【汽车专业文献翻译】汽车后底板的冲压模具设计分析

汽车后底板的冲压模具设计分析Fuh－kuo Chen，Jia－Hong Liu台湾国立大学机械工程系，台北，台湾1994年10月10日接收摘要本文研究了客车后底板的冲压制造过程。

使用圆栅格分析和3-D有限元方法，对产生拉深开裂缺陷的最初的冲模设计进行了分析。

开裂缺陷是由于压边圈下大范围的金属限制了向杯状区域的流动。

优化的冲模设计，包括一个分离的冲模面和一个楔形机构组成的凹模结构，目的是在不添加工序的情况下，向杯状区域提供额外金属、消除开裂缺陷。

这种优化的冲模设计在第一次和第二次拉深的圆栅格分析结果中得到验证，获得了合格的拉深面板。

关键字：冲压模具；后底板；开裂；圆栅格分析1.绪论一般冲压过程中的主要缺陷是开裂，在最近的十年中，很多研究都使用了成型极限分析和有限元分析方法来研究开裂问题的起因和解决办法。

自Keeler和Backofen在1963年第一次引入成型极限图（FLDS），在冲压车间里它们就已经被广泛的使用在金属的结构分析中。

即使这个成型过程极快，FLDS也可以显示出应力并提供一个有用的工具去测定，同时有限元方法能够精确的计算冲压部分的分布应力，并且预知是否可能产生开裂缺陷。

一般来说，解决开裂问题的办法是在主要的拉深过程开始前，向危险地带提供更多的金属，这样可以通过减少压边圈的压力或是改善润滑条件而达到，但是为了输送更多的金属到危险区域，最好最直接的方法是增加一个额外的工序，然而，这个额外的工序会多增加一套模具和额外的劳力从而增加生产成本。

在目前的研究中，优化的模具设计，包括一个分离的冲模面和一个楔形机构组成的凹模结构，目的是为了消除发生在客车面板冲压过程中的开裂缺陷。

这种特殊的模具面和楔形结构能为发生开裂缺陷的危险区域提供额外的金属，而不增加额外的工序。

圆栅格分析和3-D有限元仿真能够完成开裂缺陷分析的任务。

2.问题描述客车后面板的设计通常是由两块冲压板焊合在一起，如图1所示。

之所以选择两块板设计是由于开裂往往是发生在拉深成杯状的壁上，使得冲压一块后底板很困难，如图2所示。

开裂的发生是由于在杯壁和压边圈之间有一段距离，如图3中A-B处，这限制了压边圈下的金属流入杯状区域，同时两块板的距离很短，有足够的金属能够轻易地流入杯中从而阻止杯缘的开裂，由于成本的考虑，一块后底板容易得到，因此开裂问题必须被攻克。

