CAE分析在板料成型冷冲压模具设计中的应用

CAE分析在板料成型冷冲压模具设计中的应用

胡相涛邢彦威

柳州柳新汽车冲压件有限公司广西柳州545006

摘要：现阶段，我国工业水平发展速度日渐加快。衡量国家加工水平的重要指标之一就是模具设计。在模具实际投入生产之前，通过CAE分析可以发现许多问题，然后技术人员可以根据CAE分析的数据结果合理调整模具设计的方案，从而达到缩短模具生产周期的目的。本文主要研究CAE分析在板料成型冷冲压模具设计中的应用情祝。

关键词：CAE分析；板料成型冷冲压模具设计；应用

引言

冷冲压模具技术在当今社会有着广泛的应用，在整个模具行业内，占有近半数的比例。但是由于模具本身的一些缺陷和技术水平的限制，使得在应用于实际生产中会存在一些困难，如某些零部件的排样不当，会使材料的利用率有所降低，导致成本偏高；部件外型的扭曲程度过大，会令连续的料带在连料和加工工艺上存在困难；对于某些孔的位置度以及精度有特殊要求的模具，会需要加入斜契冲孔；工件尖角处两侧余料过小，不易压料，需要加入氮气弹簧进行辅助压料，这些价格较高的特殊部件的加入，也会使成本上升等等。由此可见，模具对技术的要求较高，而且必须要重视利润。要想成功的为一件板料零部件设计级进模具，需要考虑多种因素，特别是在实际的生产中要想获得一件合格的零件，都需要进行反复的调试与实验，同时也需要一批经验丰富的模具设计师和模具钳工才能完成，在不断的修模和设变中，时间和金钱也在大量的流失。而且随着金属材料的不断发展，汽车产业也在寻求大量的新型材料以满足和完善汽车的一些新的需求，因此按照过去传统的经验和对模具在实际生产中不断实验的方法，无法估测出新型材料的一些性能，使得模具在设计的过程中就会遇到很多困难，占用更多的时间，令实际的成本变得更高。企业为了实现利润最大化，都在缩短生产周期，提高模具质量上下工夫，CAE技术也自然而然的被引用到了实际的生产之中。

1．板料冲压成型过程中存在的缺陷

板料冲压成型过程中受到多方面因素影响和限制，其中主要需要面对的问题是，是否能够依据预期规定的轨道来对材料进行变形。冲压板料后，会形成不同程度的材料缺陷，有些缺陷虽然能够被忽略，但如果是存在特殊需求的一些部件，就会造成极大的影响。在实际生产中，一般会极大程度上影响模具设计的效果，起皱、回弹、破裂等是比较大的影响因素。图1是某品牌汽车公司研究的副车架的零部件，存在十分复杂的形状，级进模制作的过程中，存在相对复杂的压力边和连料，设计本零部件的时候主要应用的制作方式就是一出二对称，能够在一定程度上增加生产效率以及材料利用率。坯料是宝钢生产的S420MC，属于细晶粒钢，厚度是3.25mm、宽度是129mm、长度是184mm，冷成性能相对比较好，一般情况下适合应用在强度要求高、冷成性能良好的汽车横梁或者大梁结构中。

式中，P为单位压边力（MPa）；A为在压边圈卜坯料的投影面积（mm2）。

如果压边力太大，将发生一定的开裂；如果压边力太小，则部件的凸缘部分会起皱。因此，必须合理计算实际需求，以确保科学合理地设置压边力。

2.1压边力5000N

压边力过小时，由于成型件反作用力大，压边力无法克服成型件反作用力，翘曲起皱为限制成型的主要因素。

2.2压边力8000N

压边力合适时，既能够很好地抑制翘曲起皱，又能够让材料很好地流动到冲压件的底部，成型极限达到25mm的深度。

3．调整数值模拟压边力

设计模具的时候，压边力会严重影响部分工艺的确定和压料力中顶料弹簧型号的选择，也会在一定程度上影响级进模各个步骤的均匀分配。如果过大的设置压力边，会出现一定破裂，如果过小的设置压力边，零件的法兰部分会出现起皱问题。因此，应该合理计算输入前的实际需求，保证能够科学、合理的设置压边力。计算压力的基本公式为：FQ=Ap，上述公式中p是依据材料自身情况确定的单位压力边（MPa），A是毛坯在压边圈中的投影面积（mm2），经过计算和分析能够得到160000N的压边力，分析160000N压边力的实际情况和数据结果。从而我们能够发现，零部件圆角部位会适当形成黄色和红色部分，此时说明零部件已经存在部分破裂，也就说具备过大的压力边，适当调整缩小压边力，设置压边力为8000N。经过验证后发现，基于上述情况对压边力调整后，能够获得符合需求的零部件。

4．调整数值模拟摩擦系数

设计模具的时候，材料的选择与摩擦数息息相关。例如压边圈材料、凹凸模材料、工件材料等，会在一定程度上影响计算压力的实际结果。越大的凹模和坯料间摩擦系数，越会影响以后形成工件的实际成型效果，使工件在生产的时候容易出现毛刺、起皱的问题。不断降低摩擦系数，会降低上述问题发生的几率，但是在设计过程中还应该充分考虑经济价值。在计模具的过程中，适合应用Dynaform软件来事先模拟分析摩擦系数，依据设计过程中的实际经验以及相关计算公式，合理设置摩擦系数是0.16。经过大量研究表明，零部件边缘会形成一些破裂现象，也就存在比较大的摩擦系数，所以，应该降低设计中的摩擦系数，设置摩擦系数是0.125，此时能够生产出符合要求的零部件。

5．分析数值模拟回弹现象

模具设计中的回弹问题一直困扰着模具设计师，直到数值模拟软件的出现才有所改善，但是回弹量的大小受众多因素的影响，即使是技术已经比较成熟的有限元分析也不能准确的判断这个数值，仍需要在实际的试模中进行调试，但是精确的模拟分析却可以减少这个过程的时间。回弹问题关系到了3D数模的形状，从而影响到了模具内部的形状。模拟分析过程较为复杂，一般的方法就是从展开的坯料形状开始，通过分析逐步的改善其中的工件形状，以达到图纸要求的参数。在图2和图3中可以看出，回弹前的角度为51．882，回弹后的角度为51．967．回弹率在可接受的范围内，说明此工艺能够符合实际生产的要求。

图3零部件回弹后分析

结语

总之，在冷冲压模具设计的时候，应用CAE分析软件具备一定意义和作用，分析对比模具现场试模和仿真过程，有效对比分析设计数据结果，最后对比分析和解决生产零部件中出现的问题可以发现，冷冲压模具中板料成型中应用Dynaform软件的时候，可以利用有限元分析来找到生产中的问题，以便于最大限度降低维护成本以及生产周期，为进一步研究和分析冷冲压模具中板料成型提供依据和保障。

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