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大型薄板冲压模具毛坯快速制造新技术研究
2012-11-14  来源:  作者:湖南大学 杨沿平 黄智 钟志华 莫旭辉

      0前言

 

      薄板冲压成形是汽车和航空航天等行业十分重要的制造技术,其中汽车车身中的金属零件几乎100%为薄板冲压件,因此汽车车身的改型换代一直受到薄板冲压成形技术的影响和制约。由于薄板冲压成形是一个十分复杂的力学过程,冲压工艺与模具的设计一直是很难的工程问题,常常导致模具制造和调试周期长、花费高,严重影响汽车新产品的开发进程。冲压成形模具的设计制造一般流程如图1所示。

 

1

 

      对一个典型的汽车覆盖件的拉延工序来说,在最大并行化流程中,各阶段的相对时间可估算如下:工艺分析与设计2天,模具设计5天,毛坯制造02天,机械加工       01天,组装与调试10天以上。在上述时间估算中,毛坯制造含制作泡模时间约1周,铸造时间约2周,组装与调试时间理论上没有上限,即如果工艺设计失败,调试就会耗时很长,甚至无法成功。由此可知要缩短模具的设计制造总周期,缩短毛坯制造时间和调试时间是十分重要的。

 

      要缩短调试时间关键是把好工艺设计关,   工艺设计合理,调试时间就可以控制,  否则就难以控制。随着CAE技术的不断成熟,通过应用CAE技术优化工艺方案和工艺参数是缩短调试时间的有效途径。要缩短毛坯制造时间,有多种方法可以采用。对新产品研制来说,采用低熔点合金铸造或快速原型技术等方法是行之有效的。对中小批量生产来说,不少企业采用钢板组焊模,并取得了高速度和低成本的良好综合效果。调查研究表明,钢板组焊模不仅已在实践中表现出高速度和低成本的优点,而且也具备高品质的潜力,其中关键是要提高钢板组焊模设计制造中的技术含量。在国家科技部"十五"重点科技攻关课题支持下,开展了这方面技术的系统研究, 并提出了一套大型覆盖件冲压模具毛坯快速制 造的新技术。这里将重点讨论模具毛坯快速制造中的关键技术, 即毛坯型面的快速成形技术与装备。

 

      1基于离散型面模的毛坯曲面构件快速成形技术与装置

 

      通过对大型覆盖件冲压成形模具的系统分析,人们不难发现其毛坯可分成平面构件和曲面构件两大类,如图2所示。其中平面构件可用厚钢板切割组焊而成,而曲面构件则需经过较复杂的加工方可制得。现在企业中常使用的方法包括两类,即压力机辅助的手工冷弯和手工热弯。

 

      手工冷弯适合厚度较小的钢板,如板厚小十03Inln,而热弯适合于厚度大于03mm的钢板,目前的问题在于无论是热弯还是冷弯都凭工人的技巧来获取给定的构件曲面形状,误差很大,有时可大到一个板厚,使毛坯在加工时被完全铣穿,从而使毛坯报废。为解决这一问题,开发了一套离散型面模系统,如图3所示。

 

2

 

      该系统包括如图3所示的上、下模总成,其中上、下模又分别由模座和顶杆组成。顶杆一端为平头与模座用螺栓连接,而另一端为球头,且高度通过中间螺纹联接可以调整。上、下模顶杆根据欲成形的曲面构件形状调节成一定的高度分布,其球头包络面便形成上下离散型面模腔。将调节好的模座装在压力机上便可方便地成形任意复杂的曲面构件。这一过程本质上与多点无模成形是一致的,但由于其特殊用途,因此又有其独特的性能和设计要求。首先它专为模具毛坯曲面构件的制造而设计,具有较小型面离散分辨率和特定的顶杆变化高度,且上下模离散面的对应关系非常密切,因此称其为离散型面模成形比多点无模成形更为贴切。其次,上下模顶杆的相互对应关系对厚板成形的精度和稳定性有重要影响,对不同的曲面构件应有不同的设计。第三,为减小回弹量,这一成形过程妇采用热成形过程,一次成形多个曲面构件。同时这种结构简单可靠,成本远低于通用的多点无模成形设备。

 

      下面对上述设备成形的基本性能作一简要分析。

 

      1.1最大理论成形梯度

 

      在下模座上定义如图4所示的坐标系,这里成形梯度指成形面在成形方向即z方向的位移随x和y坐标的变化率,即

 

3

 

      式中u-成形面的位移,Tx,Ty-x和y方向的成形梯度

 

4

 

      本装置的最大成形梯度Txmax和Tymax与顶杆球头半径和最大调节高度有关,即Txmax=Tymax=0.5h/r式中h一-一最大调节高度   r一一-球头半径若型面的成形梯度大于上述值,则不能直接成形,而要分块成形。

