雙孔鏈板片沖孔落料復合模沖壓模具設計【含12張CAD圖紙和說明書】

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ANDERSSON? , ? , _ 當今，金屬板料成形數(shù)值模擬是一種用于預測汽車零部件成形能力的強有力的技巧。與傳統(tǒng)的方法比如使用試制模具，金屬板料成形數(shù)值模擬在模具設計中應用程度的巨大的增加使實體模具在制造之前被測試成為可能。另外一種金屬板料成形模擬的優(yōu)點在于其可利用于工藝設計早期階段，例如在最初的設計階段。如今，金屬板料成形數(shù)值模擬的結(jié)果的精確度在很大程度上已足夠高，以致于可代替試制模具的使用。在沃爾沃汽車公司，車身部件工廠，該項研究已經(jīng)被啟動，金屬板料成形模擬以集成的模塊形式在模具設計與模具生產(chǎn)的工藝中被使用。 1 引言 傳統(tǒng)地，試制模具被用于驗證某種模具設計能否生產(chǎn)滿足要求質(zhì)量的零件。試制模具通常由比生產(chǎn)用模具更便宜的材料制成。這是一種很省時且節(jié)約成本的方式。但是，如今另外一種更為行之有效的技術(shù)可以使用——金屬板料成形模擬。這種新技術(shù)基于成形工藝的數(shù)值模擬，并且對于每套實用模具可以降低10%的成本和15%的生產(chǎn)時間。金屬板料成形數(shù)值模擬技術(shù)不斷的發(fā)展，并且模擬的結(jié)果越來越精確。在將來，或許可以使用金屬板料成形數(shù)值模擬用于分析更多的工藝。如今，金屬板料成形數(shù)值模擬的結(jié)果的精確度在很大程度上已足夠高可代替試制模具的使用。 2 方法 該研究的目的在于分析和比較金屬板料成形數(shù)值模擬和試制模具在成形模具設計中的優(yōu)缺點。此研究中使用的方法基于專為該研究開發(fā)的產(chǎn)品可靠性模板（PSM) (Rundqvist and Sta°hl 2001年)和工藝一致性模板 (PCM)。PSM是一種把工藝中的不同因素（參數(shù)）按目錄編入不同因素組的模板。然后每種因素（參數(shù)）的影響被評定為0—3等級。基于模板的結(jié)果，對產(chǎn)品工藝有最大影響的參數(shù)可以被篩選出來，然后可以制作折中或是最小化這些影響的優(yōu)先表。PCM是通過高級專家測試在實際生產(chǎn)中對汽車元器件成形的連續(xù)測試來分析金屬板料成形數(shù)值模擬、試制模具的結(jié)果，生產(chǎn)零件的質(zhì)量 3 設計成形模具的工藝 圖1所示，一種在沃爾沃汽車公司車身部件工廠（VCBC）的開發(fā)一種成形模具的簡化生產(chǎn)工藝流程。 一種成形模具設計的工藝包括試制階段，該階段各種不同的模具設計被測試。這是一個在模具設計工藝中很重要的階段，目的在于驗證零件將會滿足所要求的質(zhì)量。預測一種成形操作的結(jié)果是很困難的，但是通過使用金屬板料成形數(shù)值模擬方法使得對成形操作的結(jié)果有價值的預測成為可能。 零件/工藝最初的設計 零件 設計 硬質(zhì)模具/工藝設計 試制 模具 金屬板料成形數(shù)值模擬 圖1 VCBC設計成形模具的工藝方法 3.1 金屬板料成形數(shù)值模擬的使用 金屬板料成形數(shù)值模擬可以被利用到模具設計工藝的幾個階段。 ● 起初設計的早期階段，能夠快速驗證汽車元器件設計的不同的方案 ● 預測并且驗證成形工藝 ● 改善現(xiàn)有的工藝 3.1.1 金屬板料成形數(shù)值模擬的需求 ● 數(shù)值模擬軟件 ● 零件布局的CAD模型或模具成形表面的CAD模型 ● 描述特定金屬板料材料的參數(shù) ● 工藝參數(shù) ● 工作站（現(xiàn)今個人計算機的發(fā)展快速的提升以致于個人計算機在將來會成為一種強有力的替代） ● 一名有能力可以操作該軟件并能夠分析數(shù)值模擬結(jié)果的員工 數(shù)值模擬軟件?，F(xiàn)今市場有各種各樣的商業(yè)軟件可供使用。為找到合適的軟件，必須分析所使用的領(lǐng)域?？紤]到用戶界面友好性與軟件柔性，軟件包是不同的。 在進行該項研究的VCBC，兩種不同的軟件包得以使用。一種是用戶友好的可快速提供結(jié)果的AUTOFORM（2001）。該軟件用于獲取合理的模具集合形狀的反復的分析工藝。另外一種軟件是LS—DYNA（2001），被用于驗證AUTOFORM的結(jié)果。 ● CAD模型。為使用金屬板料成形數(shù)值模擬方法分析零件或者模具設計，就需要該零件或者模具的CAD模型。這種模型可以在大多數(shù)CAD軟件中構(gòu)造。例如，在VCBC使用的CATIA軟件。不同的數(shù)值模擬軟件需要不同類型的CAD模型。 ● 材料參數(shù)。單向拉深實驗被用于描述材料參數(shù)。同樣有必要描述材料內(nèi)部斷裂的風險。描述斷裂的數(shù)據(jù)是通過創(chuàng)建成形極限曲線來獲取的。成形極限曲線是一種顯示在斷裂發(fā)生前最大許用應力數(shù)值的描繪在基準應力平面上的曲線。更為透徹的描述由Pearce于1991年提出。 ● 工藝參數(shù)。金屬板料成形數(shù)值模擬需要核實的工藝參數(shù)。 ● 工作站。用于進行金屬板料成形數(shù)值模擬的模型通常很大以致于為獲得核實的運算時間而需要使用工作站。但是，個人計算機技術(shù)的發(fā)展使幾臺PC聯(lián)網(wǎng)成為可能，這有可能會是工作站的替代。 ● 有能力的員工。為讀懂金屬板料成形數(shù)值模擬的結(jié)果，能夠輸入正確的數(shù)據(jù)并且擁有理解結(jié)果的能力是狠必要的。這就需要有能力的員工。這種能力應該包括成形知識和數(shù)值模擬知識這由于考慮到生產(chǎn)工藝與翻譯結(jié)果二者的聯(lián)系。 表1 V-1158.的材料數(shù)據(jù) 壁厚(mm) Rp0.2屈服強度(Mpa) Rm抗拉強度極限 (MPa) n 值 (平均值) R 值 (平均值) 0.8 140 320 0.243 1.76 3.2 金屬板料成形數(shù)值模擬的結(jié)果 金屬板料成形數(shù)值模擬式如下的研究成為可能： ● 壁厚的分配 ● 斷裂的幾率 ● 拉深線 ● 起皺 ● 拉深/沖孔的壓力 ● 表面缺陷 ● 表面的穩(wěn)定性 ● 彈性回復 ● 材料行為 ● 工藝監(jiān)測 ● 內(nèi)部拉深 ● 成形視窗 ● 力（凸模、沖孔） 圖2 壁厚的分配藍色區(qū)域顯示變薄20%，紅色10% 為驗證可能的結(jié)果對VolvoS80的車身外側(cè)的數(shù)值模擬進行了研究。用于該種汽車元器件的材料是一種有著良好成形能力的中碳鋼(V—1158)。材料的參數(shù)如表1所示。 3.2.1 壁厚的分配。 金屬板料成形數(shù)值模擬可以為部件壁厚的分配提供一個良好的近似值。在汽車工業(yè)對于考慮到壁厚減少的最大的許用量有要求，以確保在碰撞事故中的安全區(qū)域。 3.2.2 斷裂的幾率 成形工藝過程中可以使用成形極限曲線的方法評定斷裂的幾率，該幾率已在此部分的最初時間被描述好。 圖3 斷裂的幾率。 圖中，裂紋以紅色顯示。右側(cè)黑線代表成形極限曲線。