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自动冲压线连续模式成形功的初步研究

作者:大鑫机械 发布时间:2021-11-13 11:03:52点击:

1 冲压自动生产线

冲压自动生产线一般由拆垛机、清洗机、对中设备、多台压力机和机械手、线尾皮带机等组成,如图1所示。由于是连线、连续生产,任何压力机出现故障,都会导致生产线停止工作。

自动冲压线连续模式成形功的初步研究(图1)

图1   冲压自动生产线
首台压力机压力为12 000 kN,配备液压垫,专门用于零件拉深工序的生产,冲压件的大部分型面、关键外观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为整线最大值,这是零件冲压载荷校核的重点。

2 压力机行程功和成形功

由图2可知,压力机工作时电机带动飞轮运转,飞轮积蓄能量,滑块下行,上模接触坯料后开始冲床冲压成形,电机的驱动功率小于载荷,转速会降低,飞轮释放能量进行补偿,冲压完成后,飞轮再次加速积蓄动能,以备下次冲压使用,完成一个工作循环。

自动冲压线连续模式成形功的初步研究(图2)

图2   压力机工作原理
当飞轮释放的动能低于零件成形能量时,设备飞轮会逐步减速,零件成形难以到底并最终导致卸荷无法继续正常工作[3],行程功表达式如下:
W行程=1/2jw2
其中,j为飞轮转动惯量;w为飞轮转速。当W行程W成形时正常工作,当W行程W成形时飞轮减速直至压力机工作无法进行。
图3所示为12 000 kN压力机自动线SPM行程功曲线,压力机最大行程功(能量输出值)为458 kJ,对应SPM=14次/min。实际生产小于该节拍时,滑块速度低、对应飞轮动能小即额定行程功小;实际生产高于该节拍时,电机来不及给飞轮补充滑块做功损失的能量,设备输出能量即额定行程功逐渐变小。

自动冲压线连续模式成形功的初步研究(图3)

图3   SPM能量输出曲线
通常情况下,在理论行程功满足所需成形功的基础上,尽量选择更高的SPM,因为生产效率提高,单件成本降低。但SPM过高对设备、模具运动部件冲击载荷大、磨损大,模具应对高速生产所需的表面处理要求高,因此选择合适的SPM需要对能耗、生产效率、设备损耗、模具零件损耗等进行综合评估。

3 零件成形功的计算方法

成形功是成形力对模具作用距离的积分,校核成形功时应当提取CAE成形力(凹模受力或凸模受力和压边力之和)进行积分,即:
W成形=自动冲压线连续模式成形功的初步研究(图4)
其中,自动冲压线连续模式成形功的初步研究(图5)为模具零件某一运动位移下的成形力,kN;D为模具零件运动的位移,mm。
图4(a)所示为典型冲压件成形力曲线,最大成形力为3 525 kN,模具零件运动位移为80 mm,按照积分法计算相应的成形功曲线如图4(b)所示。

自动冲压线连续模式成形功的初步研究(图6)

图4   典型冲压件成形力和成形功曲线

4 顶盖外板成形功校核和优化

4.1 恒定压边力下顶盖外板成形功校核

以某车型顶盖外板为研究对象,如图5所示,安排在自动冲压线生产。零件拉深深度为128 mm,材料为DC04,料厚为0.7 mm,工艺设计SPM=12次/min,设备最大压力F0=12 000 kN。根据材料力学性能试验得出材料属性为:弹性模量为210 GPa,泊松比为0.3,屈服强度为163 MPa,抗拉强度为295 MPa,加工硬化指数为0.22,塑性应变比为1.88。

自动冲压线连续模式成形功的初步研究(图7)

图5   顶盖外板模型
当生产线开始调试时,机床飞轮出现减慢现象,生产几个零件后设备就停止报错,然而成形力的校核计算没有问题,可判断是零件成形功不足。
拉深工序CAE模拟:将模面数据转换成IGS文件格式导入AutoForm软件,并利用其工具设定模块生成凹模、压边圈、凸模等工具体,图6所示为划分网格后的顶盖外板拉深有限元模型。

自动冲压线连续模式成形功的初步研究(图8)

图6   顶盖外板拉深有限元分析模型
初始分析设定的成形工艺参数如下:摩擦因数为0.15,压边力采用恒定值1 800 kN,压边圈行程为185 mm,单元格类型为EPS11,设置好后提交求解器进行CAE模拟计算。根据CAE分析的成形力曲线(见图7),零件最大成形力为5 371 kN,成形力在设备额定压力之内。

自动冲压线连续模式成形功的初步研究(图9)

图7   顶盖外板成形力曲线
根据成形力曲线,经过积分计算,得到零件所需成形功为459 kJ,超过了设备允许值,即SPM=12次/min时的能量最大输出值446 kJ,如图8所示。因此,在恒定1 800 kN压边力和SPM=12次/min的工况下生产,设备输出能量无法满足零件成形功的要求。

自动冲压线连续模式成形功的初步研究(图10)

图8   顶盖外板成形功曲线

4.2 顶盖外板成形功优化

由于恒定1 800 kN压边力条件下零件成形功超出设备最大输出能量,考虑板料在成形过程中的压边力随凹模行程变化而相应变化[4]。为解决恒压边力成形出现的成形功超差,提出了变压边力控制技术,对恒定的压边力曲线进行优化,得到优化后的变压边力曲线如图9所示。

自动冲压线连续模式成形功的初步研究(图11)

图9   变压边力加载方式
将优化后的变压边力曲线导入AutoForm软件进行模拟,顶盖成形性良好,未出现起皱、成形不充分、破裂等现象,变压边力CAE模拟的拉深件如图10所示。零件在变压边力条件下成形力和成形功曲线如图11和图12所示,零件所需成形功为342 kJ,低于SPM=12次/min时设备能量输出值446 kJ的额定要求,因此可满足生产要求。

自动冲压线连续模式成形功的初步研究(图12)

图10   变压边力模拟的拉深件

自动冲压线连续模式成形功的初步研究(图13)

图11   工艺优化后成形力曲线图

自动冲压线连续模式成形功的初步研究(图14)

图12   工艺优化后成形功曲线

4.3 变压边力试模验证

顶盖外板基于变压边力成形仿真进行实际试模,并将变压边力加载曲线导入设备,导入后压边力界面如图13所示。最终调试稳定得到的零件如图14所示,顶盖外板拉深成形质量良好,试模结果与仿真结果一致,满足顶盖外板在自动连续模式下大批量生产的需求。二手冲床回收

自动冲压线连续模式成形功的初步研究(图15)

图13   压边力界面设定

自动冲压线连续模式成形功的初步研究(图16)

图14   实际冲压零件
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