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。其機制是:在壓力機的作用下,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行,此類沖壓也稱為"冷沖壓"。

沖壓加工主要包括三個重要因素: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,其主要提供板變形所需的力。

所謂"數(shù)字設(shè)計",即基于先進的理論和方法,使用數(shù)字技術(shù)作為工具來實現(xiàn)設(shè)計過程中對象的數(shù)字表達、處理、存儲和控制。隨著計算機技術(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)計逐漸發(fā)展和成熟,其研究和開發(fā)已成為各個生產(chǎn)大國關(guān)注的熱點。通過計算機輔助設(shè)計(CAD)、計算機輔助分析(CAE)、計算機輔助工藝(CAPP)等先進技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字化產(chǎn)品的設(shè)計和開發(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)期的目標變形。在實際生產(chǎn)中,形狀設(shè)計的效果通常會受到很多因素影響,材料的起皺、回彈和破裂影響相對較大。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)計通常取決于技術(shù)設(shè)計師的經(jīng)驗,或者是根據(jù)可比較的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的。當新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單或原產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化不大時,可采用傳統(tǒng)方法設(shè)計模具以滿足生產(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)驗設(shè)計方法就會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)計開發(fā)用于沖壓的特殊沖壓模具生產(chǎn)周期長、成本相對高。鑒于此,對于數(shù)字化設(shè)計和模具開發(fā)的研究是非常必要的。

2產(chǎn)品材料與工藝

圖1展示了某電機整體裝配零部件沖壓成型工藝過程,存在相對復(fù)雜的壓邊力,有相應(yīng)研究價值及拉伸難度,本文以此零件進行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,必須合理計算實際需求,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,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,既能夠很好地抑制翹曲起皺,又能夠讓材料很好地流動到?jīng)_壓件的底部,成型極限達到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: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達到2.4,最大拉伸深度為25.12mm。通過成型極限圖可以對成型過程中可能出現(xiàn)的缺陷進行工藝優(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)計數(shù)據(jù),本文對冷沖壓模具設(shè)計的模擬過程和測試結(jié)果進行了分析和比較,證實CAE分析軟件的使用具有一定的實踐意義,即能夠在設(shè)計過程中解決模具存在的問題,優(yōu)化設(shè)計成本和生產(chǎn)周期。