 

      1.2理论成形板厚的影响因素分析

 

      最大理论成形板厚一般不受设备几何尺寸的限制,而是受其力学特性的限制,并与成形梯度有关。如图5所示,成形梯度越大,对顶杆的弯曲力矩越大,为了不使弯矩过大,应尽量使板厚减小。精确的理论成形板厚计算一般要用到有限元方法。但实践表明,对30mrn至50rDIn厚的板加热到800℃左右后,上述装置在,30mm的条件下,可完成梯度达2.0的成形。

 

      1. 3  最小成形曲率半径

 

      假设不计成形中板厚的变化,最小成形曲率半径对厚度小于r的板料可取顶杆球头的半径,如图6所示。当板厚大于;时,曲率半径会变大。由于受很强的局部热变形影响,变大的具体数值一般要通过有限元法方能定量计算。

 

 5

 

      以下分别讨论如何基于这一专用设备对给定的复杂模具型面进行分块并制造出相应的分块构件。

 

      2 任意复杂型面的毛坯模块化

 

      上节提到离散型面模所能提供的成形梯度受到一定的限制。同时,一次成形的型面总尺寸和总成形深度也受设备几何尺寸的限制。因此对于大型覆盖件模具而言,不可能用一块整板通过成形来制造其型腔毛坯表层结构,而只能通过合理分块来实现离散型面模的成形。合理分块的原则如下:a使总的分块数量最少,分块数量越少,表面焊缝越少,便于型面的数控加工,也便于减少毛坯变形。b使每块的成形梯度尽可能小,并小于最大成形梯度式枷又和界栩嚣。»使分块边界线远离型面重要工作部分,如局部凸起部分,并使分块边界线尽量呈对称分布。

 

      基于上述原则,可提出一般情况下拉延模型面的分块方案。无论汽车覆盖件具体形状多么复杂,都可以用图7来表示其拉延成形模具的型腔构成。

 

 6

 

      图中ABCD表示的是凹模的型面轮廓,其中B、C、D和E表示可能的分块边界线位置。C点和D点都为凹模的凹部,为次要成形面,故可考虑为焊缝所在处,B点和E点为拉延筋位置,如有必要也可选为焊缝所在处。对压边圈而言,问题比较简单,因为它一方面型面较小,另一方面也不含有太大的成形梯度。对凸模来说,其型面轮廓IJKL在J 处和K处分块,一般都能满足成形方面的综合要求。

 

      如果焊缝处为次要成形面,且焊缝设计合理的话,有可能完全避免对焊缝的数控加工和打磨,从而提高加工效率。用于型腔表层结构的钢板一般为25mm。以上的厚板,其焊缝坡口可按如图8所示的形式和尺寸设计,   其中a大于等于10mm,   由于型腔表层结构通常有足够多的筋板支撑,且在焊缝处可设附加筋板,故焊缝不一定要求满焊。如果焊缝处有明显的材料流动,可用高性能胶合剂填平焊缝再经打磨后用拉延油润滑。

 

 7

 

      3     型面毛坯模块的成形过程设计

 

      型面毛坯分块后,就要对其成形过程进行设计,以保证成形后的毛坯模块符合毛坯组焊的基本要求。这个设计过程要解决如下几个方面主要问题。

 

      3.1毛坯板厚的确定

 

      毛坯板厚的确定主要根据毛坯模块的局部凹凸情况确定。所谓局部凹凸这里指不能通过调节顶杆高度进行成形而获得的凹凸形状。由前节可知,如果型面形状的曲率半径小于最小成形曲率半径,那么该部分形状属于局部凹凸。如果不允许毛坯模块堆焊局部凸块,那么毛坯的最小板厚应按下式计算

 

8

      由此可知,对于带圆弧半径小于5mm的拉延筋的压边圈部分,用25mm厚的钢板即可满足型面加工的基本要求。

 

      3.2上下模相对位里的确定

 

      上、下模的相对位置主要指在垂直于冲压方向的平面内的相对位置,如图9所示。其中图9a表示上、下模顶杆中心线重合的情形,而图9b表示上、下模顶杆中心错开半个顶杆中心距时的情形。尽管介于这两种情形之间还可有多种其他相对位置的选择,但其意义并不大。

 

 9

 

      上下模相对位置的确定主要与毛坯模块曲面的最小曲率半径有关。如果毛坯模块最小曲率半径足够大,就可直接采用第一种方案,否则就采用第二种方案。

 

      采用第一种方案时装模和调试较方便,而采用第二种方案时装模和调试都相对较困难一些。斌同一毛坯模块的成形,既可采用第一种方案,也可采用第二种方案,但对应的顶杆高度分布是不一样的。

