為提高多工位級進沖壓成形質(zhì)量，降低模具制造成本，對某汽車車門導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)件沖壓過程中所涉及的壓彎、拉深、修邊、整形、翻邊等成形工序和回彈卸載進行了有限元數(shù)值模擬，預(yù)測了成形過程中可能出現(xiàn)的載體畸變、拉深破裂、翻邊破裂和回彈等成形缺陷，分析了缺陷產(chǎn)生的原因，并提出了相應(yīng)的解決或控制措施，由此重新建模，獲得了理想的模擬結(jié)果．
基于數(shù)值模擬結(jié)果進行了多工位級進沖壓試驗，成功沖制出了一模兩件成形質(zhì)量合格的某車門導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)件，該模能滿足大批量生產(chǎn)要求． 汽車工業(yè)的快速發(fā)展對汽車零部件的生產(chǎn)效率、制件質(zhì)量和制件成本提出了更高的要求，多工位級進模因“高精度、高效率、高壽命”的獨特優(yōu)點在汽車零部件加工中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但多工位級進沖壓成形質(zhì)量受到諸多因素的影響，如毛坯幾何形狀、載體形式、模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)等，依賴經(jīng)驗設(shè)計出來的模具常常會使零件在成形過程中出現(xiàn)起皺、拉裂和回彈等缺陷，成形質(zhì)量難以控制，需要在制造過程中反復(fù)試模和修模，產(chǎn)品制造成本高、周期長．通過有效運用數(shù)值模擬手段，能夠計算成形過程中板料的彈塑性變形情況，準確地預(yù)測成形缺陷，得到一個經(jīng)過優(yōu)化的成形工藝或模具結(jié)構(gòu)，并最終提高成形質(zhì)量． 以某汽車前縱梁加強板為例，對級進模沖壓過程進行了模擬，預(yù)測了生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的傳送帶變形、毛坯展開不準確等問題，并對級進沖壓成形的料帶進行了優(yōu)化．對某高強鋼板汽車安裝座件的 １３ 工位沖壓成形進行了全工序有限元數(shù)值模擬，通過對毛坯及凸包形狀進行修正解決了正、反拉深時易產(chǎn)生破裂的問題， 提高了成形質(zhì)量．但迄今為止，尚未見到針對多工位級進沖壓成形全過程進行缺陷預(yù)測和質(zhì)量控制的研究報道．文中以某汽車車門導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)件為研究對象，運用 Ｄｙｎａｆｏｒｍ 軟件對其多工位級進沖壓成形工序和回彈卸載進行了有限元建模，通過數(shù)值模擬完整地預(yù)測了成形過程中可能出現(xiàn)的載體畸變、拉深破裂、翻邊破裂和回彈等成形缺陷，并根據(jù)產(chǎn)生的原因進行有效控制。 １、有限元建模及數(shù)值模擬 某汽車車門導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)件零件示意圖如圖 １ 所示： 材料為 ＤＸ５３Ｄ 鍍鋅板、料厚 １．２ ｍｍ．該導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)件用于汽車的電動玻璃升降器，零件弧形型面須與車門玻璃弧度保持一致，且凹槽、卡口等多處局部特征形狀與其他部件相配合，這些部位須確保良好的成形質(zhì)量和尺寸精度．通過對該導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)件的工藝性分析，最終確定采用 １３ 工位、雙側(cè)載體、雙排排樣、左右件同時沖壓成形的沖壓工藝方案，排樣設(shè)計如圖 ２ 所示： １—沖導(dǎo)正孔、工藝切口；２—修邊、沖工藝切口；３—修邊、沖工藝切口；４—壓彎 －拉深；５—沖定位孔、修邊；６—修邊、沖孔；７—修邊、沖孔；８—整形；９—整形、翻邊；１０—鉚孔；１１—鉚孔；１２—沖孔、修邊；１３—切斷落料 １．