汽车覆盖件数值模拟与拉延模设计
徐月+段磊+焦雷魁
摘 要：排样设计是多工位级进模设计最重要的环节。本文对汽车洗涤液壶安装支架零件的成形工艺性进行了分析，利用板料一步逆成形模拟方法得到了该零件的坯料展开图，并制定了两种级进模排样设计方案。采用多工位全工序数值模拟方法验证了两种排样工艺设计的可行性和合理性。两种排样工艺设计的对比分析为同类零件的级进模生产提供重要的参考价值。
关键词：安装支架； 多工位级进模； 排样设计； 数值模拟
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.005
级进模作为一种高效、精密、长寿命的冲压模具，广泛应用于汽车、航空航天、电气电子等零部件的生产制造。由于级进模是由多个工位组成，在一套模具上同时完成多个不同的冲压工序，制件成形质量、精度均要求高，因而，级进模模具结构复杂，设计制造难度大。
随着CAE有限元分析技术的飞速发展，利用板料冲压成形数值模拟软件可对制件的成形过程进行仿真和优化，从而提高模具设计质量，缩短模具开发周期，降低模具开发成本。
本文以汽车洗涤液壶安装支架为研究对象，首先在CAD设计软件UG中设计该制件的级进模排样工艺，然后利用CAE分析软件Autoform对设计好的排样工艺进行多工位全工序的成形数值模拟，以验证排样工艺设计的可行性和合理性，为该制件的级进模设计和制造提供重要参考。
1 零件工艺分析
汽车洗涤液壶安装支架零件如图1所示，材料牌号为B170P1，料厚为1.2mm，大批量生产。观察零件结构可知，该制件沿两孔的中心线两侧对称，成形需要通过落料、压型、整形、冲孔等工序来完成，并且该制件对冲孔、落料的尺寸精度要求较高。考虑到节约生产设备和模具，提高生产效率和经济效益，故采用级进模制造该零件。
2 排样设计
排样设计是级进模设计最重要的环节，排样设计的优劣直接影响级进模冲压过程的流畅性、稳定性、生产效率、制件质量及模具寿命。在进行支架零件排样设计之前，首先要根据制件的成形特征确定坯料的展开构形。该制件主要的成形工序为两侧的压型，利用Autform软件中的一步逆成形模拟方法将制件直接展开到料带的基准面上，得到坯料展开如图2所示。依据工程经验对该制件设计了两种排样方案，均为9工序单列直排。
排样方案一如图3所示，采用双侧载体+中间载体搭边，料带宽度为170mm，步距为184mm，设计工序分别为：①冲3-?10定位孔②冲异形孔③冲异型孔④冲异型孔⑤上下两侧压型⑥上下两侧整形⑦冲2-?7安装孔⑧分离制件⑨载体切断。
排样方案二如图4所示，采用双侧载体搭边，料带宽度为194mm，步距为138mm，设计工序分别为：①冲2-?10定位孔②冲异形孔③冲异型孔④冲异型孔⑤左右两侧压型⑥左右两侧整形⑦冲2-?7安装孔⑧分离制件⑨载体切断。
3 排样数值模拟
针对上述两种排样方案，为了提前验证方案中各工序的成形质量，以判断各工序设计的合理性，本文利用Autoform软件数值模拟分析两种方案中冲孔、压型等主要工序的成形性能，并通过模拟制件的成形过程判断工艺方案是否需要进一步改进。
由于级进模成形由多个成形工位组成，可以采用的数值模拟方法有单工位多工序模拟法和多工位单工序模拟法。为了详细分析各工序的成形情況，本文采用多工位单工序模拟法建立了两种方案的全工序有限元模型，如图5、图6所示。按照实际级进模冲压加工定义各个工序凸模、凹模和压边圈的位置及运动关系，定义板料沿送料方向按步距移动。
根据实际生产只需对压型过程进行模拟即可。图7、图8是两种排样方案压型后的成形极限图。从图中可以看出，支架零件形状通过压型工序是可以完全成形出来的，且不存在质量缺陷。因此，可以认为两种排样方案设计的冲孔、压型、整形等各工序是合理可行的。
4 排样比较
计算上述两种排样方案的利用率，方案一的材料利用率为62.8%，方案二的材料利用率为73.3%，方案二的材料利用率较高。但从模具实际生产过程来看，方案二的板料沿送料方向移动时需要托起的行程较大，模具结构复杂，制造难度大。而方案一的板料沿送料方向移动时不需要托起，模具结构简单，且送料速度要比方案二快，生产效率高，模具制造成本低。
5 结束语
本文以汽车洗涤液壶安装支架零件为例，利用板料一步逆成形模拟方法得到了该零件的坯料展开图，并制定了两种级进模排样设计方案。采用多工位全工序数值模拟方法验证了两种排样工艺设计的可行性和合理性。通过对比分析两种排样方案，方案二的材料利用率较高，但模具结构复杂，制造成本高，生产效率低。如果仅从节省材料的角度上考虑则采用方案二较为合适。如果从简化模具结构，降低制造成本，提高生产效率的角度上考虑则采用方案一较为合适。
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基金项目：天津职业技术师范大学国家级大学生创新创业训练计划资助项目（201510066028）；天津市教育委员会优秀青年教师资助计划项目（RC14-16）；天津职业技术师范大学科研发展基金项目（KJ15-01）；天津市应用基础与前沿技术研究计划项目（15JCQNJC05000）。
作者简介：徐月（1993-），女，湖北襄阳人，机械制造工艺教育专业在校本科生。
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