 

      3.3顶杆高度的确定

 

      上下模顶杆高度的确定是最终决定毛坯模块的关键因素。对于第一种上下模相对位置的选择方案,给定型面条件下的顶杆高度可按如下方法确定。

 

      为了使球头包络面能精确地逼近模具型腔曲面,需要获得oxy(离散型面模底座平面,后同)平面上均匀分布顶杆的精确高度位置(z向坐标)。如图10所示,曲面S沿法向偏移一个球头半径得到曲面sl,当球头球心位于S1上任意一点时,球体必与S相切 (S的曲率半径应大于球头半径)。因此,利用s1可避开球头与毛坯钢板接触点的搜索,顶杆高度计算变成计算曲面sl上在口砂,平面均布的点的z向坐标。对于求取曲面上x,y坐标确定的点的z向坐标,有解析法和数值法。解析法对于一些基本曲线、曲面,计算速度快,精度很高。在CAD软件中,曲面造型采用的是复杂曲线、曲面表示方法,且数据结构复杂,虽然解析法可能(有时很难求得解析解)可以获得很高的精度,但软件开发工作量大。与解析法相比,数值解法是将曲面由大量的细小离散平面构成,然后用插值的方法求出对应x,夕坐标的点的z向坐标。它的计算精度取决于原始离散精度和插值方法,离散平面越小,计算误差越小,但要消耗更多的计算时间。在本项目应用中,精度要求最大弦偏差小于.02rnr。,采用数值方法可以取得很好的效果。

 

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      首先在CAD软件中完成模具设计,然后将模具型腔曲面导出转换成标准图形交换格式IGES,采用有限元前处理软件如Dynaforln、Hypermesh等从曲面生成网格这里并不需要生成高质 量元(高质量是对有限元计算而言), 故网格生成工作量很小。当顶杆直径为60mm时, 限定生成网格最小尺寸为8mm,最大尺寸20mm, 最大弦偏差0.13mm.。生成网格后,将网格法向向下偏移一个球头半径,即可获得下模顶杆离散球心曲面。输出上下模球心离散曲面节点信息,提供给离散顶杆高度计算程序。由于获得的这些节点并不在顶杆球心处,各顶杆球心的z向高度是通过搜索最近的3个邻近节点再插值求得,算法如下。

                                     

      (l)搜索邻近节点:给球心Ci置3个初始邻近节点(取1,2,3号节点),并按与球心的距离(xoy平面上)排序。然后依次读入其余待选节点,计算与球心的距离,若待选节点比最远的邻近节点更靠近球心,则用它取代该邻近节点,并按距离重新排序,直至搜索完所有的待选节点,完成一个球心的3个邻近节点搜索。

 

      (2)插值:球心C搜索到3个邻近节点为ni1,ni2,ni3,邻近节点z向高度分别为zi1,zi2,zi3,与球心ci在xoy平面上的距离分别为di1,di2,di3,对插值函数给定如下约束:a当dij=0时, ci的高度zi=zij,1小于等于j小于等于3。b当dil=di2=di3时,

 

Zi=

11

   

 

      对于第二种上、下模相对位置的选择方案,顶杆高度的计算步骤与前面基本相同。区别在于计算上模顶杆高度位置时,将上模顶杆球心在口朴,平面上沿x、y轴平移半个球头直径距离,然后再搜索球心邻近点,插值计算得到上模顶杆球心高度。

 

      4     应用实例

 

      这里讨论的快速毛坯制造技术已应用到多个汽车新产品开发和改型中,图1为某汽车公司开发的车顶外覆盖件拉延成形模。应用上述技术可使组焊方法制造毛坯的周期比普通的铸造毛坯制造周期缩短达50%,并且在采用一定的镶块工艺后,其寿命和品质可以满足中小批量(5一10万件)生产的需要。

 

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      5     结论

 

      基于组焊技术的模具毛坯快速制造技术是一种值得进一步研究和开发的模具制造技术,它以平面构件和曲面构件为基础通过一定的优化组焊工艺完成模具毛坯的快速制造,该快速制造方法可以看作一种特殊的快速原型制造技术,但成本远比传统的快速原型制造技术低,且可制造尺寸很大的制件。这一技术的核心之一是曲面构件的快速成形,采用讨论的基于离散型面模成形技术后,可快速获得精确的曲面构件。虽以典型拉延模为例讨论了任意复杂型面的毛坯模块化和型面毛坯模块的成形设计,但其结论同时适合于其他类的模具的毛坯设计制造。实践表明这一技术可使毛坯制造时间缩短50%以上,有产生重大社会效益和经济效益的前景。

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