１ 有限元網(wǎng)格模型的建立 根據(jù)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)件沖壓成形工藝，對所涉及的壓彎 －拉深、分段修邊、整形、翻邊、沖孔、修邊切斷工序進行有限元數(shù)值模擬，在修邊模擬時將連續(xù)工步 的分段修邊或沖孔建在一個模型內(nèi)，級進沖壓成形工序的具體模擬流程為壓彎 －拉深成形→修邊→整形、翻邊→修邊、切斷．由于修邊工序僅將材料沿修邊線去除而沒有模擬過程，因此不需要建立沖裁工具網(wǎng)格模型，建立的壓彎 －拉深成形和整形、翻邊有限元模型分別如圖３（ａ）和３（ｂ）所示： １．２ 材料模型及分析參數(shù)的選取 板料為 ＤＸ５３Ｄ 鍍鋅鋼板，厚 １．２ｍｍ，材料的力學(xué)性能參數(shù)如表１ 所示： 進行有限元分析模擬時，材料選用 ３６＃３ 參數(shù)Ｂａｒｌａｔ 材料模型，選用全積分薄殼單元公式以提高后續(xù)回彈模擬精度，其他主要分析參數(shù)設(shè)置為：壓邊力６０ｋＮ，翻邊力４０ｋＮ，凸凹模間隙 １．１ ｔ，虛擬沖壓 速度 ５ｍ／ｓ，摩擦系數(shù)０．２． ２、數(shù)值模擬過程及質(zhì)量控制 根據(jù)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)件沖壓成形模擬流程和所建立的有限元模型進行數(shù)值模擬，預(yù)測了沖壓過程中影響產(chǎn)品質(zhì)量的成形缺陷，并對質(zhì)量控制進行了研究． ２．１ 拉深破裂控制 運用圖３（ａ）所示有限元模型進行壓彎 －拉深成形模擬時，在盒形件中部圓角位置出現(xiàn)了嚴重的破裂，如圖４ 所示： 經(jīng)分析，嚴重破裂現(xiàn)象主要是由于成形時中間區(qū)域的材料向兩端凹槽流動相互限制，拉應(yīng)力大幅增大，導(dǎo)致在中部圓角位置的應(yīng)力很快達到極限點而產(chǎn)生破裂．因此，在坯料中線上相對拉深破裂區(qū)域的中間位置沖 ３ 條工藝長孔（考慮凸模結(jié)構(gòu)取寬度為６ｍｍ）以提高拉深成形性的同時，選擇對拉裂處 的過小圓角參數(shù)采用過渡圓角形式進行逐步修改，如圖 ５ 所示： 重新建模后的模擬結(jié)果如圖 ６ 所示，通過沖工藝長孔和修正模具圓角，拉裂問題得到了很好的解決（成形極限圖中的破裂點為三角形網(wǎng)格自適應(yīng)細劃分時出現(xiàn)問題而產(chǎn)生，且位于工件之外）． ２．２ 載體畸變控制 載體在多工位級進沖壓過程中起著至關(guān)重要的作用，一旦載體發(fā)生變形，條料的送進精度就無法保證，嚴重影響沖壓質(zhì)量．而在壓彎 －拉深成形時， 載體產(chǎn)生了畸變?nèi)毕荩ㄈ鐖D ７ 所示）： 經(jīng)分析，連接橋在被壓邊圈壓成 Ｖ 形的同時，隨著拉深成形材料向內(nèi)流動而受力被拉長，并對載體中段產(chǎn)生一個向內(nèi)偏下的拉力，從而造成載體中段的畸變，后處理中測量可知該處拱起達 ６ ｍｍ．因此，在載體中段預(yù)先沖出一個高３．５ｍｍ 的凸包，并在壓彎 －拉深成形時運用壓料塊將凸包區(qū)域壓住，從而產(chǎn)生約束作用，以根本上解決畸變問題，沖壓凸包的模具結(jié)構(gòu)和具體尺寸如圖 ８ 所示： 圖９ 所示模擬結(jié)果表明，載體畸變得到了很好的控制，沖壓過程中幾乎沒有發(fā)生拱起，也不會因畸變而越出導(dǎo)料塊，條料側(cè)面與導(dǎo)料塊的接觸狀況得到了較大的改善，確保了送料的順暢度和精度． ２．３ 翻邊破裂控制 運用圖３（ｂ）所示模型進行翻邊成形數(shù)值模擬，在翻邊過程中，工件一端出現(xiàn)了破裂現(xiàn)象，如圖１０ 所示： 由圖１１（ａ）所示翻邊法蘭形狀可知，出現(xiàn)破裂的區(qū)域?qū)儆谏扉L類曲面翻邊，根據(jù)法蘭連接處圓角做圖１１（ｂ）所示凸模圓角，半徑僅為０．