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自動沖壓線連續模式成形功的初步研究

作者:大鑫機械 發布時間:2024-12-12 07:59:01點擊:

1 沖壓自動生產線

沖壓自動生產線一般由拆垛機、清洗機、對中設備、多臺壓力機和機械手、線尾皮帶機等組成,如圖1所示。由于是連線、連續生產,任何壓力機出現故障,都會導致生產線停止工作。

自動沖壓線連續模式成形功的初步研究(圖1)

圖1   沖壓自動生產線
首臺壓力機壓力為12 000 kN,配備液壓墊,專門用于零件拉深工序的生產,沖壓件的大部分型面、關鍵外觀面和匹配面一般都在拉深工序成形,因此拉深工序所需的成形力和成形功為整線最大值,這是零件沖壓載荷校核的重點。

2 壓力機行程功和成形功

由圖2可知,壓力機工作時電機帶動飛輪運轉,飛輪積蓄能量,滑塊下行,上模接觸坯料后開始沖床沖壓成形,電機的驅動功率小于載荷,轉速會降低,飛輪釋放能量進行補償,沖壓完成后,飛輪再次加速積蓄動能,以備下次沖壓使用,完成一個工作循環。

自動沖壓線連續模式成形功的初步研究(圖2)

圖2   壓力機工作原理
當飛輪釋放的動能低于零件成形能量時,設備飛輪會逐步減速,零件成形難以到底并最終導致卸荷無法繼續正常工作[3],行程功表達式如下:
W行程=1/2jw2
其中,j為飛輪轉動慣量;w為飛輪轉速。當W行程W成形時正常工作,當W行程W成形時飛輪減速直至壓力機工作無法進行。
圖3所示為12 000 kN壓力機自動線SPM行程功曲線,壓力機最大行程功(能量輸出值)為458 kJ,對應SPM=14次/min。實際生產小于該節拍時,滑塊速度低、對應飛輪動能小即額定行程功小;實際生產高于該節拍時,電機來不及給飛輪補充滑塊做功損失的能量,設備輸出能量即額定行程功逐漸變小。

自動沖壓線連續模式成形功的初步研究(圖3)

圖3   SPM能量輸出曲線
通常情況下,在理論行程功滿足所需成形功的基礎上,盡量選擇更高的SPM,因為生產效率提高,單件成本降低。但SPM過高對設備、模具運動部件沖擊載荷大、磨損大,模具應對高速生產所需的表面處理要求高,因此選擇合適的SPM需要對能耗、生產效率、設備損耗、模具零件損耗等進行綜合評估。

3 零件成形功的計算方法

成形功是成形力對模具作用距離的積分,校核成形功時應當提取CAE成形力(凹模受力或凸模受力和壓邊力之和)進行積分,即:
W成形=自動沖壓線連續模式成形功的初步研究(圖4)
其中,自動沖壓線連續模式成形功的初步研究(圖5)為模具零件某一運動位移下的成形力,kN;D為模具零件運動的位移,mm。
圖4(a)所示為典型沖壓件成形力曲線,最大成形力為3 525 kN,模具零件運動位移為80 mm,按照積分法計算相應的成形功曲線如圖4(b)所示。

自動沖壓線連續模式成形功的初步研究(圖6)

圖4   典型沖壓件成形力和成形功曲線

4 頂蓋外板成形功校核和優化

4.1 恒定壓邊力下頂蓋外板成形功校核

以某車型頂蓋外板為研究對象,如圖5所示,安排在自動沖壓線生產。零件拉深深度為128 mm,材料為DC04,料厚為0.7 mm,工藝設計SPM=12次/min,設備最大壓力F0=12 000 kN。根據材料力學性能試驗得出材料屬性為:彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3,屈服強度為163 MPa,抗拉強度為295 MPa,加工硬化指數為0.22,塑性應變比為1.88。

自動沖壓線連續模式成形功的初步研究(圖7)

圖5   頂蓋外板模型
當生產線開始調試時,機床飛輪出現減慢現象,生產幾個零件后設備就停止報錯,然而成形力的校核計算沒有問題,可判斷是零件成形功不足。
拉深工序CAE模擬:將模面數據轉換成IGS文件格式導入AutoForm軟件,并利用其工具設定模塊生成凹模、壓邊圈、凸模等工具體,圖6所示為劃分網格后的頂蓋外板拉深有限元模型。

自動沖壓線連續模式成形功的初步研究(圖8)

圖6   頂蓋外板拉深有限元分析模型
初始分析設定的成形工藝參數如下:摩擦因數為0.15,壓邊力采用恒定值1 800 kN,壓邊圈行程為185 mm,單元格類型為EPS11,設置好后提交求解器進行CAE模擬計算。根據CAE分析的成形力曲線(見圖7),零件最大成形力為5 371 kN,成形力在設備額定壓力之內。

自動沖壓線連續模式成形功的初步研究(圖9)

圖7   頂蓋外板成形力曲線
根據成形力曲線,經過積分計算,得到零件所需成形功為459 kJ,超過了設備允許值,即SPM=12次/min時的能量最大輸出值446 kJ,如圖8所示。因此,在恒定1 800 kN壓邊力和SPM=12次/min的工況下生產,設備輸出能量無法滿足零件成形功的要求。

自動沖壓線連續模式成形功的初步研究(圖10)

圖8   頂蓋外板成形功曲線

4.2 頂蓋外板成形功優化

由于恒定1 800 kN壓邊力條件下零件成形功超出設備最大輸出能量,考慮板料在成形過程中的壓邊力隨凹模行程變化而相應變化[4]。為解決恒壓邊力成形出現的成形功超差,提出了變壓邊力控制技術,對恒定的壓邊力曲線進行優化,得到優化后的變壓邊力曲線如圖9所示。

自動沖壓線連續模式成形功的初步研究(圖11)

圖9   變壓邊力加載方式
將優化后的變壓邊力曲線導入AutoForm軟件進行模擬,頂蓋成形性良好,未出現起皺、成形不充分、破裂等現象,變壓邊力CAE模擬的拉深件如圖10所示。零件在變壓邊力條件下成形力和成形功曲線如圖11和圖12所示,零件所需成形功為342 kJ,低于SPM=12次/min時設備能量輸出值446 kJ的額定要求,因此可滿足生產要求。

自動沖壓線連續模式成形功的初步研究(圖12)

圖10   變壓邊力模擬的拉深件

自動沖壓線連續模式成形功的初步研究(圖13)

圖11   工藝優化后成形力曲線圖

自動沖壓線連續模式成形功的初步研究(圖14)

圖12   工藝優化后成形功曲線

4.3 變壓邊力試模驗證

頂蓋外板基于變壓邊力成形仿真進行實際試模,并將變壓邊力加載曲線導入設備,導入后壓邊力界面如圖13所示。最終調試穩定得到的零件如圖14所示,頂蓋外板拉深成形質量良好,試模結果與仿真結果一致,滿足頂蓋外板在自動連續模式下大批量生產的需求。二手沖床回收

自動沖壓線連續模式成形功的初步研究(圖15)

圖13   壓邊力界面設定

自動沖壓線連續模式成形功的初步研究(圖16)

圖14   實際沖壓零件
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