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板料沖壓CAE在汽車覆蓋件拉延模設計中的應用

作者:  信息來源:www.ca800.com  2006-2-8

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注塑成型CAE是用計算機數值模擬塑料成型過程的技術,其數值計算結果將產生大量的數據。如何將這些數據所蘊涵的物理意義以圖形的方式直觀的表示出來——即結果的可視化,是注塑成型CAE技術的一個重要環節。 隨著非線形理論、有限元方法和計算機軟硬件的迅速發展,薄板沖壓成型過程的CAE分析技術日漸成熟,并在沖壓模具與工藝...

    注塑成型CAE是用計算機數值模擬塑料成型過程的技術,其數值計算結果將產生大量的數據。如何將這些數據所蘊涵的物理意義以圖形的方式直觀的表示出來——即結果的可視化,是注塑成型CAE技術的一個重要環節。
    隨著非線形理論、有限元方法和計算機軟硬件的迅速發展,薄板沖壓成型過程的CAE分析技術日漸成熟,并在沖壓模具工藝設計中發揮了重要的作用。目前的金屬板料成形CAE系統已能提供以下分析和模擬結果:材料的流動、厚度的變化、破壞、起皺、回彈,以及殘余應力和應變,用以預測產品設計和加工工藝的合理性。其應用可以貫穿產品和模具開發的全過程,比如:可以在產品設計階段對設計師提出產品沖壓可行性分析;可以在模具設計階段對設計師的設計方案進行模擬和驗證;還可以在修模過程中提供直觀形象的指導。
    沖壓成型過程的CAE分析實質上是在計算機上模擬板料變形的全過程,從而判斷沖壓工藝方案的合理性。由于每次模擬就相當于一次試模過程。因此在沖壓成型過程中應用CAE模擬技術,可以顯著地減少試模次數,縮短新產品開發周期,并降低開發成本。
一、PAM-STAMP 2G在模具設計中的應用
    PAM-STAMP 2G是法國ESI公司開發的板金成形過程的有限元計算機模擬求解方案。它整合了從模具設計的可行性、快速模面生成與修改到沖壓過程的模擬等環節。它包含三個主要功能模塊
     DIEMAKER:用于快速生成壓料面及工藝補充面;
    QUIKSTAMP:用于快速評估成型模具;
     AUTOSTAMP:用于精確評估成型模具。
    各功能模塊在模具開發中的應用流程如圖1所示。

圖1 PAM-STAMP 2G的應用流程
    在汽車覆蓋件的拉延模設計中,合理設計工藝壓料面和工藝補充及壓延筋可以在很大程度上避免起皺、拉裂以及拉伸不足等制造缺陷。利用PAM-STAMP可以建立多個方案進行計算,優選出或優化得到較為滿意的模面和壓延筋,作為模具設計的參考和依據。而使用AUTOSTAMP中的展平(Flattening)功能得到的板材優化曲線,可以用來作為壓料面的外邊界參考。對于拉延模設計來說,有了模面和拉延筋,其余的就只是常規的結構設計了。
二、實例
    1.產品形狀和特點
    產品形狀和特點如圖2所示,該件屬于汽車外表面件,搭接面較多,表面質量要求高,不允許有波紋、皺紋、破裂等影響產品質量的缺陷。該件形狀不規則,長485mm,深150mm,高380mm。該產品的另一個主要特點為左右件,且左右件完全對稱。根據該件的特點,沖壓方案定為一模雙件,工藝為拉延、修邊沖孔、整形修邊切開和翻邊。

圖2 左/右前圍側板產品圖

圖3 DIEMAKER生成的沖壓模型
    2.對零件拉延工序進行有限元模擬分析
    (1)直接導入零件的.igs文件,劃分網格并進入DIEMAKER模塊,隱藏法蘭邊,以沖壓深度自動判斷沖壓方向,建立對稱面和壓料面,設定沖壓撥模斜度為5°,入料圓角10mm,建立工藝補充面,并建立整圈壓延筋(如圖3所示),轉入QUICKSTAMP模塊進入快速評估。從QUICKSTAMP的計算結果可以看出,拉延周邊有局部起皺現象。修改壓延筋,將單壓延筋變為雙壓延筋,并去除相對拐角部分。轉入AUTOSTAMP模塊(如圖4所示),重新進行精確評估,參數設定如下:
    壓料力:1000kN
    摩擦系數:0.12    
    等效壓延筋摩擦力:Fr=0.087kM,Fo=0.065kM
    板材材料:ST14
    厚度:0.8mm
    網格細分:refine=3


圖4 AUTO-STAMP計算模型
    模擬結果如圖5所示。


圖5 計算結果的厚度分布圖
    (2)經逐步觀看計算過程,此模型在計算過程中并未產生起皺和拉裂現象。從計算結果來看,其最薄處為0.517215mm,在FLC曲線上部未見顯示拉裂,在應變圖中顯示應變充分和均勻,說明以此設計的工藝補充及壓料面是合理的。
    轉到Design模式,分別輸出模面和壓延筋的.igs文件,以備在CAD中設計模具時使用。
    (3)在AUTOSTAMP計算得出的最后一步(State end),我們可以建立一條包含壓延筋的3D封閉曲線,投影到板材上,利用展平(Flattening)功能,得到所需板材初始形狀的優化曲線,將曲線導出為.igs文件。在模具設計中,可用此曲線作為模面尺寸的參考。見圖6所示。


圖6 板材優化輪廓曲線
    3.拉延模的設計
    (1)在通過以上仿真確定了拉延模的設計方案后,我們可以從中得到如下數據:
     模面圖形的.igs文件。此文件中包含零件的沖壓型面、工藝補充、壓料面、入料圓角和沖壓斜角等數據,可將其直接導入三維CAD軟件中用作拉延模的模面。
     壓延筋3D曲線的.igs文件。導入CAD內作為壓延筋的形狀參考曲線,但在建立壓延筋時,壓延筋的截面輪廓必須依據CAE中所建立的輪廓尺寸,以保證產生的效果與計算的一致性。
     板材優化輪廓曲線的.igs文件。板材優化輪廓曲線不僅可以用來優化板料的下料,還可用來作為壓料面的外輪廓尺寸的參考。
    (2)設計方法
     建立拉延模的裝配結構。在UG的裝配環境中,新建裝配文件,用添加新組件的方法創建空的零件文件。
     導入以上三個.igs文件,得到模面曲面及壓延筋曲線和模面外輪廓曲線。
     采用投影、拉深、分割、剪切等建模方法對相應零件進行建模。建模時要充分結合相關的設計標準和工廠實際工況與技術水平。
     對完成的拉延模進行運動學模擬檢查。
     繪制拉延模的裝配和零件的工程圖。
    圖7是前圍側板拉延模設計的實例。

圖7 前圍側板拉延模設計
    成型CAE在模具設計中的應用,實際上是對模具設計方案進行評估優化的過程。合理應用CAE技術在板料設計中的應用,可以避免和減少傳統模具設計方法產生的浪費、失誤甚至報廢,有效地提高模具開發的效率,降低開發成本。

 

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