CAE技术在冲压模具设计和制造中的应用

时间: 2024-10-28 04:52:04 |   作者: 工业模具

  用现代信息改造和提升制造业，将信息化和工业化结合，进一步过度到现代化，在较短时间内，实施跨越式发展，是结合我国国情的一条发展之路。全球性的竞争要求生产者对市场变化作出迅速准确的反应，以最短的时间开发出高质量，低成本的产品，并提供良好的服务。CAE(Computer-Aided Engineering)计算机辅助工程分析的应用和推广将使新产品开发的能力得到增强，将为制造业缩短开发周期，减少相关成本，提升产品质量，从而为增强企业的竞争能力提供有效的途径。

  模具设计的过程一般是这样的：模具设计工程师依照产品的类型、特点以及形状考虑采用合适的结构进行设计，即采用什么样的模具结构可以成形出该产品。在此过程中，结构设计工程师还要依照产品的某些特定要求结合自己的经验选择冲压方向,设计工艺补充面,压料面, 拉延筋,选择压边力,润滑条件等,以保证所设计的模具除了结构上合理外，在冲压方面也是可行的。

  显然，模具设计对结构设计工程师的要求是十分苛刻的。他不仅要具有结构设计的经验，还要具有成型材料、成型工艺方面的诸多知识，或者说，设计的成败在很大程度上依赖于模具设计者的经验。即使一个设计工程师具有非常好的模具设计经验，但是他仍然面临许多新的问题，因为实际中的产品往往是千变万化的。有时候一个细微的变化或者特定的产品要求可能使得已有经验不可用，或者即使可用但在实际试模之前，也没有办法进行有效的验证。这导致了模具设计过程有着非常明显的设计——修正——再设计的特点。如何减少该过程中的循环次数，使初始设计应达到或者逼近合用的结果，这在实践中具备极其重大意义。

  CAE分析正是解决以上问题的理想工具。原因是该工具建立在相对准确的数学模型基础之上，从而能够近似获得实际指导生产实践的结果，此外，计算的快捷性使得在实际试模前，可以对于多个冲压成形工艺，冲压参数做评估直至优化，进而达到缩短设计和制造周期，提高质量的目的。

  冲压成形是机械制造领域中的一种重要加工方法;其成形件质量的好坏，重点是模具及冲压成形工艺设计是不是合理。传统冲压成形过程，主要是依靠技术人员的经验来设计加工工艺和模具，然后通过试模生产，检验成形件是不是满足产品的设计的基本要求;如果工件与设计的基本要求相差太大，或出现非常明显的缺陷，则需要修制或重新设计模具。显而易见，在修模和试模阶段，存在大量的资源和时间支出，致使整个板料冲压生产的质量和成本很难得到理想的控制;这种成形工艺已经越来越不能适应现代工业的发展需要;在过去的几十年内，随着计算机技术的迅猛发展，计算机模拟(仿真)技术逐渐完备并逐渐应用到现代工业生产的所有的领域，成为现代工业生产的有力工具。

  在现代冲压生产中采用计算机仿真技术指导生产，可使技术人员非常直观地在计算机屏幕上观察到工件材料的变形和金属流动的情况，获得在冲压成形过程中工件的位移、应力、应变的分布，并通过观察位移后工件的变形情况，预测可能会产生的缺陷如：破裂、起皱、颈缩等，以及在成形过程中所需的载荷以及工件成形后的回弹、残余应力的分布。从而根据已有的专业相关知识和生产经验实时调整模具参数和成形工艺，修改毛坯形状和尺寸。由此可知，在整个冲压成形中出现的绝大部分问题，技术人员均可通过进行计算机仿真来发现并解决。从而快速缩短进行试模和修模的时间，降低物耗、节约生产所带来的成本、减少新产品的开发时间，提高了产品的质量，增强产品的市场之间的竞争能力。

  一般说来，板料成形有限元软件可以对薄板成形件的成形结果做多元化的分析、评价，帮助工程师进行产品工艺可行性研究和模具设计制造，优化板料成形工艺，优化成形参数，对新材料的评估，对产品的设计开发提出修改意见。计算机模拟的作用可以归纳为：缩短模具制造周期;节省费用;提高零件的质量和使用性能;降低零件废品率;合理的选用成形材料。

  应用计算机模拟，据统计可产生如下技术经济效益：模具设计、制造和调试时间平均减少30%;模具调试次数平均减少40%;工艺调试时间平均降低50%;每套模具平均减少相关成本20%。

  (1)式中，是质量密度，μ是阻尼系数，和 分别是 对t的二次导数和一次导数，表示I方向的加速度和速度。 和 分别代表惯性力和阻尼力。另外，由于现在的情况下，载荷是时间的函数，因此位移，应变，应力也是时间的函数，故在基本方程中包刮了粗始条件(6)式。

  在动力分析中，因为引入了时间坐标，所处理的是四维坐标(x，y，z，t)问题;在有限元分析中，一般都会采用部分离散的方法，即只对空间域进行离散，这样，此步骤和静力分析相同。

  运动方程(12)或(15)是一个常微分方程。对其求解，目前主要由两大类方法：直接积分法和振型叠加法。直接积分法通常又包括基于中心差分法以及Newmark法，Wislson-θ法等隐式迭代算法。在板料成型分析中，以中心差分法的使用最广泛。

  以运动方程中解出节点的位移向量 ，则可利用(2)和(3)计算应变ε(t)和应力σ(t)。

  在冲压成形过程，模具系统(冲头、凹模、压边圈、拉延筋等)的型面参数和冲压工艺参数压机参数、冲头力-运动参数、压边力参数、润滑油、冲压工序等,对可成形程度和成形质量具有决定性的影响。如果在设定的冲压条件(模具和工艺参数)下产生不满意的零件，应该调整哪些参数以获得满意的结果?

