0前言
薄板沖壓成形是汽車(chē)和航空航天等行業(yè)十分重要的制造技術(shù),其中汽車(chē)車(chē)身中的金屬零件幾乎100%為薄板沖壓件,因此汽車(chē)車(chē)身的改型換代一直受到薄板沖壓成形技術(shù)的影響和制約。由于薄板沖壓成形是一個(gè)十分復(fù)雜的力學(xué)過(guò)程,沖壓工藝與模具的設(shè)計(jì)一直是很難的工程問(wèn)題,常常導(dǎo)致模具制造和調(diào)試周期長(zhǎng)、花費(fèi)高,嚴(yán)重影響汽車(chē)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。沖壓成形模具的設(shè)計(jì)制造一般流程如圖1所示。
對(duì)一個(gè)典型的汽車(chē)覆蓋件的拉延工序來(lái)說(shuō),在最大并行化流程中,各階段的相對(duì)時(shí)間可估算如下:工藝分析與設(shè)計(jì)2天,模具設(shè)計(jì)5天,毛坯制造02天,機(jī)械加工 01天,組裝與調(diào)試10天以上。在上述時(shí)間估算中,毛坯制造含制作泡模時(shí)間約1周,鑄造時(shí)間約2周,組裝與調(diào)試時(shí)間理論上沒(méi)有上限,即如果工藝設(shè)計(jì)失敗,調(diào)試就會(huì)耗時(shí)很長(zhǎng),甚至無(wú)法成功。由此可知要縮短模具的設(shè)計(jì)制造總周期,縮短毛坯制造時(shí)間和調(diào)試時(shí)間是十分重要的。
要縮短調(diào)試時(shí)間關(guān)鍵是把好工藝設(shè)計(jì)關(guān), 工藝設(shè)計(jì)合理,調(diào)試時(shí)間就可以控制, 否則就難以控制。隨著CAE技術(shù)的不斷成熟,通過(guò)應(yīng)用CAE技術(shù)優(yōu)化工藝方案和工藝參數(shù)是縮短調(diào)試時(shí)間的有效途徑。要縮短毛坯制造時(shí)間,有多種方法可以采用。對(duì)新產(chǎn)品研制來(lái)說(shuō),采用低熔點(diǎn)合金鑄造或快速原型技術(shù)等方法是行之有效的。對(duì)中小批量生產(chǎn)來(lái)說(shuō),不少企業(yè)采用鋼板組焊模,并取得了高速度和低成本的良好綜合效果。調(diào)查研究表明,鋼板組焊模不僅已在實(shí)踐中表現(xiàn)出高速度和低成本的優(yōu)點(diǎn),而且也具備高品質(zhì)的潛力,其中關(guān)鍵是要提高鋼板組焊模設(shè)計(jì)制造中的技術(shù)含量。在國(guó)家科技部"十五"重點(diǎn)科技攻關(guān)課題支持下,開(kāi)展了這方面技術(shù)的系統(tǒng)研究, 并提出了一套大型覆蓋件沖壓模具毛坯快速制 造的新技術(shù)。這里將重點(diǎn)討論模具毛坯快速制造中的關(guān)鍵技術(shù), 即毛坯型面的快速成形技術(shù)與裝備。
1基于離散型面模的毛坯曲面構(gòu)件快速成形技術(shù)與裝置
通過(guò)對(duì)大型覆蓋件沖壓成形模具的系統(tǒng)分析,人們不難發(fā)現(xiàn)其毛坯可分成平面構(gòu)件和曲面構(gòu)件兩大類(lèi),如圖2所示。其中平面構(gòu)件可用厚鋼板切割組焊而成,而曲面構(gòu)件則需經(jīng)過(guò)較復(fù)雜的加工方可制得。現(xiàn)在企業(yè)中常使用的方法包括兩類(lèi),即壓力機(jī)輔助的手工冷彎和手工熱彎。
手工冷彎適合厚度較小的鋼板,如板厚小十03Inln,而熱彎適合于厚度大于03mm的鋼板,目前的問(wèn)題在于無(wú)論是熱彎還是冷彎都憑工人的技巧來(lái)獲取給定的構(gòu)件曲面形狀,誤差很大,有時(shí)可大到一個(gè)板厚,使毛坯在加工時(shí)被完全銑穿,從而使毛坯報(bào)廢。為解決這一問(wèn)題,開(kāi)發(fā)了一套離散型面模系統(tǒng),如圖3所示。
