支撑座冲压工艺及模具设计

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本田汽车公司某型汽车上的支撑座零件，材料为高强度钢DP980，厚度为1.2mm，该零件结构形状极其复杂，采用传统的展开方法很难准确确定其坯料形状和尺寸。同时，零件的凹坑深度较深，采用通常的冲压成形工艺很难保证一次成形而不发生拉裂。本文采用Dynaform冲压成形数值模拟软件进行该零件的冲压工艺方案模拟分析及模具结构设计，最终试制出合格的支撑座零件。

1坯料形状及尺寸的确定

本文采用板料冲压成形数值模拟软件Dynaform来确定汽车支撑座零件冲压坯料的形状。Dynaform为美国ETA公司和LSTC公司联合开发应用于板料成形模拟的专用软件，其采用业界著名的非线性动力显式有限元软件LS-DYNA求解器，LS-DYNA为采用显、隐式结合算法进行板料成形模拟最具有代表性的软件。它用动力显式求解器模拟冲压成形过程，计算稳定且效率高，在完成冲压成形分析后，自动切换到隐式求解器进行回弹分析，在回弹分析过程中，可以采用大的时间步长，提高回弹的计算效率，实现了显、隐式求解器无缝集成，可以方便地求解板料成形工艺及模具设计涉及到的复杂问题，是目前该领域应用最为广泛的CAE软件，它可以确定成形零件的坯料形状和尺寸，预测板料成形过程中的破裂、起皱、变薄和回弹［1－3］。

1.1坯料形状的精确模拟措施

(1)坯料网格。采用矩形网格，至少为四边形并强制采用自适应网格技术，当坯料随着模具变形时，网格区域划分越小则单元越小，精确度越高。(2)工具(凹模、凸模、压边圈)网格。工具网格尽可能小，才能保证与工具形状一致，使工具网格与坯料网格相适应，使工具与坯料的接触力分布更精确。(3)壳单元公式的选择。采用Belytschko-Tsayb薄壳单元公式(简称BT)，这是许多国际著名软件的缺省单元公式，它采用单元内一点积分，计算速度非常快。(4)材料模型的选择。采用Dynaform中37号材料模型。37号材料模型是板料冲压成形数值模拟常用的厚向异性弹塑性材料模型，该模型考虑了各向异性因素，采用Hill正交各向异性二次屈服准则。37号材料(DP980高强度钢)的力学性能如表1所示。(5)摩擦条件。坯料与模具表面之间的摩擦状况是油膜厚度、模具和板料表面粗糙度、模具几何形状、压力、滑动速度等因素相互作用的复杂动态效应，合理地反映摩擦状况对于保证精确模拟结果至关重要，故采用坯料与模具表面之间的静摩擦系数为0.125，动摩擦系数为0.02。

1.2确定坯料形状模拟步骤

采用Pro/E、UG、Catia等三维软件建立零件的三维曲面模型(图2)将零件的三维曲面模型转换成IGS格式将IGS格式零件的三维曲面模型导入到Dynaform软件中(图3)对导入的模型进行网格划分(图4)网格检查网格修补(网格有问题时)法向检查(图5)边界检查(图6)内部孔填补(内部有孔时，图7)再次边界检查(图8)获得坯料形状及尺寸(图9)。

1.3坯料尺寸确定

Dynaform软件中将获得坯料形状及轮廓线以.dxf格式输出，将输出的.dxf文件导入AutoCAD中标注尺寸，从而获得模拟坯料的尺寸如图10所示，图11是实际生产中采用的坯料尺寸。对比分析可以看出，两者尺寸相差很小。

2一次成形的判断

一次成形的判断步骤为:用Pro/E、UG、Catia等三维软件建立零件的三维曲面模型(图2)将零件的三维曲面模型转换成IGS格式将IGS格式零件的三维曲面模型导入到Dynaform软件中对导入的模型进行网格划分网格检查网格修补(网格有问题时)法向检查边界检查内部孔填补(内部有孔时)获得坯料形状及尺寸坯料网格划分定义工具(压边圈、凸模、凹模、压料筋)定义坯料定位工具设置冲压参数分析求解后置处理。图12为成形极限图，可以看出成形时不会产生拉裂现象。图13为数值模拟得到的冲压成形零件，模拟成形件没有起皱、拉裂缺陷，说明了采用数值模拟方法可以保证在一次冲压成形中不发生拉裂的正确性。

