基于CAE技术的汽车覆盖件模具设计
摘 要 主要从数值模拟软件AUTOFORM的功能和特点、覆盖件拉延模具设计、成形模拟结果分析这三个方面进行阐述,以供参考。
关键词 CAE技术;汽车覆盖件;拉延模型面;模具设计
中图分类号 TG 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2010)091-0118-02
汽车覆盖件和一般冲压件相比,具有结构尺寸大、材料薄、精度高、形状复杂、表面质量高、配合协调性要求高且多为空间曲面等特点,大多采用薄板冲压成形。从理论上讲,汽车覆盖件成形过程涉及了几何非线性、材料非线性、边界非线性和复杂的接触摩擦问题等。而CAE技术主要是指对覆盖件进行仿真模拟,利用计算机来完成模具的冲压使用过程,并对覆盖件的成形性进行分析,通过分析可以解决覆盖件在生产过程中出现的回弹、起皱、拉裂等一系列难点,并能提供准确的展开料及各种工艺参数,如拉延力、压边力等。随着有限元技术和计算机技术的高速发展,基于数值模拟的技术(CAE)的应用大大提高了覆盖件模具设计制造的可靠性的成功率,使冲压模具设计和加工定量化,加快了冲压工艺方案的确定,提高了冲压成形质量,使模具开发成本和周期显著减少。
1 数值模拟软件AUTOFORM的功能和特点
采用的模具CAE技术为板料成形分析软件AutoForm。AutoForm软件是由德国AutoForm工程股份有限公司专门针对汽车工业和金成形工业中的板料成形而开发的,用于优化工艺方案和进行复杂型面的模具设计,其提供了从产品的概念设计直至最后的模具设计的一个完整的解决方案。AutoForm的主要模块有User- Interface(用户界面)、Automesher(自动网格划分)、Onestep(一步成形)、DieDesigner(模面设计)、Incremental(增量求解)、Trim(切边)、Hydro(液压成形),支持Windows和Unix操作系统。其特别适合于复杂的深拉延和拉深成形模的设计,冲压工艺和模面设计的验证,成形参数的优化,材料与润滑剂消耗的最小化,新板料(如拼焊板、复合板)的评估和优化。
AutoForm对模拟结果融合了许多有效的解释:可以实时地观测计算结果;可观测应力、应变和厚度分布、材料流动状况;可计算工具应力、冲压力;可实现材料标记、法向位移的标识;可生成对破裂、起皱和回弹失效进行判定的成形质量图以及成形极限图;几何体和结果的界面显示、FLC失效分析、状态改动后的后期显示、回弹评估用的实际模型定位。
AutoForm能更快完成求解、友好的用户界面和易于上手、对复杂的工程应用也有可靠的结果,其可直接由设计师来完成模拟,不需要大的硬件投资及资深模拟分析专家,其高质量的结果亦能很快用来评估,在缩短产品和模具的开发验证时间、降低产品开发和模具成本、提高产品质量上效果显著,对冲压成形的评估提供了量的概念,给企业带来明显的竞争优势和市场机遇。
2 覆盖件拉延模具设计(如图1)
2.1 设计流程
2.2 拉延成形模面设计
拉延模型面设计,是一个在覆盖件产品三维模型基础上进行边界条件设计和数值仿真计算的过程,其是根据冲压工艺和模具设计知识,完成优选冲压方向、压料面形状的确定、工艺补充面的设计及拉延筋设计等,依其掌握的经验和知识,以获得最佳的材料流动,达到拉延出合格的拉延件的目的。
1)冲压方向的确定。冲压方向的确定是拉延工序设计中的重要参数,其在保证没有冲压负角的情形下,遵循平均法向原则、最小拉延深度原则、无冲压负角原则等来确定冲压方向。它表示拉深件在模具中的空间位置,它不但决定能否拉延出合格的覆盖件,而且直接影响到成形零件的质量和模具结构的复杂性。该零件在拉延模中确定的冲压方向,如图2所示:
图1 覆盖件成形模拟及模具设计流程
图2 冲压方向
