冷沖件拉延成形模擬分析

2013-06-23  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線(xiàn)

作者:奇瑞汽車(chē)股份有限公司規劃設計院 汪權

采用AutoForm分析軟件可以指導模具設計者修改模具設計,找出產(chǎn)品可能出現的質(zhì)量問(wèn)題,提高一次試模成功率,對企業(yè)縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低成本,提高市場(chǎng)競爭力有重要的意義。

常見(jiàn)缺陷及解決辦法

1.拉延開(kāi)裂

開(kāi)裂是拉延工序中最為常見(jiàn)的缺陷之一,其表現為出現破裂或裂紋,產(chǎn)品部分如果出現破裂或者裂紋將被視為不合格產(chǎn)品,所以必須予以解決。產(chǎn)生開(kāi)裂的原因大致有:

(1)產(chǎn)品工藝性不好,如R角過(guò)小、型面變化劇烈、產(chǎn)品深度較深以及材質(zhì)成形性能差等。
(2)工藝補充、壓邊圈的設計不合理。
(3)拉延筋設計不合理,不能很好的控制材料流動(dòng)。
(4)壓邊力過(guò)大。
(5)模具型面表面粗糙度達不到要求,摩擦阻力大。
(6)模具加工精度差,凸凹模間隙小,板料流動(dòng)性差。

目前,主要通過(guò)改善產(chǎn)品工藝性、設計合理的坯料形狀、增加刺破刀、加大R角、合理設計工藝補充及壓料面、調整拉延筋阻力及壓邊力和模面鏡面處理等方式來(lái)解決拉延開(kāi)裂問(wèn)題。

2.起皺

起皺是拉延工序中另一個(gè)常見(jiàn)的缺陷,也是很難解決的板件缺陷。板件發(fā)生起皺時(shí),會(huì )影響到模具的壽命以及板件的焊接,板件發(fā)生疊料時(shí)還會(huì )使模具不能壓合到底,從而成形不出設計的產(chǎn)品形狀,同時(shí),由于疊料部位不能進(jìn)行防銹處理,容易導致板件生銹而影響到板件的使用壽命,給整車(chē)安全造成隱患。

目前主要從產(chǎn)品設計及工藝設計上來(lái)解決起皺問(wèn)題,歸納起來(lái)有以下幾點(diǎn):

(1)產(chǎn)品設計時(shí)盡量避免型面高低落差大、型面截面大小變化劇烈,在不影響板件裝配的情況下,在有可能起皺的部位加吸皺包。
(2)工藝上可以考慮增加整形工序。
(3)分模線(xiàn)調整。隨著(zhù)分模線(xiàn)的調整,往往會(huì )伴隨著(zhù)開(kāi)裂缺陷的產(chǎn)生,目前主要通過(guò)使用CAE軟件來(lái)分析確定合理的分模線(xiàn)位置。
(4)在工藝補充面上增加吸料筋、工藝臺階等,將多余的料消化掉。
(5)合理設計拉延筋,以確保各個(gè)方向進(jìn)料均勻為目標。
(6)當開(kāi)裂與起皺同時(shí)存在,且起皺不被允許時(shí),一般先解決起皺再解決開(kāi)裂。

AutoForm模擬分析算法

AutoForm模擬分析算法主要有兩種:隱式算法和一步成形法。

1.隱式算法

靜態(tài)隱式算法是解決金屬成形問(wèn)題的一種方法。在靜態(tài)隱式算法中,在每一增量步內都需要對靜態(tài)平衡方程迭代求解。理論上在這個(gè)算法中的增量步可以很大,但是實(shí)際運算中要受到接觸以及摩擦等條件的限制。隨著(zhù)單元數目的增加,計算時(shí)間幾乎呈幾何級數增加。由于需要矩陣求逆以及精確積分,對內存要求很高。隱式算法的不利方面還有收斂問(wèn)題不容易得到解決以及當開(kāi)始起皺失穩時(shí),在分叉點(diǎn)處剛度矩陣出現奇異等。其中靜態(tài)隱式算法多配合動(dòng)態(tài)顯式算法用于求解成形后的回彈分析。

