汽車覆蓋件低熔點(diǎn)試制模具的開發(fā)與仿真

2016-11-11 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

當(dāng)今,各大汽車設(shè)計(jì)單位普遍采用的是快速制模的方法來制造車身覆蓋件樣件,主要采用的方法有:低熔點(diǎn)合金模具、聚胺脂模具、金屬噴涂制模、基于離散型面的無模沖壓等。其中,低熔點(diǎn)合金模是利用聚氨酯材料母模,用低熔點(diǎn)合金直接澆注出凹模和壓邊圈的模具。其主要流程如圖1所示。

圖1 模具開發(fā)流程

基于Autoform的試制模具設(shè)計(jì)cae仿真技術(shù)

世界上大的汽車集團(tuán)的車身開發(fā)與模具制造都要借助于一種或幾種板成形模擬軟件來提高其成功率和確保模具制造周期。國際上通行的軟件主要有美國eta公司的Dynaform、法國ESI集團(tuán)的PAM系列軟件、德國AutoForm工程股份有限公司的AutoForm,國內(nèi)有吉林金網(wǎng)格模具工程研究中心的KMAS軟件、北航的SheetForm、華中科技大學(xué)的Vform等。其中AutoForm的特點(diǎn)是:

1)提供從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)直至最后的模具設(shè)計(jì)的一個(gè)完整的解決方案,其主要模塊有User-Interface(用戶界面)、Automesher(自動(dòng)網(wǎng)格劃分)、Onestep(一步成形)、DieDesigner(模面設(shè)計(jì))、Incremental(增量求解)、Trim(切邊)、Hydro(液壓成形),支持Windows和Unix操作系統(tǒng)。

2)適合于復(fù)雜的深拉延和拉伸成形模的設(shè)計(jì),沖壓工藝和模面設(shè)計(jì)的驗(yàn)證,成形參數(shù)的優(yōu)化,材料與潤滑劑消耗的最小化,新板料(如拼焊板、復(fù)合板)的評(píng)估和優(yōu)化。

3)在算法上快速、有效、可靠。最新的隱式增量有限元迭代求解技術(shù)不需人工加速模擬過程,與顯式算法相比能在更短的時(shí)間里得出結(jié)果;其增量算法比反向算法有更加精確的結(jié)果,且使在FLC失效分析里非常重要的非線性應(yīng)變路徑變得可行。即使是大型復(fù)雜制件,經(jīng)工業(yè)實(shí)踐證實(shí)是可行和可靠的。

4)求解速度快、界面友好、易于上手、對(duì)復(fù)雜的工程應(yīng)用也有可靠的結(jié)果。AutoForm能直接由設(shè)計(jì)師來完成模擬,不需要大的硬件投資及資深模擬分析專家,其高質(zhì)量的結(jié)果亦能很快用來評(píng)估,在縮短產(chǎn)品和模具的開發(fā)驗(yàn)證時(shí)間、降低產(chǎn)品開發(fā)和模具成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量上效果顯著,對(duì)沖壓成形的評(píng)估提供了量的概念,給企業(yè)帶來明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和巿場(chǎng)機(jī)遇。

基于Autoform的試制模具cae仿真

模具形面設(shè)計(jì)

模具的工藝補(bǔ)充面可以根據(jù)圖2步驟予以實(shí)現(xiàn)。

圖2 基于Autoform 模具設(shè)計(jì)流程

Onestep驗(yàn)證:在檢查零件有無沖壓負(fù)角后,檢查零件拔模角,一般不小于5~7°。在Onestep功能中,先對(duì)孔洞和間隙進(jìn)行填充,棱邊進(jìn)行倒圓處理,再根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù),或產(chǎn)品+壓料面,或產(chǎn)品+壓料面+工藝補(bǔ)充面等進(jìn)行計(jì)算,求得最小毛坯、皺紋及裂紋等缺陷、FLD、材料伸長量和厚度減薄率等參數(shù),并以此來判斷是否需要進(jìn)一步做模具設(shè)計(jì)。以Autoform4.0為例,最為重要的是設(shè)定processor/restrain的值,它的大小表徵了材料在成形過程中所受變形抗力的大小。一般而言,通過restrain值可以間接知道覆蓋件模具的壓料筋強(qiáng)弱。如果安全區(qū)域能覆蓋零件表面的2/3,則在今后的模具設(shè)計(jì)過程中可以通過調(diào)整工藝補(bǔ)充面和拉沿筋尺寸來實(shí)現(xiàn)零件的op20工序目的。