2)压料面的设计。压料面的设计应遵循平顺光滑原则,在具体设计策略上重点考虑拉延深度、压料面曲线轮廓的方向、压料面的最大坡度、压料面的柔性、控制点的定义和编辑及高级选项(包括压料面空间曲面的曲率次数、法兰宽度等)等参数。要设计压料面时,应保持原零件部分压料与工艺补充部分压料面的光顺,使材料在拉延过程中便于向凹模内流动,并防止毛坯在压料过程中就产生起皱现象。
3)工艺补充面设计。为了实现拉延,对零件以外增加而又在后续工序中切掉的部分,主要起工艺补充的作用,工艺补充是零件能够成型的必不可少手段,它不仅决定了零件能否成形,要求拉延成型时材料变形充分,又不能拉裂导致零件的报废或因起皱而导致零件不光滑、不平整,这就要靠工艺补充来进行控制。
工艺补充面的设计,首先应考虑到后续工序(如修边、翻边)的衔接和模具结构上实施的可行性与简便性,然后就是考虑材料的局部流动情况及其对拉延成形的影响。工艺补充面设计的部分参数有:凸模圆角半径、凹模圆角半径、凸模宽度、凸筋宽度、凸筋角度、反向凸筋宽度、反向凸筋高度、反向凸筋半径等。
4)拉延筋的设置。拉延筋在调节局部进料阻力上有着非常直接的作用,其一般是根据零件的成形形状和变形条件来决定。在拉延模设计中,如拉延成形难度大,可采用在压料面中设置拉延筋,以调节各部位的进料阻力,减少凹陷波纹等缺陷产生。则拉延筋的设置原则见表1。
表 1
要求设置原则
补偿变形阻力不足,提高材料变形程度设置1-3条整圈或间断的拉延筋
增加径向拉应力减少切向压应力防止坯料起皱在容易起皱轮廓部位设置局部的短筋
改变、平衡不均匀的塑流阻力,调整进入凹模的材料流量拉延深度大的直线部设置1-3条拉延筋;拉延深度大的圆弧部位上设拉延筋;拉延深度相差较大时,深的部位不设筋,浅的部位设筋。
3 成形模拟结果分析
覆盖件要经过拉延、切边、翻边、整形、冲孔等工序,对几何精度、表面光洁度要求较高,因此在全套模具设计中拉延工序最为重要,也是难度最大的。工艺设计不当常常会产生拉裂、起皱等缺陷,给模具调试造成较大的难度。采用AUTOFORM仿真软件模拟板料成形的全过程,及时预测可能出现的拉裂、起皱缺陷,为完善模具设计方案或修模提供依据。如图3 所示,建立的成形模拟的几何模型。根据所构建的模型,并结合实际工艺参数进行了成形模拟仿真。
图3
1)凹模与压料圈闭合时毛坯光顺,没有皱纹,说明压料面的形状、冲压方向没有问题,可以继续使用原压边圈、毛坯形状大小等参数,此阶段成形冲压件凸缘处。
2)在拉延过程中,可通过观察板料每瞬间的状态,来判断板料的流动趋势,这对冲压工艺参数(毛坯的大小,拉深筋的形状、位置等)的确定可起到十分重要的作用。
3)拉深件的厚度变化云。零件材料厚度有变化,修边线以内的区域变薄率(即板料厚度变化值与料厚的比值)小于21%,说明该处的拉延件非常安全,不会破裂;而该覆盖件最大的变薄率为20.4%(在凸缘凸角处)。在制作拉延模时,为了避免或减少拉延件的拉裂(此区域厚度变薄),可通过修改拉延件的数学模型,稍微放大该处的圆角半径即可。
4)覆盖件成形极限图(FLD),如图4所示。FLD综合反映了板料在复杂应力状态下产生塑性失稳断裂破坏的情况。根据有限元模拟结果显示的FLD图,可以迅速找出破坏的区域,采取相应措施改变局部受力状态,提高其成形性能。
图 4
从图4可看出,绝大部分的点都在曲线的下方,且有一定的距离,说明没有破裂的情况发生,处于安全变形区,但仍有少量点在曲线上方附近(靠近曲线),说明此处存在破裂可能,分析后此处为凸缘凸角处,主要原因为角部应变较大,说明在现有工艺条件下圆角半径不合理,可通过修改模具结构来解决。
4 结束语
综上所述,汽车覆盖件拉延成形是一个复杂的塑性成形过程,本文研究了通过以CAE技术为前导,模拟了覆盖件拉延成形的全过程,及时预测了可能出现的拉裂和起皱等缺陷,为完善模面设计方案或修模提供了依据,并通过仿真计算分析进行了验证,提高了冲压工艺和模具设计质量。实践证明,将CAE技术应用于汽车覆盖件模具设计,可显著缩短模具的设计制造及调试周期,大大降低了模具生产成本。
参考文z献
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