2.一步成形法

一步法有限元方程利用虛功原理導出,其基本思想是采用反向模擬。將模擬計算按照與實(shí)際成形相反的順序,從所期望的成形后的工件形狀通過(guò)計算得出與此相對應的毛坯形狀和有關(guān)工藝參數。板材成形過(guò)程的變形決定其有利于進(jìn)行方向模擬。在沖壓成形過(guò)程中,成形后的工件為一空間曲面,而板料毛坯為一平板。以板平面為X-Y坐標平面,整個(gè)成形過(guò)程中各質(zhì)點(diǎn)的Z向位移是確定的。采用有限元計算求解時(shí),節點(diǎn)未知量?jì)H為X和Y方向的位移。板料成形的方向模擬多采用近似方法,假設變形過(guò)程為簡(jiǎn)單加載過(guò)程,用塑性變形的理論進(jìn)行模擬分析。在分析的過(guò)程中以利用工件形狀進(jìn)行計算,用簡(jiǎn)化的方法避免了非常麻煩的接觸處理。一步法方向模擬要求輸入的數據少,因此可以在概念及初期設計階段就投入使用,可以預測毛坯形狀,整個(gè)計算可以很快地求解出結果,因此可以反復調整參數進(jìn)行計算模擬,對毛坯形狀、壓邊力和拉延筋等進(jìn)行優(yōu)化。

3.AutoForm分析流程

分析一個(gè)CAD模型的一般步驟是:導入CAD模型(軟件自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分)、網(wǎng)格檢查及空洞填充、確定基準模具、料厚及沖壓方式、工具設定、坯料尺寸確定及網(wǎng)格自動(dòng)劃分、材料選擇、拉延筋布置、工藝參數設置和分析計算等。

轎車(chē)翼子板模擬流程分析

1.導入CAD模型

由于A(yíng)utoForm曲面處理功能的局限性,對一些曲面問(wèn)題很難解決,所以有必要在三維CAD軟件NX里對工藝數模進(jìn)行檢查,避免出現面交叉、面重疊等曲面問(wèn)題,同時(shí)須提取B曲面,保證工藝數模在導入AutoForm時(shí)不出現面丟失、面交叉等缺陷(見(jiàn)圖1)。

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圖1 導入CAD模型

2.網(wǎng)格檢查及空洞填充

工藝數模導入之后,AutoForm會(huì )自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,可以通過(guò)顯示網(wǎng)格邊界的方式檢查網(wǎng)格質(zhì)量,對于平坦的空洞可以通過(guò)自動(dòng)填充來(lái)解決,如果對填充的效果不滿(mǎn)意,可以通過(guò)改變參數max size值來(lái)解決問(wèn)題,對于邊界復雜的空洞,AutoForm填充不能得到理想結果時(shí),需要在NX軟件中對數??斩催M(jìn)行填充。

3.確定分析類(lèi)型、模具基準、料厚及沖壓方式

(1)AutoForm提供了增量法與一步法兩種求解方式,對于成形性分析選用incremental增量法能得到更加精確的結果。

(2)根據客戶(hù)要求,該件生產(chǎn)時(shí)所在沖壓線(xiàn)首臺設備為雙動(dòng)機床,所以本文選擇雙動(dòng)拉延方式。

(3)根據客戶(hù)要求,設定料厚為0.8mm。

(4)根據產(chǎn)品數模給定的料厚基準,選擇凹模為幾何偏置基準。

4.工具設定

對于拉延分析而言,需設定凹模、凸模和壓邊圈三個(gè)工具,其中凹模處于坯料的下面,凸模、壓邊圈處于坯料的上部,各工具的工作方向均為工具指向坯料的方向,軟件默認Z軸的負方向為沖壓方向,工具的工作方向與沖壓方向相同時(shí)為正值,相反時(shí)為負值,如凹模工作方向為凹模指向坯料的方向,即為Z軸負方向,因此凹模工作方向為正值。凸模與壓邊圈由凹模網(wǎng)格偏置得到,工作方向為負值。

5.坯料尺寸、材質(zhì)確定及網(wǎng)格自動(dòng)劃分

AutoForm提供了5種不同的方式來(lái)設定坯料的大小:通過(guò)畫(huà)線(xiàn)的方式來(lái)得到坯料線(xiàn)輪廓;輸入IGS格式的坯料文件;通過(guò)中心坐標、長(cháng)和寬的方式輸入坯料尺寸;通過(guò)復制現有模型中的線(xiàn)來(lái)作為坯料線(xiàn);通過(guò)對模型中的線(xiàn)進(jìn)行拓展而得到的線(xiàn)作為坯料線(xiàn)(見(jiàn)圖2)。

