乘用车排气隔热罩成形模拟分析及坯料尺寸计算.pdf

冲模技术 乘用车排气隔热罩成形模拟分析及坯料尺寸计算 李建忠 无锡威孚力达催化净化器有限责任公司( 江苏无锡2 1 4 0 0 0 ) 【摘要】以某乘用车排气系统上的隔热罩为例，论述了在设计开发模具的前期，运用三维建 模软件U G 以及钣金C A E 分析软件D Y N A F O R M ，从理论上预测隔热罩的成形结果并优化 冲压工艺以及计算隔热罩的坯料尺寸。在保证隔热罩成形质量的前提下，缩短隔热罩开 发周期以及降低其开发成本，给后期模具的设计开发提供一定的指导意义。 关键词：隔热罩；D Y N A F O R M ；模拟分析；坯料尺寸；U G ；钣金成形 中图分类号：T G 3 8 5 2 文献标识码：B S i m u l a t i o nA n a l y s i so fE x h a u s tH e a tS h i e l dF o r m i n g & C a l c u l a t i o no fB l a n kS i z ef o rP a s s e n g e rV e h i c l e 【A b s t r a c t 】T h i sp a p e ru s e sah e a ts h i e l do fp a s s e n g e rv e h i c l ee x h a u s ts y s t e ma sa ne x a m p l e P r e d i c t i n gt h ef o r m i n gr e s u l t s ，o p t i m i z i n gt h es t a m p i n gp r o c e s sa n dc a l c u l a t i n gt h eb l a n ks i z eo f t h eh e a ts h i e l db yu s i n g3 Dm o d e l i n gs o f t w a r eU G & s h e e tm e t a lf o r m i n ga n a l y s i ss o f t w a r e D Y N A F O R Mw e r ed i s c u s s e di nt h e o r y ；B e f o r ed e s i g n i n gt h ed i e S h o r t e n i n gt h ed e v e l o p m e n t c y c l ea n dr e d u c i n gt h ec o s t ，u n d e rt h ep r e m i s eo fe n s u r i n gt h ef o r m i n gq u a l i t yo ft h eh e a ts h i e l d ； P r o v i d i n gs o m eg u i d a n c e sf o rt h ed i ed e s i g ni nt h ef u t u r e K e y w o r d s ：h e a ts h i e l d ；d y n a f o r m ；s i m u l a t i o na n a l y s i s ；b l a n ks i z e ；U G ；s h e e tm e t a lf o r m i n g 1引言 汽车排气系统因其安装位置以及工作环境等因 素，其封装材料应具备一定的特殊特性，普通汽车排 气系统的封装材料基本是以不锈钢板材、管材为主。 通常乘用车排气净化器上的隔热罩的形状是不规则 的薄壁钣金覆盖件，这就给隔热罩的模具设计以及隔 热罩的前期开料尺寸预算带来了一定的技术难度；同 时也意味着会延长隔热罩的开发周期以及增加其开 发成本。本文将三维建模软件U G 和专业钣金塑性成 形分析软件D Y N A F O R M 相结合，对隔热罩的成形进 行理论上的数值模拟分析，根据成形结果优化模具设 计，同时预测隔热罩的坯料尺寸。