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图1 冲压自动生产线

二、设备许用载荷

    汽车覆盖件冲压一般所用设备为闭式四点单动机械式压力机, 不采用开式压力机, 也不采用没有固定下死点的摩擦压力机、螺旋压力机、液压机等其他锻压机械, 且大多数主机厂用于拉延的设备一般为20000~25000 k N的闭式四点单动机械压力机。因此, 以下分析基于国内应用广泛的济南二机床有限公司生产的LS4-2250型多连杆压力机。

1.设备载荷曲线

    图2所示为该种型号压力机的力-行程曲线。由图2可知, 该压力机最大公称力为22500 k N, 公称力行程为下死点前13 mm。
 

图2 LS4-2250压力机力-行程曲线

2.设备载荷许用区间

    根据多连杆压力机的传动特点, 考虑设备的使用寿命和维护成本, 提出设备载荷许用区间的概念, 并绘制载荷许用区间图, 如图3所示。在公称力-行程曲线下方绘制80%公称力控制线, 即在设备许用压力80%负荷下的压力曲线。考虑到设备维护周期和工作节拍, 结合实际生产经验并保障设备寿命, 将压力机力-行程曲线划分为3个区间, 即安全区、临界区和危险区。
    (1)安全区。80%公称力控制线下方为成形力安全区。冲压件成形力均处于该区域内时, 设备载荷裕度完全可以满足要求。冲压工艺设计时应当尽量将成形力控制在该区域。
 

图3 LS4-2250压力机载荷许用区间

    (2)临界区。公称力曲线与80%公称力控制线之间的区域。冲压件成形力进入该区域时, 对设备载荷裕度有影响。为了保证设备运行安全可靠, 延长使用寿命, 进入该区域的时段不得超过滑块行程的5%, 对于LS4-2250压力机, 滑块行程为1000 mm, 因此, 进入临界区的距离不得超过50 mm。
    (3)危险区。公称力曲线上方区域。为了避免损害, 任何时候都不允许成形力越过公称力曲线进入危险区。

3.设备行程功

    图4所示为压力机行程次数-行程功曲线。由图4可知, 压力机允许变形功最大行程次数为13次左右, 低于该节拍, 滑块速度低, 动能小, 行程功也小, 而高于该节拍, 滑块做功损失的能量来不及补充, 并且对机身结构冲击大, 行程功也小。因此, 当用于拉延深度较深的零件时, 由于所需行程功大, 应当尽量将设备节拍调整到10~13 SPM (Stroke Per Minute, 每分钟行程次数) 之间进行生产。

三、设备许用载荷校核

    图5所示为前门内板零件。由图5可知, 其外轮廓较大, 长度和宽度都大于1000 mm, 深度也将近200 mm, 采用一模两件生产可能有设备载荷不足的风险, 因此需要进行校核。
 

图4 LS4-2250压力机行程次数-行程功曲线

图5 前门内板零件

1.成形力校核
 

图6 成形力校核流程图

    (1)对零件进行CAE分析, 得到成形力曲线如图7所示。
 

图7 CAE成形力曲线

    (2)将CAE分析提取的成形力, 放入设备载荷许用区间图, 与公称力曲线和80%公称力曲线进行比较, 见图8。从图8中可以看出, 距离下死点3 mm以上的区间, CAE成形力曲线均位于80%公称力下方, 即均处于安全区内。当进入下死点3 mm后, CAE成形力曲线高于80%公称力曲线, 但一直未超过公称力曲线, 因此, 设备成形力满足零件成形需求。
 

图8 CAE成形力与设备公称力比较

2.变形功校核

    一般来说, 对于冲裁和浅拉深, 不需要进行设备能量校核。但是当冲压工艺设计出现下列情况时, 应当校核设备能量是否满足: (1) 在设备载荷许用区间图中成形力越过安全区, 进入临界区; (2) 拉深气垫行程超过220 mm; (3) CAE分析压边力大于2500 k N。
    变形功是成形力对作用距离的积分, 因此, 应当提取CAE成形力进行积分。最后总结归纳的变形功校核流程如图9所示。
 

图9 变形功校核流程图

    图10所示为在不同的行程次数 (SPM) 下压力机允许的变形功。由图10可知:在8 SPM下, 压力机允许变形功最小, 为800 k J, 但并不是行程次数越高, 允许变形功越大;相反, 在最高16 SPM下, 允许变形功只有1000 k J左右, 仅高于8 SPM下的最低值。因此, 在生产过程中, 将节拍设置在12 SPM最佳, 此时允许变形功达到最大值1250 k J。根据CAE分析的成形力曲线, 经过积分计算, 得到所需成形能量为456 k J, 远低于800 k J的允许变形功要求, 因此, 在8 SPM至16 SPM的任一节拍下生产, 均可满足要求。
 

图1 0 变形功曲线与设备许用变形功比较

四、结论

    (1)采用数值模拟的方法得到的成形力与压力机力-行程曲线比较, 当成形力小于设备的公称力, 但是大于80%公称力控制线时, 需要进一步校核变形功以判断是否满足设备载荷要求。
    (2)采用数值积分的方法得到变形功与压力机许用变形功比较, 8 SPM许用变形功最小, 12 SPM下许用变形功最大, 需避免在过低或过高的节拍下生产, 推荐在12 SPM或临近区间生产对发挥设备载荷能力最为有利。
    (3)采用22500 k N压力机生产线, 其力和变形功满足某车型前门内板一模两件对设备载荷的要求。