該系統(tǒng)包括如圖3所示的上、下模總成,其中上、下模又分別由模座和頂桿組成。頂桿一端為平頭與模座用螺栓連接,而另一端為球頭,且高度通過(guò)中間螺紋聯(lián)接可以調(diào)整。上、下模頂桿根據(jù)欲成形的曲面構(gòu)件形狀調(diào)節(jié)成一定的高度分布,其球頭包絡(luò)面便形成上下離散型面模腔。將調(diào)節(jié)好的模座裝在壓力機(jī)上便可方便地成形任意復(fù)雜的曲面構(gòu)件。這一過(guò)程本質(zhì)上與多點(diǎn)無(wú)模成形是一致的,但由于其特殊用途,因此又有其獨(dú)特的性能和設(shè)計(jì)要求。首先它專(zhuān)為模具毛坯曲面構(gòu)件的制造而設(shè)計(jì),具有較小型面離散分辨率和特定的頂桿變化高度,且上下模離散面的對(duì)應(yīng)關(guān)系非常密切,因此稱(chēng)其為離散型面模成形比多點(diǎn)無(wú)模成形更為貼切。其次,上下模頂桿的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)厚板成形的精度和穩(wěn)定性有重要影響,對(duì)不同的曲面構(gòu)件應(yīng)有不同的設(shè)計(jì)。第三,為減小回彈量,這一成形過(guò)程婦采用熱成形過(guò)程,一次成形多個(gè)曲面構(gòu)件。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,成本遠(yuǎn)低于通用的多點(diǎn)無(wú)模成形設(shè)備。
下面對(duì)上述設(shè)備成形的基本性能作一簡(jiǎn)要分析。
1.1最大理論成形梯度
在下模座上定義如圖4所示的坐標(biāo)系,這里成形梯度指成形面在成形方向即z方向的位移隨x和y坐標(biāo)的變化率,即
式中u-成形面的位移，Tx,Ty-x和y方向的成形梯度
本裝置的最大成形梯度Txmax和Tymax與頂桿球頭半徑和最大調(diào)節(jié)高度有關(guān),即Txmax=Tymax=0.5h/r式中h一-一最大調(diào)節(jié)高度 r一一-球頭半徑若型面的成形梯度大于上述值,則不能直接成形,而要分塊成形。
1.2理論成形板厚的影響因素分析
最大理論成形板厚一般不受設(shè)備幾何尺寸的限制,而是受其力學(xué)特性的限制,并與成形梯度有關(guān)。如圖5所示,成形梯度越大,對(duì)頂桿的彎曲力矩越大,為了不使彎矩過(guò)大,應(yīng)盡量使板厚減小。精確的理論成形板厚計(jì)算一般要用到有限元方法。但實(shí)踐表明,對(duì)30mrn至50rDIn厚的板加熱到800℃左右后,上述裝置在,30mm的條件下,可完成梯度達(dá)2.0的成形。
1. 3 最小成形曲率半徑
假設(shè)不計(jì)成形中板厚的變化,最小成形曲率半徑對(duì)厚度小于r的板料可取頂桿球頭的半徑,如圖6所示。當(dāng)板厚大于;時(shí),曲率半徑會(huì)變大。由于受很強(qiáng)的局部熱變形影響,變大的具體數(shù)值一般要通過(guò)有限元法方能定量計(jì)算。
以下分別討論如何基于這一專(zhuān)用設(shè)備對(duì)給定的復(fù)雜模具型面進(jìn)行分塊并制造出相應(yīng)的分塊構(gòu)件。
2 任意復(fù)雜型面的毛坯模塊化
上節(jié)提到離散型面模所能提供的成形梯度受到一定的限制。同時(shí),一次成形的型面總尺寸和總成形深度也受設(shè)備幾何尺寸的限制。因此對(duì)于大型覆蓋件模具而言,不可能用一塊整板通過(guò)成形來(lái)制造其型腔毛坯表層結(jié)構(gòu),而只能通過(guò)合理分塊來(lái)實(shí)現(xiàn)離散型面模的成形。合理分塊的原則如下:a使總的分塊數(shù)量最少,分塊數(shù)量越少,表面焊縫越少,便于型面的數(shù)控加工,也便于減少毛坯變形。b使每塊的成形梯度盡可能小,并小于最大成形梯度式枷又和界栩囂。»使分塊邊界線遠(yuǎn)離型面重要工作部分,如局部凸起部分,并使分塊邊界線盡量呈對(duì)稱(chēng)分布。
基于上述原則,可提出一般情況下拉延模型面的分塊方案。無(wú)論汽車(chē)覆蓋件具體形狀多么復(fù)雜,都可以用圖7來(lái)表示其拉延成形模具的型腔構(gòu)成。
圖中ABCD表示的是凹模的型面輪廓,其中B、C、D和E表示可能的分塊邊界線位置。C點(diǎn)和D點(diǎn)都為凹模的凹部,為次要成形面,故可考慮為焊縫所在處,B點(diǎn)和E點(diǎn)為拉延筋位置,如有必要也可選為焊縫所在處。對(duì)壓邊圈而言,問(wèn)題比較簡(jiǎn)單,因?yàn)樗环矫嫘兔孑^小,另一方面也不含有太大的成形梯度。對(duì)凸模來(lái)說(shuō),其型面輪廓IJKL在J 處和K處分塊,一般都能滿足成形方面的綜合要求。
