【行業淺談】金屬沖壓加工的CAE市場技術闆料成形分析

2019-02-12  來自: 廈門钜欣五金制品有限公司. 浏覽次數:211

一、概述

  闆料成形是利用模具對金屬闆料的沖壓加工,獲得質量輕、表面光滑、造型美觀的沖壓件,具有節省材料、效率高和低成本等優點,在汽車、航空、模具等行業中占據着重要地位。由于闆料成形是利用闆材的變形得到所需的形狀的,長期以來,困擾廣大模具設計人員的主要問題就是較長的模具開發設計周期,特别是對于複雜的闆料成形零件無法準确預測成形的結果,難以預防缺陷的産生,隻能通過經驗或類似零件的現有工藝資料,通過不斷的試模、修模,才能成功。某些特殊複雜的闆料成形零件甚至制約了整個産品的開發進度。

  闆料成形CAE市場技術及分析軟件,可以在産品原型設計階段進行工件坯料形狀預示、産品可成形性分析以及工藝方案優化,從而有效地縮短模具設計周期,大大減少試模時間,幫助企業改進産品質量,降低生産成本,從根本上提高企業的市場競争力。

  通過比較,就可發現闆料成形CAE技術的主要優點。

  (1)通過對工件的可成形工藝性分析,做出工件是否可制造的早期判斷;通過對模具方案和沖壓方案的模拟分析,及時調整修改模具結構,減少實際試模次數,縮短開發周期。

  (2)通過缺陷預測來制定缺陷預防措施,改進産品設計和模具設計,增強模具結構設計以及沖壓方案的可靠性,從而減少生産成本。

  (3)通過CAE市場分析應用不僅可以彌補工藝人員在經驗和應用工藝資料方面的不足,還可通過虛拟的沖壓模拟,提高提高工藝人員的經驗。

  二、闆料成形需要解決的問題

  闆料成形通過模具對闆料施加壓力,使闆料産生永久性的塑性變形,以獲得預期的産品形狀。在這個過程中影響闆材變形的因素非常多,要控制好變形的形狀也非常困難。首先,金屬受外力作用會發生變形,變形可分為彈性變形和塑性變形,彈性變形是可逆的,外力去除後變形體就會恢複成原來的形狀;第二,材料的成分和組織對變形影響很大;第三,塑性變形有多種方式,再結晶溫度下的塑性變形有晶内滑移和孿動、位錯(位錯分多種形式),再結晶溫度上的塑性變形有晶間滑移、多晶體擴散和相變變形等;第四,變形溫度、變形速度的影響;第五,變形體内部應力狀态的影響;第六,摩擦與潤滑的影響;第七,材料塑性變形後,當變形體内部各部分變形不一緻時,物體内部産生相互牽制和自相平衡的負應力。

  由于在闆料沖壓成型過程中,模具的剛性通常遠遠大于闆料的剛性,因此模具的變形相對闆料的變形來說極小,可以忽略不計。

  在沖壓成形過程的計算機仿真中應考慮的問題歸結為如下幾個方面:

  (1)闆料的大位移、大轉動和大應變條件下的彈塑性變形的描述和計算。

  (2)闆料與模具間法向接觸力的計算。

  (3)闆料與模具接觸面間摩擦的描述及摩擦力的計算。

  (4)模具的幾何描述和運動計算。

  (5)壓力機加載過程的描述和模拟。

  闆料成形的工藝主要有沖壓工藝設計(包括毛坯尺寸計算、分步成形計算等)、模具設計、沖壓設備選擇和成形缺陷預測與消除等。

  闆料成形需要解決的主要問題包括缺陷(起皺、拉裂、回彈)預防、壓邊力确定、模具磨損的影響、潤滑方案确定、成形力确定、毛坯尺寸确定和壓延筋布置等。

  基本的闆料成形有圓筒件拉伸、凸緣圓筒件拉伸、盒形件拉伸、局部成型、彎曲成型、翻邊成型和脹型等。基本的闆料成形,有一些經驗公式和類似零件作為參考。但對于複雜的闆料成形,其各部位是連在一起的,相互牽聯和制約,故不要把變形性質不同的部分孤立地看待,要考慮不同部位的相互影響,才不會造成失誤。

