引言

沖壓工藝是金屬(塑料)成型的基本手段,提供具有特定形狀且可滿足特定使用要求的零件。其機(jī)制是:在壓力機(jī)的作用下,金屬(或非金屬)板被推過沖模以使結(jié)構(gòu)分離或變形。通常,由于沖壓過程在常溫條件下進(jìn)行,此類沖壓也稱為"冷沖壓"。

沖壓加工主要包括三個(gè)重要因素:沖壓設(shè)備、原材料和沖壓模具。原材料通常由金屬或非金屬板制成:沖壓模具涉及沖壓操作中的約束,該工具能在沖壓過程中限制板材的塑性變形過程,以根據(jù)所需部件結(jié)構(gòu)特征加工板材:沖壓設(shè)備通常是指壓力機(jī),其主要提供板變形所需的力。

所謂"數(shù)字設(shè)計(jì)",即基于先進(jìn)的理論和方法,使用數(shù)字技術(shù)作為工具來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中對(duì)象的數(shù)字表達(dá)、處理、存儲(chǔ)和控制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)和數(shù)值理論等學(xué)科的迅速發(fā)展,數(shù)字化設(shè)計(jì)逐漸發(fā)展和成熟,其研究和開發(fā)已成為各個(gè)生產(chǎn)大國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)。通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助分析(CAE)、計(jì)算機(jī)輔助工藝(CAPP)等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā),能夠降低生產(chǎn)成本,并最大限度地縮短開發(fā)周期,顯著提高新產(chǎn)品商業(yè)開發(fā)的效率和市場(chǎng)適應(yīng)性。

1板料沖壓成型的缺陷

板料沖壓受到許多因素的影響和限制,需要解決的主要問題是材料是否可以根據(jù)預(yù)期的目標(biāo)變形。在實(shí)際生產(chǎn)中,形狀設(shè)計(jì)的效果通常會(huì)受到很多因素影響,材料的起皺、回彈和破裂影響相對(duì)較大。在沖壓片材之后,將形成不同水平的材料缺陷,有些缺陷可以忽略,但如果是有特殊要求的組件,這將產(chǎn)生很大的影響。

傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)通常取決于技術(shù)設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn),或者是根據(jù)可比較的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。當(dāng)新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單或原產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化不大時(shí),可采用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)模具以滿足生產(chǎn)需要。但如果產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)周期短,則傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法就會(huì)由于理論分析不夠充分而不能滿足需求,這就是為什么采用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)開發(fā)用于沖壓的特殊沖壓模具生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本相對(duì)高。鑒于此,對(duì)于數(shù)字化設(shè)計(jì)和模具開發(fā)的研究是非常必要的。

2產(chǎn)品材料與工藝

圖1展示了某電機(jī)整體裝配零部件沖壓成型工藝過程,存在相對(duì)復(fù)雜的壓邊力,有相應(yīng)研究?jī)r(jià)值及拉伸難度,本文以此零件進(jìn)行CAE成型分析與說明,工件材料參數(shù)如表1所示。

3數(shù)值模擬壓邊力確定

計(jì)算壓邊力的基本公式為:

式中,P為單位壓邊力(MPa):A為在壓邊圈下坯料的投影面積(mm2)。

如果壓邊力太大,將發(fā)生一定的中斷:如果壓邊力太小,則部件的凸緣部分起皺。因此,必須合理計(jì)算實(shí)際需求,以確?？茖W(xué)合理地設(shè)置壓邊力。

3.1壓邊力5000N

壓邊力過小時(shí),由于成型件反作用力大,壓邊力無法克服成型件反力,翹曲起皺為限制成型的主要因素。

3.2壓邊力8000N

壓邊力合適時(shí),既能夠很好地抑制翹曲起皺,又能夠讓材料很好地流動(dòng)到?jīng)_壓件的底部,成型極限達(dá)到25mm的深度。

4CAE分析

CAE分析結(jié)果如圖2、圖3所示,其中,圖2是成型形貌分布,可以直觀地看出裂紋可能的發(fā)展位置與趨勢(shì):圖3是成型極限的數(shù)值分布,可以顯示出具體的成型不良區(qū)域的數(shù)值大小。

從成型過程來看,容易出現(xiàn)裂紋的地方在成型件的底部與壁面,而上部容易出現(xiàn)翹曲。成型極限比LDR達(dá)到2.4,最大拉伸深度為25.12mm。通過成型極限圖可以對(duì)成型過程中可能出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行工藝優(yōu)化,消除這些可能存在的問題。

5結(jié)論

(1)成型件的極限拉伸比還可以更大一些:

(2)成型過程的壓邊力是非常重要的影響因素,此次分析的是恒定壓邊力,可以采用變壓邊力,讓極限拉伸比增大:

(3)成型極限圖顯示的裂紋與翹曲趨勢(shì)可以采用變壓邊力以及成型件初始溫度條件來改善:

(4)成型件的殘余應(yīng)力比較大,回彈分析是解決此問題的方法。

基于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),本文對(duì)冷沖壓模具設(shè)計(jì)的模擬過程和測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析和比較,證實(shí)CAE分析軟件的使用具有一定的實(shí)踐意義,即能夠在設(shè)計(jì)過程中解決模具存在的問題,優(yōu)化設(shè)計(jì)成本和生產(chǎn)周期。