如果焊縫處為次要成形面,且焊縫設(shè)計(jì)合理的話,有可能完全避免對(duì)焊縫的數(shù)控加工和打磨,從而提高加工效率。用于型腔表層結(jié)構(gòu)的鋼板一般為25mm。以上的厚板,其焊縫坡口可按如圖8所示的形式和尺寸設(shè)計(jì), 其中a大于等于10mm, 由于型腔表層結(jié)構(gòu)通常有足夠多的筋板支撐,且在焊縫處可設(shè)附加筋板,故焊縫不一定要求滿焊。如果焊縫處有明顯的材料流動(dòng),可用高性能膠合劑填平焊縫再經(jīng)打磨后用拉延油潤(rùn)滑。
3 型面毛坯模塊的成形過(guò)程設(shè)計(jì)
型面毛坯分塊后,就要對(duì)其成形過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì),以保證成形后的毛坯模塊符合毛坯組焊的基本要求。這個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程要解決如下幾個(gè)方面主要問(wèn)題。
3.1毛坯板厚的確定
毛坯板厚的確定主要根據(jù)毛坯模塊的局部凹凸情況確定。所謂局部凹凸這里指不能通過(guò)調(diào)節(jié)頂桿高度進(jìn)行成形而獲得的凹凸形狀。由前節(jié)可知,如果型面形狀的曲率半徑小于最小成形曲率半徑,那么該部分形狀屬于局部凹凸。如果不允許毛坯模塊堆焊局部凸塊,那么毛坯的最小板厚應(yīng)按下式計(jì)算
由此可知,對(duì)于帶圓弧半徑小于5mm的拉延筋的壓邊圈部分,用25mm厚的鋼板即可滿足型面加工的基本要求。
3.2上下模相對(duì)位里的確定
上、下模的相對(duì)位置主要指在垂直于沖壓方向的平面內(nèi)的相對(duì)位置,如圖9所示。其中圖9a表示上、下模頂桿中心線重合的情形,而圖9b表示上、下模頂桿中心錯(cuò)開(kāi)半個(gè)頂桿中心距時(shí)的情形。盡管介于這兩種情形之間還可有多種其他相對(duì)位置的選擇,但其意義并不大。
上下模相對(duì)位置的確定主要與毛坯模塊曲面的最小曲率半徑有關(guān)。如果毛坯模塊最小曲率半徑足夠大,就可直接采用第一種方案,否則就采用第二種方案。
采用第一種方案時(shí)裝模和調(diào)試較方便,而采用第二種方案時(shí)裝模和調(diào)試都相對(duì)較困難一些。斌同一毛坯模塊的成形,既可采用第一種方案,也可采用第二種方案,但對(duì)應(yīng)的頂桿高度分布是不一樣的。
3.3頂桿高度的確定
上下模頂桿高度的確定是最終決定毛坯模塊的關(guān)鍵因素。對(duì)于第一種上下模相對(duì)位置的選擇方案,給定型面條件下的頂桿高度可按如下方法確定。
為了使球頭包絡(luò)面能精確地逼近模具型腔曲面,需要獲得oxy(離散型面模底座平面,后同)平面上均勻分布頂桿的精確高度位置(z向坐標(biāo))。如圖10所示,曲面S沿法向偏移一個(gè)球頭半徑得到曲面sl,當(dāng)球頭球心位于S1上任意一點(diǎn)時(shí),球體必與S相切 (S的曲率半徑應(yīng)大于球頭半徑)。因此,利用s1可避開(kāi)球頭與毛坯鋼板接觸點(diǎn)的搜索,頂桿高度計(jì)算變成計(jì)算曲面sl上在口砂,平面均布的點(diǎn)的z向坐標(biāo)。對(duì)于求取曲面上x(chóng),y坐標(biāo)確定的點(diǎn)的z向坐標(biāo),有解析法和數(shù)值法。解析法對(duì)于一些基本曲線、曲面,計(jì)算速度快,精度很高。在CAD軟件中,曲面造型采用的是復(fù)雜曲線、曲面表示方法,且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,雖然解析法可能(有時(shí)很難求得解析解)可以獲得很高的精度,但軟件開(kāi)發(fā)工作量大。與解析法相比,數(shù)值解法是將曲面由大量的細(xì)小離散平面構(gòu)成,然后用插值的方法求出對(duì)應(yīng)x,夕坐標(biāo)的點(diǎn)的z向坐標(biāo)。它的計(jì)算精度取決于原始離散精度和插值方法,離散平面越小,計(jì)算誤差越小,但要消耗更多的計(jì)算時(shí)間。在本項(xiàng)目應(yīng)用中,精度要求最大弦偏差小于.02rnr。,采用數(shù)值方法可以取得很好的效果。