８ｍｍ，在翻邊時，該區(qū)域受到拉應(yīng)力的集中作用，容易產(chǎn)生破裂． 為避免該破裂現(xiàn)象的發(fā)生，在對翻邊修邊線進行優(yōu)化的同時對過小的凸模圓角進行修正，以增大受拉伸長區(qū)域，避免拉應(yīng)力的過度集中，修正后的凸模圓角如圖 １１（ｃ）所示，采用 ３ｍｍ→２ｍｍ 的圓角過渡．改進后的翻邊成形模擬結(jié)果如圖 １２ 所示，表明翻邊破裂問題得到了有效解決． ２．４ 回彈控制 回彈是板料成形不可避免的現(xiàn)象，當沖壓工件的回彈量超出容許范圍時，就需要采取相應(yīng)的措施進行控制，否則零件的幾何精度將難以滿足要求．因此，在進行導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)件級進沖壓工藝設(shè)計時，選擇采用整形工藝對精度要求高和回彈大的部位進行尺寸精度控制，為了使整形達到良好的效果，需要對整形前工序件的回彈進行準確預(yù)測．工件的回彈分析模型建立在板料成形模擬的基礎(chǔ)上，采用多步隱式分析方法進行回彈分析，模擬結(jié)果如圖１３ 所示： 由圖 １３ 可知，工件在切邊回彈卸載后，呈一定的扭曲狀態(tài)，在 A、B、C、D、E 位置的回彈較大，且精度要求都較高，選擇采用鑲拼模具結(jié)構(gòu)進行整形，整形可采用加壓矯正、模具鑲塊型面補償?shù)确绞竭M行．針對需整形的部位，在分段修邊設(shè)計去除材料時應(yīng)有利于這些部位內(nèi)應(yīng)力的釋放，具體整形部位和分段修邊后的坯料如圖 １４ 所示： 最后，對導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)件的多工位級進沖壓成形過程進行了重新建模，由圖 １５ 所示的模擬結(jié)果可知，通過質(zhì)量控制措施的采用獲得了理想的成形模擬結(jié)果． ３、試模結(jié)果 試模是在６３０ T 閉式雙點壓力機上進行的，試驗獲得的級進沖壓成形料帶、汽車車門左右車門玻璃導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)件如圖 １６ 所示： 由圖 １６（ｂ）可見，成形的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)件成形質(zhì)量良好，無起皺、破裂、劃傷、壓痕等缺陷產(chǎn)生，工件表面光滑．該級進模已投入實際生產(chǎn)，送料順暢，運行平穩(wěn)可靠，產(chǎn)品尺寸精度均滿足要求，生產(chǎn)效率高，達到３６ 件／分，能滿足大批量自動化生產(chǎn)要求． ４、結(jié)論 借助于數(shù)值模擬手段，對導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)件多工位級進沖壓成形質(zhì)量控制方法進行了研究，預(yù)測了成形過程中可能出現(xiàn)的各種缺陷，并提出了相應(yīng)的解決或控制措施，得出的主要結(jié)論如下： （１）通過在嚴重變形區(qū)域設(shè)置約束結(jié)構(gòu)或增大約束力可以有效地控制載體的畸變． （２）若拉深工件底部有較大需要去除材料的區(qū)域，可在該區(qū)域設(shè)置工藝孔，于拉深成形后再進行修邊，能夠有效改善材料的拉深性，防止破裂的產(chǎn)生． （３）拉深成形時，適當?shù)匦拚＞呔植繄A角參數(shù)能夠在解決拉裂的同時，保證較大壓邊力的使用，以避免產(chǎn)生起皺缺陷． （４）對于伸長類翻邊，凸模圓角接觸區(qū)域受到拉應(yīng)力的集中作用，容易產(chǎn)生破裂，通過加大凸模的接觸圓角和優(yōu)化翻邊前毛坯形狀，能夠有效避免翻 邊破裂現(xiàn)象的出現(xiàn)． （５）基于工件回彈數(shù)值模擬結(jié)果，針對切邊回彈卸載后回彈量大的部位，整形前分段修邊的設(shè)計應(yīng)有利于該處內(nèi)應(yīng)力的釋放。