D Y N A F O R M 软件 是用于板料成形模拟仿真的专业软件，它可以预测板 料在成形过程中板料的开裂、起皱、减薄、回弹、拉伤 等信息来评估板料的成形的可行性，减少产品开发的 成本和周期。 5 结束语 该模具操作简单，维修方便，经试模一次成功，冲 出的工件毛刺小，表面平整，达到了公司的技术和批 量生产的要求。 参考文献 1 】孙凤勤模具制造工艺与设备 M 】北京：机械工业出版社， 1 9 9 9 2 】薛放翔冲压模具设计制造难点与窍门 M 】机械工业出版 社，2 0 0 3 【3 冲模设计手册编写组冲模设计手册【M 机械工业出版 社，1 9 9 9 作者简介：赵国存，男，1 9 6 2 年生，中车技能专家， 从事冲裁模具的组装与设计研发。 ( 收稿日期：2 0 1 7 0 2 2 1 ) 2 2 模具制造) ) 2 0 1 7 年第5 期 万方数据 冲模技术 2 隔热罩成形工艺分析 2 1 隔热罩空间结构 如图1 所示，该隔热罩是一个空间异形件。其大 致形状为：前端部分采用偏心斜口并带有缩径设计， 中间部分是采用隆起避让的设计，后端部分则是采用 缩径设计。 后端 缩径 中部 隆起 前端 偏心 斜口 工艺压边尺寸，所以先将隔热罩的单个工艺理论开料 尺寸暂且定为：2 4 0 x 1 5 0 x 1 O m m 。 2 2隔热罩成形工艺分析 根据以往的类似制件的冲压工艺，该隔热罩由起 初的平板状态到最后的想要的成形状态，大致需要经 过4 道工序： 最初平板状态_ 剪板_ 成形一整形_ 切边_ 最 矧) 终成形状态。渊 在以上4 道工序里，其中成形工序是所有工序中。- _ 2 4 7 ( I 的核心工序，同时也是技术难度最大的一道工序，此= 3 7 0 成形工序的好坏将直接影响到隔热罩整个开发周期渊 以及开发成本。为此本文重点是对隔热罩的成形工 二1 序进行模拟分析，用以指导今后隔热罩成形模具的 设计。 3 隔热罩成形工序模拟分析 3 1隔热罩坯料尺寸的预确定 运用三维建模软件U G 先对隔热罩数模进行预处 理，再将其转换到D Y N A F O R M 钣金分析软件中去，先 对隔热罩数模进行相应的网格划分，再对隔热罩的坯 料尺寸进行预算，如图2 、图3 所示。 此隔热罩的设计材料是选用厚度为1 0 m m 的 S U H 4 0 9 L 不锈钢薄壁板材，其应力应变如图4 所示； 由坯料尺寸预算图可知，该隔热罩的理论展开的平板 尺寸约为2 2 5 x 1 3 4 m m ，根据以往的经验需加上一定的 ：j I r 气一 ， ， O 1 5O 20 2 50 30 3 5 0 40 4 50 5 S U H 4 0 9 L 板材应用应变曲线图 3 2 隔热罩成形模拟 运用三维建模软件U G 建立隔热罩的成形工序的 拉伸模具数模，如图5 所示，再将其导人到 D Y N A F O R M 钣金C A E 软件中，进行相应的数模前期 处理、模具的各个功能件定位、以及相关的工艺参数 设置后，最后提交给计算机进行计算，经计算得出相 应的计算结果。 一般隔热罩的拉伸成形可行性判断，主要是依靠 隔热罩的成形极限图和隔热罩拉伸成形后板材的减 薄程度图，用这两大因素来进行判断。 模具制造 2 0 1 7 年第5 期 2 3 J 4 O 图 晒0O 万方数据 冲模技术 凸模 图5隔热罩成形拉伸模具数模 状态。 由图6 可知，隔热罩在拉伸成形后的主体区域颜 色为绿色，但是其前端、后端两部分颜色基本上以紫 坏利 红色为主，并且隔热罩的后端成形后的材料并没有将 一。 隔热罩最终状态覆盖住。 结合以上模拟计算分析的结果，再根据以往经验 料板 成形极限图主要是针对制件在成形过程中是否 出现隔热罩的板材毛坯过小或过大、板材开裂、起皱 等缺陷进行预测；板材的减薄程度图主要是针对制件 成形后，对板材的厚度变化进行相应的预测。