同樣顯示數(shù)值模擬的結(jié)果（藍色點） 圖4 圖中的深藍色線顯示材料在成形操作時的流動情況。 如果材料流過圓角，零件上就會出現(xiàn)拉深線。如果拉深線出現(xiàn)在外觀零件的可見表面，該零件就會因質(zhì)量原因而廢掉。 3.2.3 拉深線 拉深線發(fā)生于當一個可見的零件外部區(qū)域通過圓角滑入當成形時。零件表面一點流動方式的曲線在數(shù)值模擬器件即出現(xiàn)這些線。拉深線在外部零件的可見表面是不應該出現(xiàn)的。 在描述成形能力的圖5，有足夠應變的表面可以看到。通過共同研究這些使預測這些表面的穩(wěn)定性成為可能。這是一種簡化的分寫。一種更為細致分析將會包括最終零件的應力與應變的聯(lián)系。 圖5該圖顯示對工藝監(jiān)測的一個實例。很容易理解成形工藝期間起皺的擴展情況 3.2.4 起皺 可見的起皺在零件上市不允許的。這些可以通過金屬板料成形數(shù)值模擬來監(jiān)測。 3.2.5 力 為以一種精確的方法測量工藝，必須要知道哪些力對成形該零件是必要的。這些力的數(shù)據(jù)可以從金屬板料成形數(shù)值模擬的結(jié)果中獲取。 3.2.6 表面缺陷 汽車外部零件對可能發(fā)生于成形期間的表面的翹曲很敏感。這些翹曲可能很小但是零件噴涂后仍然可見，這就意味著這個零件必須被廢棄。這種缺陷可以通過人工檢查到當它在表面輕微移動的時候。金屬板料成形數(shù)值模擬通過對盈利應變分配的分析可以被用于監(jiān)測危險區(qū)域 3.2.7 表面的穩(wěn)定性 穩(wěn)定的表面的獲得目的為增大零件的剛度以阻止零件的不穩(wěn)定和振動。金屬板料成形數(shù)值模擬可以通過對應變分配的分析用于監(jiān)測危險區(qū)域。 圖6 上圖顯示成形能力。上圖中的灰色區(qū)域暗指不穩(wěn)定的區(qū)域，粉紅色區(qū)域則為起皺區(qū)域。 在下圖中指示受壓小約束表面標記為藍色。如果這些區(qū)域位于外觀零件的可見表面，則存在產(chǎn)生不穩(wěn)定區(qū)域的可能性。 3.2.8 彈性回復 彈性回復可以被用于描述在制件被取出成形模具后發(fā)生的一種幾何形狀的變化。這種幾何形狀的變化導致該零件與其他零件進行裝配式的不匹配。 3.2.9 工藝監(jiān)測 在金屬板料成形數(shù)值模擬中，這種工藝可以通過動畫的方式細致地而執(zhí)行。 3.2.10 拉深 為使材料的消耗最小，優(yōu)化毛坯的外形是很重要的。金屬板料成形數(shù)值模擬可以通過分析內(nèi)拉深工藝最大程度的充分利用坯料。 3.2.11 成形視窗 成形視窗可以被描述為工藝參數(shù)的許用變動范圍。目的在于保證生產(chǎn)零件的質(zhì)量。 3.3 試制模具的使用 試制模具當工藝方法設計需要驗證時被使用（如圖1）?；谶@種設計試制模具用鋅合金鑄造。例如，快速原型零件從這種試制模具中生產(chǎn)出來。試制模具與生產(chǎn)模具制件有幾點不同。因此，在試制模具中生產(chǎn)如此多的零件是不可能的。另外一點不同在于試制模具比生產(chǎn)模具要便宜更多。但是，由于兩種形式模具件的區(qū)別的存在，對于在這兩種形式模具中生產(chǎn)處的零件有同樣的質(zhì)量沒有保證。 圖7 藍綠色線顯示坯料閉合后的板料位置。拉深線即可以通過與底部區(qū)域的線的比較測量。 4 產(chǎn)品可靠性模板(PSM) PSM可以用于確定哪個參數(shù)對工藝的穩(wěn)定性有巨大的影響。同樣使確定某種影響的程度成為可能。這就為對大多數(shù)極其困難的問題提供了數(shù)值上的幫助。