CAE在縱梁模具開發(fā)中的應(yīng)用

唐敏，許素強(qiáng)，李樂，陳軒

陜西通力專用汽車有限責(zé)任公司 陜西寶雞 722405

1 序言

汽車零部件外形結(jié)構(gòu)及材料的不斷更新變化給汽車零部件加工、模具設(shè)計(jì)開發(fā)增加了不少難度，單純依靠制圖軟件和人工測繪設(shè)計(jì)的模具，由于在實(shí)際加工過程中受材料力學(xué)性能以及承載模具的設(shè)備壓力穩(wěn)定性等諸多因素的影響，使得縱梁板料在沖壓成型過程中出現(xiàn)裂紋、回彈和角度超差等一系列難以修復(fù)的質(zhì)量問題。

載貨汽車的外覆蓋零件有70%的部件應(yīng)用沖壓成型工藝加工，然而在通過模具沖壓板料得到所需產(chǎn)品外形的過程中，材料的力學(xué)性能發(fā)生了很大變化，因此成型后的回彈成為沖壓過程中比較難控制的因素[1]。為了提高燃油的經(jīng)濟(jì)性和載貨汽車的承載能力，汽車零部件的材質(zhì)向著高屈服強(qiáng)度、輕質(zhì)量的設(shè)計(jì)理念發(fā)展，但隨著零部件材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的提高，沖壓過程中材料的回彈也隨之增大，使得成型后沖壓回彈的問題更加難以控制。

車架縱梁是重型載貨汽車的核心受力部件，對整車其他零部件起到支撐與承載作用，其加工工藝流程如圖1所示。目前80%的汽車車架縱梁孔位采用數(shù)控沖孔，沖孔后通過壓型模具彎曲成型，由于先加工孔位后成型，所以對成型模具的結(jié)構(gòu)要求就比較嚴(yán)格，如果模具結(jié)構(gòu)存在問題，縱梁沖孔壓型后會產(chǎn)生一系列的質(zhì)量問題（見表1）。常規(guī)補(bǔ)償回彈變形的方法是通過試加工修模，但是這種方法不僅成本較高，需要投入很多試制材料并收集大量數(shù)據(jù)，而且修模效果不理想。

圖1 縱梁加工工藝流程

表1 模具結(jié)構(gòu)引起的質(zhì)量問題

2 板料沖壓成型回彈分析

車架縱梁外形如圖2所示，為一種“Z”字形U形梁，材質(zhì)為700L，料厚8mm，外形尺寸長7400mm、腹寬300mm，距離槽鋼前端2000mm，腹面沿縱向產(chǎn)生45mm的高度變化，要求公差為45±2mm，端部翹曲≤5mm。目前采用“平板沖孔→壓槽鋼→折彎”的工藝來完成該縱梁的加工。本文通過設(shè)計(jì)制作壓型模具，一次性完成該縱梁的成型和折彎。由于該產(chǎn)品材質(zhì)為700L，屈服和抗拉強(qiáng)度較大，因此在模具的設(shè)計(jì)過程中需要對成型后的回彈進(jìn)行充分研究。

圖2 車架縱梁示意

分析同類產(chǎn)品加工數(shù)據(jù)，對于腹面帶折彎縱梁而言，如果能控制縱梁折彎區(qū)域高度差的變形程度，就可以很好地控制折彎高度區(qū)域的回彈。為了保證板料在彈塑性變形過程中的成型回彈，使產(chǎn)生變形的板料區(qū)域有效處于塑性變形狀態(tài)，降低變形區(qū)域板料的彈性恢復(fù)性能，就必須使壓型件在模具壓力卸載后只能產(chǎn)生極小的彈性恢復(fù)，在壓型工件產(chǎn)生回彈后，壓型高度差及其他壓型尺寸仍符合設(shè)計(jì)及使用要求。針對此產(chǎn)品的外形結(jié)構(gòu)及加工工藝要求，設(shè)計(jì)制作模具，達(dá)到?jīng)_孔后的縱梁一次成型、無需校正的效果。

以該縱梁為研究原型，對縱梁成型回彈部分和回彈產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。依據(jù)此產(chǎn)品的加工工藝和同類產(chǎn)品生產(chǎn)過程中所測量的數(shù)據(jù)，把控制回彈誤差作為最終目的，運(yùn)用CAE數(shù)值模擬的過彎法進(jìn)行回彈補(bǔ)償，再利用有限元模擬軟件Dynaform進(jìn)行反復(fù)修正和驗(yàn)算，計(jì)算出合理的壓型模具輪廓[2]。最終，設(shè)計(jì)出模具圖樣，制作符合加工要求的模具進(jìn)行該產(chǎn)品的試加工，驗(yàn)證了過彎法能有效控制腹面帶折彎縱梁的回彈。