模擬中起皺和破裂判斷的依據(jù)是:在薄板沖壓成形中,壓縮失穩(wěn)為導(dǎo)致起皺的主要表現(xiàn)形式,以單元增厚率判斷起皺;拉伸失穩(wěn)局部頸縮為導(dǎo)致破裂的主要表現(xiàn)形式,以成形極限圖(FLD)判斷破裂。

確定沖壓方向:模具以無沖壓負(fù)角為第一優(yōu)先原則,根據(jù)平均法向原則、最小拉伸原則、最小沖壓質(zhì)量差原則來確定沖壓方向。沖壓方向的選擇還與材料的平衡變形有關(guān)。Autoform除了可以自動(dòng)將數(shù)據(jù)按照沖壓方向定義要求轉(zhuǎn)動(dòng)外,還可以自動(dòng)表明型面沖壓危險(xiǎn)區(qū)域。

確定壓料面:壓料面(binder)的確定以平滑光順為原則,考慮到拉延深度、壓料面輪廓線光順、面輪廓規(guī)整等原則,Autoform將自動(dòng)生成壓料面。壓料面的形成是輪廓樣條曲線來控制的,因此確定壓料面與工件擬合程度的輪廓樣條曲線的調(diào)整是關(guān)鍵所在。在試制模具中,為了便于提高加工速度,壓料面最好是做成平面或單曲率曲面。對(duì)于Autoform,除了可以通過定義參數(shù)自動(dòng)生成壓料面外,還可以手動(dòng)生成控制曲線,形成壓料面。

確定工藝補(bǔ)充面:在壓料面形成后,考慮板料的成型以及后續(xù)工作的工藝性,從原始數(shù)據(jù)型面做工藝補(bǔ)充面至壓料面。在Autoform中工藝補(bǔ)充面由相關(guān)的幾對(duì)參數(shù)決定,改變一個(gè)參數(shù)有可能會(huì)影響到其它參數(shù),因此在Autoform中補(bǔ)出理想的工藝補(bǔ)充面是一件非常繁瑣的工作。

Autoform在壓料面和工藝補(bǔ)充面生成上的優(yōu)勢(shì)在于:幾何感強(qiáng),便于直觀評(píng)價(jià);全參數(shù)化,便于修改;與Onestep和Incremental求解完全集成;通過2D模擬完成工藝補(bǔ)充輪廓的優(yōu)化處理,自動(dòng)和交互式地完成工藝補(bǔ)充面。

確定拉沿筋:布置拉延筋不僅需要考慮調(diào)整板材在成形過程中局部的流動(dòng)速度,還需要考慮后續(xù)修邊和拉延時(shí)可能產(chǎn)生的問題。在模具工藝設(shè)計(jì)時(shí),Autoform提供的是等效拉延筋的概念,但是在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,拉延筋的具體幾何尺寸如:凹筋轉(zhuǎn)角半徑、凸筋高度、凸筋轉(zhuǎn)角半徑、凸凹筋之間間隙等由Autoform專門模塊提供。

基于Autoform的計(jì)算、效核

模具設(shè)計(jì)完后要進(jìn)行沖壓模擬。Autoform使用的是Incremental 模塊,根據(jù)增量法原則,對(duì)模具工藝方案進(jìn)行反覆優(yōu)化模擬或進(jìn)行選擇性模擬,全面討論模具工藝性設(shè)計(jì)。

它使用許多現(xiàn)代模擬cae仿真技術(shù),如應(yīng)用新的隱式有限元算法保證求解的迭代收斂;彎曲效應(yīng)的考慮利于求解回彈;采用自適應(yīng)網(wǎng)格、時(shí)階控制、復(fù)雜工具描述的強(qiáng)有力接觸算法、數(shù)值控制參數(shù)的自動(dòng)決定和使用精確的全量拉格朗日理論等保證求解快而且準(zhǔn)確;新的切割算法來增加精度。

它還融入了許多工程應(yīng)用技術(shù),如,等效拉延筋阻力模型可以考慮板料經(jīng)過拉延筋時(shí)的彎曲、反彎曲效應(yīng),拉延筋的幾何模型針對(duì)不同的材料會(huì)產(chǎn)生不同的摩擦系數(shù)。該軟件的材料參數(shù)庫開放性強(qiáng),除了包括美國、日本及歐洲的上百種廣泛使用的材料數(shù)據(jù)庫之外,可以自行建立適應(yīng)用戶需要的參數(shù)庫。

Autoform的Incremental在模擬過程中有很多優(yōu)勢(shì),如:速度快,對(duì)于一副前蓋的模具模擬時(shí)間只要2~3小時(shí);準(zhǔn)確,根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),模擬的相似度可達(dá)70%左右;可以詳細(xì)的表徵有關(guān)的模擬量,如,破裂、變薄、伸長、起皺,成形極限圖FLD、材料流入量、滑移和沖擊線、成形力等;可以完整的模擬沖壓全過程,如,重力下滑、壓邊、拉延、切邊、整形等。

