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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：2021-11-13 11:03:52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??；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=

其中，

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

文章地址：http://www.xazxedu.com/zdongtai/494.html

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