首先在CAD軟件中完成模具設(shè)計(jì),然后將模具型腔曲面導(dǎo)出轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)圖形交換格式IGES,采用有限元前處理軟件如Dynaforln、Hypermesh等從曲面生成網(wǎng)格這里并不需要生成高質(zhì) 量元(高質(zhì)量是對(duì)有限元計(jì)算而言), 故網(wǎng)格生成工作量很小。當(dāng)頂桿直徑為60mm時(shí), 限定生成網(wǎng)格最小尺寸為8mm,最大尺寸20mm, 最大弦偏差0.13mm.。生成網(wǎng)格后，將網(wǎng)格法向向下偏移一個(gè)球頭半徑,即可獲得下模頂桿離散球心曲面。輸出上下模球心離散曲面節(jié)點(diǎn)信息,提供給離散頂桿高度計(jì)算程序。由于獲得的這些節(jié)點(diǎn)并不在頂桿球心處,各頂桿球心的z向高度是通過(guò)搜索最近的3個(gè)鄰近節(jié)點(diǎn)再插值求得,算法如下。
(l)搜索鄰近節(jié)點(diǎn):給球心Ci置3個(gè)初始鄰近節(jié)點(diǎn)(取1,2,3號(hào)節(jié)點(diǎn)),并按與球心的距離（xoy平面上)排序。然后依次讀入其余待選節(jié)點(diǎn),計(jì)算與球心的距離,若待選節(jié)點(diǎn)比最遠(yuǎn)的鄰近節(jié)點(diǎn)更靠近球心,則用它取代該鄰近節(jié)點(diǎn),并按距離重新排序,直至搜索完所有的待選節(jié)點(diǎn),完成一個(gè)球心的3個(gè)鄰近節(jié)點(diǎn)搜索。
(2)插值:球心C搜索到3個(gè)鄰近節(jié)點(diǎn)為ni1,ni2,ni3,鄰近節(jié)點(diǎn)z向高度分別為zi1,zi2,zi3,與球心ci在xoy平面上的距離分別為di1,di2,di3,對(duì)插值函數(shù)給定如下約束:a當(dāng)dij=0時(shí), ci的高度zi=zij,1小于等于j小于等于3。b當(dāng)dil=di2=di3時(shí),
Zi=
對(duì)于第二種上、下模相對(duì)位置的選擇方案,頂桿高度的計(jì)算步驟與前面基本相同。區(qū)別在于計(jì)算上模頂桿高度位置時(shí),將上模頂桿球心在口樸,平面上沿x、y軸平移半個(gè)球頭直徑距離,然后再搜索球心鄰近點(diǎn),插值計(jì)算得到上模頂桿球心高度。
4 應(yīng)用實(shí)例
這里討論的快速毛坯制造技術(shù)已應(yīng)用到多個(gè)汽車(chē)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和改型中,圖1為某汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)的車(chē)頂外覆蓋件拉延成形模。應(yīng)用上述技術(shù)可使組焊方法制造毛坯的周期比普通的鑄造毛坯制造周期縮短達(dá)50%,并且在采用一定的鑲塊工藝后,其壽命和品質(zhì)可以滿足中小批量(5一10萬(wàn)件)生產(chǎn)的需要。
5 結(jié)論
基于組焊技術(shù)的模具毛坯快速制造技術(shù)是一種值得進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)的模具制造技術(shù),它以平面構(gòu)件和曲面構(gòu)件為基礎(chǔ)通過(guò)一定的優(yōu)化組焊工藝完成模具毛坯的快速制造,該快速制造方法可以看作一種特殊的快速原型制造技術(shù),但成本遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的快速原型制造技術(shù)低,且可制造尺寸很大的制件。這一技術(shù)的核心之一是曲面構(gòu)件的快速成形,采用討論的基于離散型面模成形技術(shù)后,可快速獲得精確的曲面構(gòu)件。雖以典型拉延模為例討論了任意復(fù)雜型面的毛坯模塊化和型面毛坯模塊的成形設(shè)計(jì),但其結(jié)論同時(shí)適合于其他類(lèi)的模具的毛坯設(shè)計(jì)制造。實(shí)踐表明這一技術(shù)可使毛坯制造時(shí)間縮短50%以上,有產(chǎn)生重大社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的前景。
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