這些極困難的問題就特別的有趣當他們被解決的時候因為他們是最降低效率的。對PSM更為細致的描述由Rundqvist 和 Sta°hl 于2001年提出。一個PSM被使用的例子由. Pettersson于1991年提出，在該例子中在VCBCPSM被用于分析不同的工藝。 5 結(jié)果 使用試制模具的技巧已經(jīng)與金屬板料成形數(shù)值模擬的技巧從兩個方面進行了比較。第一方面是預測生產(chǎn)工藝不同的參數(shù)的能力，在第3部分已經(jīng)提到。第二方面是驗證哪個工藝參數(shù)應該加以研究的能力。 5.1 預測工藝與生產(chǎn)工藝一致性的研究 PCM提供試制模具與數(shù)值模擬考慮生產(chǎn)工藝的相關(guān)性透徹的比較。表2顯示應用的不同領(lǐng)域不同的技巧與能力預測在生產(chǎn)工藝中的行為。表2 的數(shù)值已經(jīng)通過與高級成形專家深入的研究而確定。 表2中，使用到下面的等級 5 結(jié)果顯示與生產(chǎn)工藝非常一致。4 4 結(jié)果顯示與生產(chǎn)工藝良好的一致。個別地方可能有分歧。 3 結(jié)果顯示與生產(chǎn)工藝在大多數(shù)地方較好的一致。 2 結(jié)果顯示與生產(chǎn)工藝在某些地方較好的一致。需要對結(jié)果進行間接地理解。 1 結(jié)果顯示與生產(chǎn)工藝完全沒有一致性。它不能被用于工藝預測或者是檢驗。 對于表2的結(jié)論包括如下 ● 斷裂的幾率與實際斷裂間的差異在于斷裂幾率顯示區(qū)域沒有發(fā)生裂紋而是縮頸出現(xiàn)的地方。 ● 參數(shù)“材料特點”指的是預測零件質(zhì)量的能力依賴于材料質(zhì)量的波動。 ● 工藝監(jiān)測使控制在工藝過程中不同參數(shù)的如何改變成為可能。 ● 成形視窗對于監(jiān)測工藝對波動的敏感程度是一個輔助工具。 ● 模具沖裁力的數(shù)值基于可以測量試制模具中的成形力的假設。 表2 工藝一致性模板（PCM）：產(chǎn)品工藝的一致性 參數(shù) 工藝 壁厚分配 斷裂幾率 斷裂 拉深線 起皺 表面缺陷 表面的穩(wěn)定性 彈性回復 材料性能 工藝監(jiān)測 內(nèi)部拉深 凸模沖壓力 拉深量 沖裁力 成形視窗 數(shù)值模擬 4 4 4 4 4 2 2 2 4 4 4 3 2 2 4 試制模具 3 3 4 3 4 4 4 3 2 3 4 3 4 3 3 5.2 對于生產(chǎn)工藝中何種因素可以分析的研究 依據(jù)PSM模型，將對生產(chǎn)工藝有特殊性的不同因素分成不同因素組的放啊已經(jīng)被運用在此次研究中。在先前的研究中(Andersson et al. 1999年)，關(guān)于這兩種鋁成形的技巧的不同因素已經(jīng)被研究了。在這項研究中為方便的比較這兩種技巧由于預測和驗證被考慮這項工作得以修正。 在表3中，使用到下面的等級 3 結(jié)果顯示對生產(chǎn)工藝極好的預見性。 2 結(jié)果顯示對生產(chǎn)工藝直接的預見性。 1 結(jié)果顯示對生產(chǎn)工藝間接地預見性。 0 結(jié)果根本不能預測生產(chǎn)工藝。 5.3 測試能力的局限/擴大 對表2和表3的分析顯示出在模具設計工藝過程中使用金屬板料成形數(shù)值模擬的幾個優(yōu)點。然而，金屬板料成形數(shù)值模擬的最大優(yōu)點之一在于其使對不同零件、模具或是工藝的設計的測試成為可能，從而潛在的節(jié)省了時間和金錢。