3 模擬回彈補(bǔ)償操作過程

采用有限元軟件Dynaform，以同類產(chǎn)品加工過程中收集的回彈成型值作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)產(chǎn)品模具尺寸的初始階段，縮小縱梁產(chǎn)生高度變形區(qū)的彎曲半徑，增大塑性變形區(qū)的折彎角度，讓板料變形區(qū)域產(chǎn)生過量彎曲，變形區(qū)域板料在原塑性變形的基礎(chǔ)上產(chǎn)生更大變形量。當(dāng)模具壓力卸載后，變形區(qū)域產(chǎn)生少量回彈，回彈后的縱梁幾何尺寸剛好能滿足設(shè)計(jì)要求。

多步逼近的回彈補(bǔ)償過程是利用Dynaform軟件求解回彈量，依據(jù)回彈變化量運(yùn)用過彎法的原則不斷改變模具成型面，修正后再重新計(jì)算回彈量值，通過3～4步循環(huán)計(jì)算和模具型面完善，讓縱梁回彈誤差逐步減小，最后計(jì)算出的工件外形、尺寸漸漸與目標(biāo)工件（即產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸）一致[3]，其計(jì)算流程如圖3所示。

圖3 回彈補(bǔ)償模擬計(jì)算流程

具體過程：①根據(jù)圖2縱梁產(chǎn)品圖樣，利用Solidworks軟件設(shè)計(jì)原始成型模具輪廓，同時將模具模型保存為IGS格式，導(dǎo)入Dynaform軟件中，然后在軟件前處理界面下進(jìn)行建模[4]。②以回彈模擬的預(yù)測值為依據(jù)，采用等弧長的原則在最初設(shè)計(jì)的縱梁模型基礎(chǔ)上，用Solidworks把縱梁側(cè)壁產(chǎn)生高度差的收縮段的凸、凹模圓角做一定的減小，將側(cè)壁拉伸區(qū)域的凸、凹模圓角做適當(dāng)?shù)姆糯蟆Ｒ罁?jù)1/2回彈量原則依次修改模具CAD型面，即將經(jīng)過模擬計(jì)算的工件和目標(biāo)工件進(jìn)行比較，若回彈角為2d，則修改凸模圓角的時候就反向修正1d，例如回彈量為4mm，就將模具型面反向修正2mm。③將修改好的模具模型導(dǎo)入Dynaform軟件中重新建模并開始運(yùn)算，運(yùn)算后將工件再一次與目標(biāo)工件對比，若誤差超出允許范圍，就繼續(xù)修正模具型面，重復(fù)循環(huán)修正模具型面并進(jìn)行模擬計(jì)算，直到最終計(jì)算出的工件形狀尺寸與目標(biāo)工件的設(shè)計(jì)要求一致。此縱梁成型模CAD型面經(jīng)過3次模擬計(jì)算修改后，其模擬計(jì)算結(jié)果與目標(biāo)工件基本一致，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 設(shè)計(jì)制作模具驗(yàn)證

以計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)得到的最終壓型模具外形輪廓結(jié)構(gòu)為依據(jù)，制作CAD圖形并編制加工數(shù)控程序，傳輸至生產(chǎn)車間進(jìn)行模具各零部件的生產(chǎn)及組裝，加工完成裝入6000t壓力機(jī)?？v梁壓型模如圖4所示，模具由凸模、凹模、鑲塊和拖料板4部分組成。模具裝入壓力設(shè)備后調(diào)機(jī)，將符合圖樣及工藝要求的沖孔板料放入模具試生產(chǎn)。此產(chǎn)品的外形結(jié)構(gòu)要求高度的回彈誤差控制在2mm以內(nèi)，端部的回彈翹曲誤差控制在5mm以內(nèi)。第一次試壓型的10件縱梁工件產(chǎn)品如圖5所示，利用便攜式三坐標(biāo)機(jī)對工件進(jìn)行測量，模擬變形值和實(shí)際值對比見表2。

圖4 縱梁壓型模

圖5 縱梁工件

表2 數(shù)值對比

由表2可以看出，通過模擬補(bǔ)償修正設(shè)計(jì)出模具，加工出的產(chǎn)品的壓型高度差及其他壓型尺寸誤差均符合公差要求，壓型后的“Z”字形槽鋼各項(xiàng)數(shù)據(jù)均滿足使用性能，消除了由于材料應(yīng)力及外形復(fù)雜壓型回彈引起的產(chǎn)品尺寸誤差大的弊端。設(shè)計(jì)制作的模具通過試生產(chǎn)，簡單調(diào)試即可投入到大批量的生產(chǎn)中。

5 結(jié)束語

利用CAE求解分析復(fù)雜模具生產(chǎn)過程中的回彈力變化，可提前識別板料成型過程中各種應(yīng)力變化造成的沖壓成型缺陷，在最初的模具開發(fā)階段就能對壓型回彈進(jìn)行模擬控制和回彈分析，不用將模具制作成型后再進(jìn)行試生產(chǎn)驗(yàn)證和修模，有效降低了模具開發(fā)時間及因?yàn)轵?yàn)證和修模所投入的費(fèi)用，可廣泛應(yīng)用于外形復(fù)雜、屈服強(qiáng)度高且回彈大的沖壓件模具的設(shè)計(jì)與制造。