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圖2 坯料尺寸確定

本次分析所采用的坯料線(xiàn)是由NX軟件設計的,通過(guò)IGS的方式導入到模型中,材料為特深沖用熱鍍鋅鋼板DC54D+Z,該材料耐腐蝕能力強、有良好的力學(xué)性能、加工性和焊接性,屈服強度為140~220MPa,抗拉強度為270~350MPa,n值不小于0.18,r值不小于1.6,斷后延長(cháng)率不小于36%。

AutoForm提供了較為完善的材料庫,包括中國、日本、歐洲以及美國等常用鋼板材料,用戶(hù)可以新建或者修改現有材料庫參數,并且可以通過(guò)設置roll angle參數來(lái)設置板料的軋制方向。

6.拉延筋布置

在沖壓成形中,為了限制板料的流動(dòng),需要設置各種形狀的拉延筋。AutoForm中不需要建立實(shí)際的拉延筋有限元模型,而是采用一些曲線(xiàn)來(lái)模擬拉延筋行為,當板料流過(guò)時(shí),施加拉延筋阻力(見(jiàn)圖3)。

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圖3 等效拉延筋

采用這種等效拉延筋后,在分析時(shí)可以很方便的調整拉延筋阻力,節省分析時(shí)間,分析成功之后再根據相應的拉延筋阻力系數來(lái)設計真實(shí)拉延筋幾何形狀。

7.工藝參數設置

這一步主要是對摩擦系數、壓邊力以及沖壓速度等工藝參數進(jìn)行設置,因為拉延分析為典型的工藝分析,AutoForm有專(zhuān)門(mén)針對拉延分析的模版,所以只需要修改一些工藝參數即可,在輸出結果的界面選擇默認輸出結果即可,由于采用虛擬拉延筋分析,默認的板料網(wǎng)格大小以及時(shí)間步長(cháng)大小都可以滿(mǎn)足正常分析的需要。

8.分析計算

以上步驟完成以后,可以用動(dòng)畫(huà)的形式檢查一下工具的運動(dòng)情況,如果沒(méi)有問(wèn)題就可以提交計算,計算的結果文件都保存在*.sim文件中,在計算的過(guò)程中隨時(shí)可以查看計算結果。

9.CAE結果判斷

計算完成之后,就可以用后處理打開(kāi)結果文件,對計算結果進(jìn)行分析、判定。

(1)料厚減薄評價(jià)。判斷準則:單向拉伸區域,減薄超過(guò)極限料厚一律視為破裂;單向拉伸區域和雙向拉伸區域,減薄超過(guò)30%一律視為破裂;雙向拉伸區域,減薄在極限料厚和30%之間,查看FLD指示。

對于外覆蓋件,需同時(shí)評價(jià)最大變薄及最小變薄,將料厚減薄云圖的刻度設置為-0.3~0.02,用不同顏色來(lái)顯示,最大減薄為-0.283,產(chǎn)品部分的最小變薄率大于0.02。本文所例產(chǎn)品料厚減薄情況如圖4所示。

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圖4 料厚減薄

(2)成形極限圖。成形極限圖刻度如圖5所示,可以看出雙向拉伸區域有黃色,說(shuō)明有開(kāi)裂的趨勢,但離極限曲線(xiàn)還有一定安全量。

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圖5 成形極限

(3)主應變和副應變評價(jià)。通過(guò)主應變和副應變來(lái)評價(jià)拉延質(zhì)量,在產(chǎn)品內基本都屬于雙向拉伸狀態(tài),拉延質(zhì)量良好,副應變和主應變變化情況如圖6、7所示。

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圖6 副應變變化

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圖7 主應變變化

(4)滑移線(xiàn)評價(jià)。外板件要求在可見(jiàn)區域內無(wú)滑移線(xiàn),本分析顯示滑移量很小,能滿(mǎn)足要求(見(jiàn)圖8)。

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圖8 滑移線(xiàn)顯示

10.實(shí)際板件拉延情況

隨著(zhù)CAE技術(shù)以及計算機技術(shù)的發(fā)展,CAE的計算精度也越來(lái)越能反映出真實(shí)情況,本文利用AutoForm對汽車(chē)翼子板進(jìn)行拉延分析,分析結果顯示拉延有開(kāi)裂的趨勢,無(wú)起皺、滑移線(xiàn)等缺陷,實(shí)際情況為拉延一次成功,無(wú)缺陷,CAE與實(shí)際情況符合較好。


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