3排样设计

3.1载体形式选择

正确的零件排样图设计是保证零件冲压成形的形状和精度的基础［4－6］。由于零件坯料在多个方向都有变形，考虑到中间载体模具受力比较平衡，因此，选用中间载体形式。

3.2工位设计分析

为满足生产批量和质量的要求，设计了如图14、图15所示的排样图，共9个工位，图16为实物排样图，对排样图的工位进行分析。(1)工位1冲导正销孔、压筋(图14)，采用压筋提高载体的刚度。对于多工位级进模具而言，当带料在模具内运行长度超过1.5m时可视为较大模具，带料运行必须具有足够刚度才能保证顺畅送进。因此，导正销孔在第1工位冲出，以便后续工位定位。(2)工位2去除工件坯料外形周围的材料(图14中E)。(3)工位3继续去除工件坯料外形周围的材料(图14中D)，防止A处成形时与主要成形部位(深坑处)争夺材料而引起拉裂。(4)工位4继续去除工件坯料外形周围的材料(图14中C所示)，零件的坯料外形复杂，需要多个工位才能将坯料外形周围的材料去除。(5)工位5成形(图14)其放大图如图17所示。(6)工位6成形(图14)其放大图如图18所示。A、B处的成形不能与工位5成形同时进行，否则材料流动性不好控制，容易导致零件外形产生缺陷。(7)工位7整形(图14)。整形目的是为了提高曲面成形部位的形状精度以及平面部位的平整度。(8)工位8冲孔(图14)。冲孔安排在整形之后，防止由于整形而使孔的形状发生改变。(9)工位9落料使工件与载体分离(图14)。

4模具结构特点

4.1防止坯料位置不正确的措施

采取措施为:在首次成形时(工位5)，在成形凹模1的最低位置设置了坯料夹持组件(图19)，坯料夹持组件的上端面稍高于成形凹模1的上表面(开模状态)，成形前，成形凸模1与坯料夹持组件先将坯料夹持住，然后再随着上模的下降而逐渐将坯料带入凹模1成形，因而，保证了坯料进入凹模的位置始终处于正确的位置。

4.2成形工位压、卸料板的导向

对于多工位级进模具而言，压料、卸料板13采用内导柱导向，防止压料、卸料板运动时在水平方向晃动，造成小冲孔凸模的折断。因此，将卸料板(图20)设置在两个成形凸模(图21)之间，让其与两个成形凸模配合，实现导向目的。3个成形工位(工位5、6、7)都采用了同样的措施。即在卸料板上面设计12个孔，其中7个大孔用于安装压、卸料弹簧，中间2个小孔用于导正销通过，其余3个小孔用于联接卸料螺钉，并未设计导向位置。图22是成形凸模另一方向的形状。

4.3成形凸模固定的位置

对于多工位级进模具而言，当向下成形时，成形凸模一般固定在卸料板上，其好处在于可以克服坯料厚度变化的影响。由于高强度钢DP980的变形抗力很大，而模具内部不能提供足够大的空间来安装足够多的压、卸料弹簧以满足成形力的要求。因此，将成形凸模通过垫板刚性联接在上模座(图19)，这样就可以产生足够大的成形力。模具调试后进行冲压成形试验，图23是合格零件照片，冲压结果表明模拟得到的坯料形状和尺寸正确，其冲压工艺方案以及模具结构合理。

5结论

(1)针对汽车支撑座零件复杂的结构形状导致无法用传统的展开方法准确确定其坯料形状及尺寸的情况，采用板料冲压数值模拟软件Dynaform来确定。(2)用传统的坯料展开、成形极限方法很难确图23合格零件的照片Fig.23Qualifiedparts定准确确定坯料形状及尺寸以及判断能否一次成形，采用Dynaform来确定和判断具有普遍意义。(3)压料、卸料板上没有足够的空间布置内导柱通过孔时，让其与两个成形凸模配合，从而到达对其导向目的。(4)通过应用Dynaform软件进行冲压模拟，针对汽车支撑座零件的结构特点及要求，制定了合理的冲压工艺的排样图及模具结构。

作者：胡兆国 朱超 曹素兵 单位：四川工程职业技术学院机电工程系