行业内 规定，一般钣金件的板材减薄率要控制在3 0 以内， 其增厚率要控制在5 以内。 3 2 1 隔热罩成形可行性分析 如图6 所示，为专业钣金分析软件D Y N A F O R M 所计算得出的隔热罩拉伸成形的的成形极限图 ( F L D ) ，图6 中各颜色所代表的含义分别为：红色： 表示开裂；黄色：表示有开裂的危险；绿色：表示 安全；蓝色：表示有起皱倾向；粉红色：表示起 皱；紫红色：表示严重起皱；灰色：表示未发生 蛮形。 黄色线 条部分 为隔热 罩的最 终状态 图6 中的中间部分为：成形时的制件三维视图区 域，可以直观的查看在成形过程中制件外形所发生的 变化。 图6 中的黄色线条部分为：隔热罩的最终成品 将采取下面几个方面的措施： ( 1 ) 考虑到该隔热罩的结构特性，为了改善板料 在拉伸成形过程中的受力对称均匀性，现尝试放弃原 有的单一拉伸方案，即一块板材只拉伸一件隔热罩； 转而启用将隔热罩双并料，即将两个隔热罩对称式的 合并到一块板料上同上进行拉伸，如图7 所示；用于改 善隔热罩在拉伸成形过程中出现板料严重起皱现象。 ( 2 ) 由于采用双并料工艺方案，需将拉伸成形前 的板料毛坯尺寸相应的加大，用于后期该方案的计算 模拟分析。 ( 3 ) 调整相应的工艺参数，比如凸模运动速度、压 边速度、压边力等。 两隔热罩间的 一艺衔接尺寸 为3 0 r a m ，便于 后期将两者进 行分割 3 2 2 拉伸成形方案改善以及成形可行性分析 ( 1 ) 方案改善。 首先再次运用三维建模软件U G 对隔热罩的拉伸 成形模具方案进行了相应的修改，并将修改后的方案 导人到钣金C A E 分析软件D Y N A F O R M 中，然后进行 相应的模型前期处理并且对相应的冲压工艺参数设 置进行优化操作： a 将模具的设计也采用对称式设计，尽可能的使 板料毛坯在整个拉伸成形过程处于一个受力相对平 衡的状态，改善拉伸起皱的现象，其次还将模具的两 2 4 模具制造 2 0 1 7 年第5 期 万方数据 冲：m - 技术 侧压料面积进行了适当的加大。 b 如图8 所示，暂将板料毛坯尺寸改为2 8 0 x 2 4 0 x 1 0 m m ，后期将结合模拟计算的结果再进行相应的 调繁 坯 2 8 0 x 压料板 凸模 c 在设置工艺参数时，将凸模的运动速度、压料板 的运动速度都进行了降低，同时也降低了压料板对板 料毛坯的压料力。 ( 2 ) 方案优化后成形可行性分析。 图9 为隔热罩拉伸成形方案优化之后的成形极限 图( F L D ) ，由此图可知，成形之后的板料中间主体区 域为绿色，但是在板料的两侧和两端区域所呈现颜色 仍然紫红伊 严重 起皱 区域 严重 起皱 区域 对比图9 中的黄色线条部分，成形后的板料两侧 呈现紫红色的区域是位于黄色线条部分以外的区域， 该区域属于工艺压边区域，在之后的切边工序中会将 其切除。 其次，板料两头的呈现紫红的区域，在区域板料 拉伸成形后板料出现重叠现象( 图9 黑色画圈部分) ， 它是位于黄色线条部分之内的，该区域的材料是属于 制件本身的材料区域。因此需要对起皱的区域进行 优化，使该区域的材料在整个拉伸成形过程中能够尽 量避免拉伸严重起皱的缺陷。 再者，如图9 l i f t 示，成形之后的板料两端部分已经 很接近黄色线条部分( 隔热罩的最终成品状态) ，这样 是很不利于板料的拉伸成形，需适当加大板料毛坯两 端尺寸，用以改善此缺陷。 ( 3 ) 方案改善1 。 结合上面优化方案的成形极限图分析结果，为了 使得板料最终的成形结果能够得到相应的改善。针 对以上优化方案模拟时出现相应的缺陷，再次对拉伸 或形模具、板料毛坯尺寸以及工艺参数作出相应的调 整优化，修改之后的工艺方案l 如图1 0 所示。 a 在模具两端的两侧分别增加相应的矩形阻料 筋，用以改善板料毛坯在成形之后，板料的两端有严 重起皱的缺陷。 b 将板料毛坯尺寸改为3 0 0 x 2 4 0 x 1 0 m m ，便于板 料的拉伸成形，降低板料发生起皱缺陷的