  在模具系统和工艺参数中，压边力(Blankholder Force，BHF)和拉延筋(drawbead)对零件成形质量影响很大，直接影响着零件起皱、破裂、表面波纹和回弹等因素，因而压边力和拉延筋一直是冲压成形研究中的热点，目的是提高冲压件的质量。

  压边力〔Blank-holder force,简称BHF〕的最大的作用是通过对板料拉深的压紧以产生摩擦力，从而增加板料中的拉应力来控制材料的流动，避免法兰的起皱。在板料拉深过程中如果压边力过小，则不能有效地控制材料的流动，将导致板料容易起皱;而如果压边力过大，虽然达到了防止起皱现象的发生，但板料被拉破的趋势同时也增大，而且将增加模具与板料表面受损的危险，影响模具的寿命和板料的成形质量。为了使得板料拉深能够顺顺利利地进行，既不起皱又不开裂，确定一个合理有效的压边力并对其来控制是非常有意义的。为了达到最好的拉深效果，可按不同的压边力进行数值模拟，并观察其对拉深质量的影响;如果把经验推算与计算机数值模拟结合起来，能够迅速高效地确定大小合适的压边力。

  (3)改变压料面或拉延件侧壁进料角度、改变材料流入的凹模口圆角半径、调整压料间隙、改变润滑条件等均可少量地调节进料阻力；

  (4)使用拉延筋，通过对拉延筋的位置、根数和形状的适当配置来改变压料面上各部分的进料阻力。

  相对而言，拉延筋的设置，包括筋的大小、形状，位置、根数等，更能影响到拉延筋所起的作用，而拉延筋的设置也正是根据希望它要起到的作用来完成的。就是在要增加和调节进料阻力的地方设置拉延筋。

  确定冲压件的冲压方向，不但决定能否拉探出满意的拉深件，而且影响到工艺补充部分的多少和压料面的形状，合理的冲压方向应从以下几方面考虑。

  保证凸模能够进入凹模,当冲压件有局部凹形或反拉深要求时，冲压件本身的凹形和反拉深要求就决定了冲压的方向。

  凸模与毛坯在开始冲压时，凸模与毛坯应保持较大的接触面积，并位于凸模中心部分，这样毛坯不易发生局部应力集中而使零件产生破裂，而且材料能均匀地拉人凹模，不会因毛坯发生挪动而影响冲压质量;毛坏能完整地贴紧凸模，冲压后获得完整的凸模形状。(PAM-STAMP软件提供了计算冲压方向的功能，在模拟和设计时参考)

  压料面是冲压件工艺补充面的一个组成部分，即位于凹模圆角半径以外的那一部分毛坏。拉深前，压料圈将要拉深的毛还压紧在凹模压料面上，不形成皱纹或折痕，在拉深过程中，压料面逐步进人凹模型腔内。同时，尽可能降低拉深。

  深度保证进人凹模里的材料不皱不裂获得合格的拉深件因此确定压料面要做到如下几点；

  (a).压料面尽可能为平面、圆柱面、圆锥面或曲率很小的双曲面等可展面，当毛坯被压紧时，不应该产生皱纹或扭曲现象，以便材料向凹模内顺利流动。

  (b) 压料面与拉深凸模的形状应保持一定的几何关系。保证在拉深过程毛坏始终处于拉胀状态，拉入凹模内的材料不会“多料”，也就不会产生皱纹。

  在UG软件中完成某汽车前面板零件的几何建模，并做修改处理成拉延工序制件模型，包括冲压方向，压料面,工艺补充面等，数字模型用IGES格式导入PAM-STAMP软件中，利用软件中的前处理工具来对几何模型进行网格划分，建立冲压成形的有限元模型的凹模。采用OFFSET或者TOOLS BUILDING方式形成凸模及压边圈的有限元模型。

  模拟可显示各加载时刻板材的变形、应力、应变分布及板材厚度变化和成形极限图等。图2-图4，为计算机模拟冲压成形后应变分布、应力分布、板厚分布。

  通过计算机模拟，模具系统，工艺参数等，对成型件工艺性和质量有很大的影响，其影响的程度依此为：拉伸(冲压)方向;压料面和工艺补充面的形状;压边力;拉延筋;入模圆角;摩擦情况;冲压速度等。

  采用CAE技术能帮助设计人员对大型复杂的冲压成形工艺进行深入的分析，提高设计的可靠性，并及时对模具设计的不合理因素做修改，优化工艺参数，提高模具设计制造质量，缩短模具制造、调试周期，降模成本。

  有限元模拟技术经过多年的发展，已进入实际应用阶段。随着中国汽车设计和开发能力的慢慢地提高，有限元模拟技术在未来新车型的设计、试制和生产的全部过程中，会发挥慢慢的变大的作用。但要认识到，国内模具生产技术水平与国外有很大的差距，如何调整模拟中采用的边界条件，使其与实际生产状态更加吻合还需要摸索，另外，工艺方案的确定，数学模型的建立，模拟结果的分析判断以及改进处理方案的提出都要求由经验比较丰富的工程人员来完成，在计算机模拟分析中，融入更多的工程经验，积累成形模拟分析的有关数据，都需要很长的时间来完成。 总之，计算机模拟技术是当前板料成形研究中一个很热门的研究领域，不久的将来，会成为新车型开发中一个必要的分析工具，有着广阔的应用前景。