在這個方面，試制模具更為局限和昂貴，這就意味著僅有極少數(shù)量的試制模具被生產(chǎn)出來。試制模具的使用對測試有助于可能性的局限，然而，金屬板料成形數(shù)值模擬的使用有助于測試可行性范圍的擴大。 表3 利用PSM預測生產(chǎn)工藝中的不同因素（參數(shù)）的比較的可能性考慮試制模具中的測量力的可能性 因素分組 金屬板料成形數(shù)值模擬 試制模具 A 模具 A1 模具幾何外形 2 2 A2 微觀形狀/表面 0 1 A3 拉深筋 1 2 B 材料 B1 壁厚分配 2 2 B2 斷裂的幾率 2 2 B3 拉深線 2 2 B4 起皺 2 2 B5 表面缺陷 1 2 B7 表面穩(wěn)定性 1 2 B8 彈性回復 1 2 B9 材料性能 2 2 B10 內(nèi)部拉深 2 2 B11 表面粗糙度、擦損 0 2 C 工藝 C1 沖壓速度 1 2 C2 溫度 0 1 C3 潤滑 1 2 C4 凸模沖壓力 2 2 C5 沖孔沖壓力 2 2 C8 成形視窗 2 2 D 人為因素 D1 控制 1 2 D2 變換頻率 1 2 E 維護 E2 沖壓力維護 1 1 F 特殊因素 F1 模具潔凈成素 0 2 G 進口設備 G1 操控設備 1 3 6 結(jié)論 金屬板料成形數(shù)值模擬的使用與試制模具的使用相比可極大地減少金錢和時間的花費。要點在于研究的數(shù)值模擬與實際生產(chǎn)工藝參數(shù)之間的良好的一致性。金屬板料成形數(shù)值模擬對于預測和驗證成形工藝也要比試制模具高級。 當開始使用金屬板料成形數(shù)值模擬時，所需投入相對較小。投入工作站和軟件是很必要的，這些大概花費500，000SEK。此外，擁有有能力勝任金屬板料成形模擬工作的員工同樣是比不可少的。與投資一套試制模具（每套50，000SEK）相比，如果在合適的時候使用金屬板料成形數(shù)值模擬在降低金錢和時間消耗方面的益處是很明顯的。 正如起初是所提到的，現(xiàn)今金屬板料成形數(shù)值模擬結(jié)果的精確性已足夠高可以在很大程度上代替試制模具的使用。模具設計工藝中試制模具的使用對于某些時候?qū)τ隍炞C某些工藝參數(shù)可能是必要的，但是如下的優(yōu)點則很緊密的和金屬板料成形數(shù)值模擬聯(lián)系在一起。 對于極重要的最初階段工藝的更為深入的研究; 對于零件，模具和工藝設計測試的更高的柔性; 對于何時應該采用試制模具，使試制模具更具成效的更為深入的理解; 對于更大膽的設計汽車提供更大的潛力; 對于應用于汽車零部件的新材料的測試的更為可靠; 鑒于更前衛(wèi)的設計，更低的耗費，和更短的交貨時間以得到更強的競爭力。 7 總結(jié) 在該項研究得以進行的VCBC，金屬板料成形數(shù)值模擬現(xiàn)今已經(jīng)是模具設計工藝的一個自然的部分。金屬板料成形數(shù)值模擬自從1995年起被使用，并且試驗一直很好。現(xiàn)如今所有的工藝如此的復雜以致于基于數(shù)值模擬的試驗選擇成形條件是困難的。在VolvoS80開發(fā)期間，該車是第一款全部使用數(shù)值模擬技術(shù)的汽車項目，當?shù)谝淮伪煌度雽嶋H生產(chǎn)時在工藝問題上有很大的降低得以完成。 致 謝 作者想要表達對VCBC的同事，此項工作期間提供大量的數(shù)據(jù)信息和有趣的討論。同樣的感謝他的導師Jan-Eric Sta°hl教授（產(chǎn)品與材料工程分院，蘭德大學），和他的合作導師Kjell Mattiasson教授（Chalmers University of Technology)，感謝他們的支持以及對該文章的修正。 57