圖3是一副模具模擬后的沖壓件狀態(tài)圖。圖中可見變形充分區(qū)域(綠色),變形不充分區(qū)域(灰色),材料撕裂區(qū)域(紅色),材料起皺區(qū)域(紫色)。根據(jù)這些情況,我們可以對(duì)模具工藝面或料片大小、開孔數(shù)量和位置、壓料筋強(qiáng)弱位置進(jìn)行修改。

圖3 模擬變形狀態(tài)圖汽車覆蓋件試制模具的設(shè)計(jì)

由于Autoform的精度不高,它所生成的工藝補(bǔ)充面大多還需要用CAD軟件根據(jù)它的特徵進(jìn)行重新構(gòu)造。試制模具的設(shè)計(jì)在拉延階段只設(shè)計(jì)凸模,同時(shí)為了提高制造速度,試制模具一般只設(shè)計(jì)模芯,沒有模架,模具中一般不含斜切機(jī)構(gòu)。

試制模具設(shè)計(jì)的同時(shí)也是數(shù)據(jù)整理的過程。采用統(tǒng)一規(guī)范的CAD數(shù)據(jù),包括從設(shè)計(jì)到模具加工完畢幾乎所有的信息,這對(duì)以后模具制造各個(gè)環(huán)節(jié)上的人都有參考作用。

試制模具的凹模、壓邊圈的制造cae仿真技術(shù)

低熔點(diǎn)合金模指的是利用母模,用低熔點(diǎn)合金直接澆注出來的模具。通常采用的是一種錫鉍合金(錫52%,鉍48%)作為制模材料,它的熔點(diǎn)為137℃。低熔點(diǎn)材料是一種非常好的快速模具材料,它具有:熔點(diǎn)低,熔化速度快,有利于提高制模效率;在熔化狀態(tài)下流動(dòng)性好,成模清晰;具有一定的冷脹性,便于固定模具鑲塊及其它部件。但是由于低熔點(diǎn)合金材料強(qiáng)度低(抗拉強(qiáng)度只有60MPa左右),所以對(duì)于板厚超過1.5mm的板材就不十分合適了。

將制作完成的凸模放在澆注平臺(tái)上,用MCP蠟片作為料厚貼在凸模上。在整個(gè)澆注過程中,蠟片貼的質(zhì)量是澆注成功與否關(guān)鍵所在,因其在高溫金屬溶液的沖擊下可能會(huì)發(fā)生剝離、起泡、局部熔化的現(xiàn)象,所以一定要注意蠟片的布置和結(jié)合處的粘結(jié)效果。對(duì)于料厚超過1.2mm的蠟片,需按照模具形面結(jié)構(gòu)進(jìn)行蠟片的分割處理,以使得蠟片附著有力,蠟片與模具之間沒有氣孔。在蠟片貼完后按如圖4形式進(jìn)行搭建凹模澆注框。

1─淺注框,2─錫鉍合金凹模,3─蠟片,4─凸模,5─壓邊圈(耐高溫泡沫),6─支撐

圖4 凹模淺注框

對(duì)于錫鉍合金來說,澆注溫度越高,越易成形,但是由于蠟片熔點(diǎn)只有150℃,所以澆注溫度不能太高,一般在143℃左右。為了提高型面的澆注質(zhì)量,使得錫鉍合金在澆注后盡快冷卻,還應(yīng)布置冷卻水道。

最后,再根據(jù)制作成功的凸模和凹模翻制壓邊圈。

試制模具的調(diào)試

試制模具能否按期交貨很大程度上取決于試模的順利與否。

同一般模具調(diào)試一樣,試制模具在調(diào)試時(shí)也采用涂色法對(duì)凹模與壓邊圈貼合面進(jìn)行研配,使得接觸面積大于75%,以便真實(shí)反映材料成形時(shí)的流動(dòng)過程。其次,對(duì)凹模和凸模之間進(jìn)行涂色研配,以消除加工和安裝誤差。最后,逐步調(diào)整模具成形力和壓邊力,以消除零件開裂或起皺現(xiàn)象。由于材料成形是一個(gè)復(fù)雜過程,調(diào)整壓邊力、增大凹模圓角、調(diào)整潤滑條件雖然能起到很好的作用,但是有時(shí)由于零件本身結(jié)構(gòu)、尺寸的限制,這些方法起到的作用有時(shí)不是很明顯。實(shí)踐證明調(diào)整坯料尺寸或形狀有時(shí)也是一種很好的試模方法。

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