为了在冲压车间生产出一块后底板，最初的程序包括四步：拉深，再次拉深，清理焊缝，翻边。

第一次拉深操作仅仅能够产生杯状外形，如图3所示。

就杯子周围的肋板来说，这是在第二次拉深操作中形成的。

像大多数冲压过程一样，后底板的主要变形是在第一次拉深操作中完成的。

这种传统的拉深过程容许冲床从压边圈中拉出更多的金属到模腔中。

为了促进金属的流动，未被拉深的焊料贴在压边圈的表面。

然而，由于拉深很深和以上提及的几何学上的难点，在第一次拉深操作后开裂仍在靠近杯壁的底部被发现，如图2所示。

开裂缺陷的位置表明，在杯壁的一侧和压边圈之间有相当大的距离，这阻止了金属向杯状区域流动。

为了减少压边圈的应力，已经做的努力是帮助金属向杯状区域流动，但这致使在杯状区域底部出现更多起皱，也没有消除开裂，而改善薄金属的质量也被证明是徒劳的。

改变润滑条件能减弱开裂问题，然而这对大规模的生产并不节省成本。

同时大量的润滑油被用在冲压生产中可能会污染了车间。

因此更有效的方式是解决冲压形成杯状之前向杯状区提供更多金属的问题。

为了达到这个目的，改变压边圈表面的形状以便向杯状区域提供更多的金属。

然而由于同样的几何学原因，在杯与压边圈一侧有相当大的距离，优化的压边圈不容易获得。

最后，为第一次半自动拉深设计的分模面是通过特殊楔形机构安装在凹模里，它能为杯状区域提供更多的金属，并且激发了没有开裂缺陷产品的生产。

3.最初设计的分析开裂问题通常与危险区域的应力分布有关，在任何横截面的成形部分中，应力分布是由两方面决定的：一个是由金属流入压边圈的上方进行拉深而造成的，另一个是由冲床和模具之间接触所造成的延伸总量决定的。

为了在金属流动中考察几何学的效果，最初的设计是通过圆栅格分析CGA和有限元方法分析FEM。

3．1圆栅格分析圆栅格分析已被广泛用于冲压车间的测量应力分布当中，因此能够通过测绘成型极限图的有规则的应力来分析金属片的可冲压性。

圆栅格比其他类型的栅格例如方形栅格有主要的优势，因为它们没有任何的方向性，这种优势在于圆变形后会成为椭圆。

这两个主要的方向清晰地通过长轴与短轴展示出来。

通过在成型极限图上测量长轴与短轴的长度得出主张力的大小，就能够估计成形部分的区域。

在目前的研究中，底板的生产利用原来的模具设计，第一次使用圆栅格分析，生产厚0.7mm，DDQ品质的钢，如图4所示那样的材料，钢的供应者提供材料相应的成型极限图在图5中展示。

