等方面的研究和教学。