论多工位级进模模具结构偏载分析及优化设计

论多工位级进模模具结构偏载分析及优化设计

发表时间：2019-07-22T13:31:14.843Z 来源：《基层建设》2019年第13期作者：罗祥文

[导读] 摘要：随着高强板在汽车等行业内的广泛应用，对多工位级进模结构强度的要求也越来越高。

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摘要：随着高强板在汽车等行业内的广泛应用，对多工位级进模结构强度的要求也越来越高。本文就对多工位级进模模具结构偏载分析及优化设计进行分析和了解。

关键词：工位级进模；模具结构；偏载分析

一、模具结构分析现状

因复杂冲压力作用致使大型多工位级进模工作时产生弹性变形，由此影响较高精度要求的冲压件产品质量。模具连续工作会引起疲劳损伤，造成永久变形。许多学者和高校对模具冲压成形工艺的影响因素进行了定量分析，如排样方式、模具圆角半径、拉延筋的布置等，这些因素直接与板料接触，影响板料在模具冲压时的流动情况，直接决定了冲压产品是否合格。模具结构强度是影响冲压件质量稳定性的重要因素，模具结构强度直接决定了模具的使用寿命。与凹凸模的材料相比，模具垫脚部分材料强度较低，大型复杂的多工位级进模冲压力较大，冲压时模具垫脚就会产生较大变形，影响产品冲压成形质量；当多工位级进模冲压力较小时，垫脚的变形量不足以影响产品的成形质量，而以传统经验设计的模具结构材料分布并不合理，造成局部材料堆积，模具总体质量增大。目前对多工位级进模整体结构进行受力分析的研究工作也相对较少。

二、多工位级进冲压成形分析

有限元技术在板材冲压成形领域得到了广泛的应用。采用CAE技术进行冲压成形工艺仿真，可以准确预测冲压过程中金属板材的流动、应力应变的分布、厚度分布、可能出现的缺陷及失效形式。CAE仿真可以优化冲压成形工艺参数，比如压料力的大小、拉延筋的设置和圆角大小等，对提高冲压件质量、缩短产品开发周期、降低制造成本具有重要的意义。华南理工大学的夏琴香，魏光明等同志以某安装座结构件多工位级进模为研究对象，采用多工位多工序级进冲压方法，对13工位冲压全工序进行数值模拟仿真，并针对正反拉深工序产生的问题缺陷进行分析，修正了数值模拟的相关参数设置，将数值模拟结果与实际冲压件进行对比分析，验证了多工位多工序方法的可靠性。

与多工位多工序建模方法相比，单工位单工序建模相对简单，适用于结构特别复杂的冲压件。华南理工大学的王霆等同志以某汽车车门玻璃导轨结构件为研究对象，采用单工位多工序冲压成形方法，对拉深、翻边、整形等工序进行数值模拟，通过卸载回弹分析方法对冲压件的回弹进行了研究，并对回弹产生的机理进行了合理的解释，制定了合理的回弹补偿方案。借助计算机技术模拟冲压成形过程，准确预测板材的变化过程，有效减少了传统试模过程中出现的产品破裂、起皱严重或者回弹较大的情况，大大提高了模具设计水平。但是，多工位级进模工位较多，不同工序间板料成形影响较大，为保证板料的应力应变信息传递到下一个工位，冲压成形仿真过程中，前一工序板料冲压结果需作为下一工序板料冲压成形的坯料。

三、多工位级进冲裁分析

有限元法是金属塑性冲压成形模拟中较为流行的方法。利用有限元技术对冲裁工序进行数值分析，可以准确模拟板材的断裂过程，预测毛刺大小。冲裁大致分为平面冲裁和非平面冲裁，平面冲裁力的计算公式较为简单准确，但非平面冲裁种类繁多，计算公式较难选取。为了能够准确的得到冲裁力的模拟结果，且获得冲裁力在冲裁过程中的分布情况，有限元数值模拟方法能够较为真实的模拟冲裁过程，获得较为准确的冲裁力模拟结果，也能够获得不同冲裁时刻冲裁力的分布情况。

有限元分析软件Dynaform模拟冲裁时只是沿冲裁轮廓简单的切除，不能准确模拟板材厚度方向的冲裁过程，无法获得冲裁力结果。华南理工大学的郭铭骥等同志以某汽车车门玻璃导轨结构件为研究对象，对其冲裁工序进行数值模拟研究，并对冲裁过程中的控制参数进行了探讨性研究，如断裂准则的选取、断裂单元的数量等，并获得了较好的模拟结果。华南理工大学的陈亚兵等同志以某空调翅片零件为研究对象，采用有限元分析软件Deform-3D对空调换热器翅片多工位级进冲压成形时的分离工序（冲孔、冲百叶窗、切边、分条）进行全工序数值模拟，并设计了一套多工位试验级进模，进行了冲压试验，测得各个工位的冲压力。

四、级进模模具结构分析

模具结构是否稳健直接影响了冲压件质量的稳定性，传统模具结构设计一般是根据传统模具设计经验，综合考虑冲床吨位、叉车位等因素设计完成。为了保证模具的结构强度，传统模具结构设计时零件的尺寸往往取值偏大，如模具垫脚的厚度，且垫脚布置位置的确定也有一定的盲目性。对大型多工位级进模模具结构进行受力和优化设计，特别是对受侧向力较大的零部件进行偏载分析，可以为零件的设计与布置提供理论依据，避免造成材料的浪费。因此，对多工位级进模模具结构进行优化设计具有很大的实用价值。

稳健的模具结构可以提高冲压件的成形质量，延长模具的使用寿命，减少模具失效、损毁的发生次数，有限元法使模具结构优化设计成为可能。大型多工位级进模在汽车行业使用广泛，为了控制成本，模具的结构优化设计引起高度重视。福特汽车公司的Wang等为了降低模具的重量，在保证模具结构强度刚度足够的情况下，对模具结构进行二次设计，达到了模具减重的效果，节省了材料，降低了制造成本。

五、多工位级进模结构拓扑优化设计

结构拓扑优化的目的在于谋求某种结构在满足特定约束条件下材料的最优分布，获得更加合理、经济的材料分布。有限元仿真技术为结构拓扑优化设计的运用提供了更加简单直接的应用平台，解决了许多工程机械结构设计时遇到的困难，为诸多结构设计提供了可借鉴的指导设计方法。拓扑优化设计方法主要包含三种，分别是变密度法、均质法、渐进结构优化方法。其中变密度法和均质法是连续体结构拓扑优化应用较为广泛的两种方法。

如下图所示为多工位级进模结构拓扑优化设计流程图。具体的流程如下：

（1）利用CAE分析软件Dynaform、Deform-3D完成多工位级进模全工序数值模拟，并得到成形力和冲裁力的结果文件；（2）通过载荷的跨平台映射方法，将Deform-3D、Dynaform等平台获得的冲裁工序冲压载荷模拟结果或成形工序冲压载荷模拟结果作为力边界条件导入结构分析模型，并对模具母体原结构进行有限元分析；

（3）对模具母体可优化区域进行设计，根据模具结构分析结果，确定优化问题的内容，包括优化目标、优化约束等；