靠近这个弯曲面的残余应力使这个区域有开裂的趋势。

实际上成型极限弯曲如图在5中虚线所示，被移下来的10%作为设计弯曲。

在成型极限弯曲之上的区域被称作故障区域，在成型极限弯曲和设计弯曲之间的区域被称为边缘区域，在设计弯曲以下的区域被指定为安全区域。

一般来说，为了冲压过程的稳定，任何成形部分的应力分布应该下降到安全区域。

冲压过程稳定是指对过程变化不敏感。

冲压之前模腔的危险区域被圆心间相距6mm，直径5mm的圆所标记。

为了标记模腔危险区域的圆，首先要使用一个特殊的清洁工具清洁，然后，有正确栅格的模板被放置在零件上，使用电解质作为指挥者，被模板覆盖的区域以栅格模式被标记。

为了阻止标记区域生锈，用一块湿清洁布把在标记中多余部分的电解质和残留的氧化物擦干净。

标记之后，开裂在杯壁靠近杯顶处被发现，如图2所示。

在裂缝周围不成形圆的主要和次要的应力如图6所示。

在成型极限图上的测量和规划如图7所示。

从图中可看出有规则的张力紧挨着成型极限曲线，因为主要和次要的应力是正应力，衰退是由延伸而造成的，所以应力非常接近水平应力方式，即接近次要应力为零的轴。

圆栅格分析的结果表明，原来的设计是非常不稳定的。

FLD也表明主要拉力太大，这是和目前作者的意见，即认为杯与压边圈之间的距离限制了金属向杯状区域流动这一结论是一致的，结果产生了大的拉力。

在前一部分讨论中最有效的减小主要拉力的方法是向杯状区域提供更多的金属。

3.2有限元分析为了帮助进一步了解冲压过程中毛坯的变形，3-D有限元分析完成最初设计的第一次拉深操作的任务。

明确了有限元是能够把任何3-D模具形状的PAM-STAMP 译成密码。

从3-D模具几何学起，只有冲床、模腔、压边圈未被简化，有限元程序能更准确模仿真实生产过程。

为了描述模具成分的几何学，一个商业的CAD 软件被用来构造这些成分的表面模型。

网孔系统要求把PAM-STAMP 作为几何学模具的输入数据，通过商业的CAD 系统产生，如图8所示。

在早些时期，简单的3-D 模型产生网孔系统是非常困难的，例如冲压模。

然而CAD 系统被越来越多地用在模具和模具工业中。

上述为模具几何学产生网孔系统的程序变得容易起来。

自PAM-STAMP 代码把模具成分当作其坚硬外壳以来，网孔系统仅仅被用来描述这些成分的几何学，而不是对应力进行分析。

在目前的调查中，3节点三角形和四节点矩形的原理被用来建造网孔系统，毛坯的网孔系统如图8所示。

从图中可以看出网孔密度在杯状区域比在其它地方高得多，因为杯状区域是开裂发生的位置。

许多在分析时使用的原理被总结如下：模具：9910，冲床：5499，压边圈：4411，薄片：4891，总计24711。

有限元的物质条件同前一部分一样，其他的操作条件是：压边圈的张力57KPa ，冲床速度10m/s ，冲击行程895mm ，摩擦力系数0.12，在一台SGI 工作站上展示仿真结果，一台HP735工作站单独工作CPU 需花费的时间是11100秒。

4.改进的模具设计开裂缺陷导致杯状周围的金属缺少，为了让更多的金属流向杯状，要改变杯状一侧的压边圈，如图12所示。

模具和压边圈的几何学仍与原来设计的一样，因此未被在图12中展示。

为了使这种修改有效，3-D有限元仿真完成代替重修模具的任务。

除了冲床和压边圈的几何学被改变以外，仿真条件与原来的设计是一样的，如图12所示。

整块板从有限元仿真为修改模具设计而得到主要和次要的应力分布，如图13所示。

从图中看出，由于大量的金属从不受限制的区域流向杯状，应力分布往下移了一点，但仍在边缘处。

图14展示了畸形的形状，观察到在不受限制的区域内有严重的起皱。

虽然在改进的设计中开裂问题可能避免，但严重的起皱是不能接受的。

因此，通过3－D有限元分析改进技术并不可行。

5.优化的模具设计正如前面部分所述，在生产面板中消除开裂缺陷的最有效的方法是为杯状区域提供更多的金属，为了达到这个目的已经作出了多次尝试，下面描述的模具设计已经被证明是可行和有效的。

在冲压车间，后底板通过两根氮柱为压边圈的单一冲压动作提供力量，为了在不增加额外工序的情况下向杯状区域提供更多的金属，凹模的形状被分为两部分，如图15所示。

模具形状的中间部分被楔形机构推动，并能够与固定的凹模进行相对的上下运动。

为了消除开裂缺陷设计改进的模具形状，活动部分的位置选择在杯状区域。

当压边圈关闭时，活动部分通过楔形机构向上驱动，把毛坯提高到一个特殊的高度。

当它在模具关闭过程期间与顶模接触时，倘若与原来的设计相比杯状区域有更多的金属，活动部分就被迫向下移动。

在模具关闭时，活动部分重新回到它的位置，加工成型完好部分。

6、结论为了使优化的模具设计有效，在上述相应计算基础上改进凹模结构。

结果，在试验期间使用改进的模具获得了优质量的后底板。

为了评估质量，圆栅格分析被又一次应用到成形过程中，与原来设计一样，圆被标记在同样的区域，开裂经常发生的杯壁周围，主要和次要应力被标注在成型极限图中，如图16所示。

从图中可看出，所有的标准应力在安全区域，其显示出用改进模具进行第一次拉深操作是非常稳定的，它对于处理变化并不敏感。

为了使它更完整，圆栅格分析也同样完成第二次拉深操作的任务。

除了在面板内形成肋骨之外，如图1所示，第二次拉深操作还在杯顶加大圆角半径。

因此，第二次拉深将有点拉长杯状区域。

在第一次拉深和第二次拉深中，测量杯状区域主要和次要应力在图17中展示。

在图17中很清楚的表明第二次拉深时拉力要大，尽管几个应力是在边缘区域，但大部分应力仍在安全区域。

因落入边缘区域的点数少并且它们的应力仍然接近设计弯曲，第二次拉深操作仍被认为是稳定的，至于第三次和以后的操作，只不过是修整和简单翻边操作。

因此，这两项操作不能够引起进一步的变形，也不需要分析。

译文原文出处：Journal of Materials Processing Technology 55 (1995) 408-416。