  三、闆料成形CAE市場軟件簡介

  較多的公司都推出了非常适合于模具設計工程師使用的闆料成形數值模拟軟件。國外比較有名的商業化闆料成形數值模拟軟件有ESI公司的PAM-STAMP、美國ETA公司的DYNAFORM和瑞士ETH公司的AUTOFORM等。

  這些軟件采用自适應網格技術,實現顯隐式無縫轉換,精度較高,用一步法作坯料快速開發,具有較強的模面設計功能和焊闆成形分析功能。這些公司的的産品較為全面,涵蓋了闆料成形模拟的多個方面,廣泛應用于拉伸、切邊、翻邊、彎曲、多工位成形、液壓脹形和彎管等領域。在自适應網格技術是在模拟成形過程中,在坯料遇到比較劇烈變形時自動進行局部區域的網格細分,以提高這些部位計算的準确度。自适應網格技術對沖壓成形是至關重要的,因為初始的沖壓闆材通常比較平坦、形狀很簡單,剛開始就采用較小的網格,計算時間将很長。到成形後期,闆材變的非常複雜,網格不細将無法提高計算精度,自适應網格技術剛好解決了這一問題,并在時間與精度上巧妙地取得了平衡。自适應網格技術提高了對零件的表面質量(表面缺陷、擦傷、微皺紋等現象)判斷的準确性。

  我國近幾年也開發了較為成熟的闆料成形CAE市場軟件,如華中科技大學塑性成形模拟及模具技術國家重點實驗室開發的FASTAMP以及元計算科技發展有限公司的FELAC等。

  四、闆料成形CAE市場軟件的應用要求

  數值模拟計算已經與理論分析、試驗研究成為科學技術探索研究的三個相互依存、不可缺少的手段。目前的闆料成形CAE市場分析軟件已完全适合設計及工藝人員使用,完全工藝化的風格,使工程師不必去關心細節部分的力學模型,隻按實際沖壓條件作好網格劃分、約束條件、沖壓條件及邊界條件等預處理工作。在應用中,闆料成形CAE軟件的應用要求有:

  (1)掌握網格劃分技術的指導思想、劃分原則,保證有效性。

  在現在的闆料成形CAE市場分析軟件中,都提供了自動劃分網格功能,并且大部分軟件采用了自适應網格劃分技術,所以網格劃分的操作非常簡單,但需要分析人員對網格的有效性進行判斷并确認,對細節區域的網格進行修補或重劃分。

  (2)要以現實沖壓條件為基礎,掌握實際沖壓條件的數學描述方法。

  在闆料成形CAE市場分析軟件中,一定要結合實際沖壓條件,掌握實際沖壓條件的數學描述方法。否則,CAE市場分析隻能成為理論分析,不能應用于實際生産。要準确描述實際沖壓條件,需要進行大量的調查分析。

  (3)CAE分析與經驗學習積累同等重要。

  采用CAE分析的同時,不可忽視經驗的學習積累。如在歐美多數采用仿真設計,但在日本,模具設計師通常更多的是依靠經驗來設計模具。經驗的重要性體現在:1)在闆料成形CAE分析的預處理過程中,好的工藝輔助面及拉延筋可以快速達到預期的目的;2)在後處理分析發現成形缺陷時,通過什麼方法來改善,需要有豐富的經驗。

  (4)CAE分析必須與零件及模具的CAD/CAM并行交互。

  CAE分析是為零件及模具的設計和工藝參數優化等服務的,不能将CAE分析孤立,而應該更多地滲入零件及模具的設計、工藝設計,及早地改善模具設計,優化工藝參數,甚至改進零件設計,才能縮短開發周期,降低開發成本。

  五、結論

  闆料拉深成形是汽車、航空工業領域中一種重要的加工方法。闆料拉深成形中經常産生起皺、破裂、殘餘應力、回彈等問題,這些問題主要是受材料的成形性能、壓邊力、毛坯的形狀和尺寸以及模具的幾何形狀等因素的影響。采用傳統的實驗方法逐一分析各種因素對闆料成形的影響将耗費大量的時間和人力物力。随着計算機模拟和仿真技術的發展,闆料拉深成形過程的分析、缺陷分布等問題都可以通過有限元模拟軟件預測分析。

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