基于AutoForm的回彈補(bǔ)償設(shè)置流程案例

2017-01-05 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

引言

展望21世紀(jì),隨著汽車(chē)、航空航天工業(yè)的迅速興起,大型制造企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈,對(duì)沖壓件的快速設(shè)計(jì)和制造也提出了更高的要求。僅僅依靠工程設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)制造沖壓產(chǎn)品的方式顯然已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)需求了。如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、短周期的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)是贏得這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。沖壓成形數(shù)值模擬技術(shù)是解決這一問(wèn)題的主要手段,它將定性的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為定量的模擬,基于沖壓成形理論,把廣泛應(yīng)用的訣竅和經(jīng)驗(yàn)融入到CAE數(shù)字化仿真中,方便地求解工藝及模具設(shè)計(jì)涉及的復(fù)雜板料成形問(wèn)題,準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)沖壓成形結(jié)果,很多制造企業(yè)已經(jīng)將同步工程作為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)制造的重要環(huán)節(jié)。

目前世界各大汽車(chē)公司對(duì)板料沖壓成形模擬的投入都相當(dāng)重視,歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在主要汽車(chē)覆蓋件開(kāi)發(fā)過(guò)程中全部都要經(jīng)過(guò)仿真分析。在國(guó)內(nèi),北京航空航天大學(xué)、一汽集團(tuán)、上海大眾、上海寶鋼和上海交大汽車(chē)工程研究所等單位,開(kāi)展了汽車(chē)覆蓋件沖壓成形動(dòng)態(tài)仿真的工業(yè)應(yīng)用探索,先后完成了紅旗轎車(chē)、Santana系列轎車(chē)等若干覆蓋件的沖壓仿真分析與試驗(yàn)分析,開(kāi)展了汽車(chē)板成形性能等方面的研究。二汽、長(zhǎng)安汽車(chē)公司都采用了計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)、優(yōu)化沖壓工藝、零件沖壓成形性能等方面的研究工作。

常用板料成形模擬軟件有:AutoForm、DynaForm、Dyna-3D、Marc、Pam-Stamp、Amsys、Abauqs、Robust、Mar等。其中AutoForm軟件以計(jì)算速度快,容易操作等優(yōu)點(diǎn)在汽車(chē)行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)大型汽車(chē)企業(yè)也相續(xù)引進(jìn)AutoForm軟件來(lái)優(yōu)化工藝方案和進(jìn)行復(fù)雜的模面設(shè)計(jì)。然而,有一個(gè)合適的軟件是一回事,正確使用這個(gè)工具是另一回事,用戶必須熟悉軟件的功能原理才能有效地駕馭它。以AutoForm軟件為平臺(tái)的論著不勝枚舉,但目前為止,尚沒(méi)有一部完整地從基礎(chǔ)到高級(jí)應(yīng)用的書(shū)籍。絕大部分書(shū)籍都是側(cè)重于軟件的基礎(chǔ)介紹或某些功能模塊的論述操作,并未注重與沖壓工藝本身的結(jié)合,僅能作為軟件操作說(shuō)明書(shū)使用。對(duì)汽車(chē)企業(yè)專(zhuān)業(yè)模具設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),這類(lèi)著作不免有些欠缺專(zhuān)業(yè)理論的指導(dǎo)和可借鑒的優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)。

因此,對(duì)專(zhuān)門(mén)從事沖壓相關(guān)的工程人員來(lái)說(shuō)急需一類(lèi)專(zhuān)業(yè)的CAE分析指導(dǎo)書(shū)籍,《AutoForm原理技巧與戰(zhàn)例實(shí)用手冊(cè)》由一組長(zhǎng)期從事汽車(chē)車(chē)身覆蓋件的CAE分析的專(zhuān)業(yè)人員編寫(xiě)。由淺入深的介紹了AutoForm軟件的基本操作及沖壓成形模擬最新的方法原理;更重要的是,該書(shū)作者長(zhǎng)期工作在汽車(chē)覆蓋件制造第一線,具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對(duì)沖壓成形中的各個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題有獨(dú)特的解決方法與經(jīng)驗(yàn)。本書(shū)的閱讀對(duì)象是可以是從事于沖壓加工,模具設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)人員以及準(zhǔn)備進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域的初級(jí)學(xué)員,還可以作為高校研究板料沖壓原理和工藝可制造型分析的老師和學(xué)生的指導(dǎo)書(shū)。

本書(shū)系統(tǒng)的闡述Autoform在沖壓成形、液壓成形、熱成形等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用范例;涵蓋了從沖壓件開(kāi)發(fā)、成本計(jì)算、工藝開(kāi)發(fā)、模具制造到零件生產(chǎn)的整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程中各個(gè)重要專(zhuān)題;創(chuàng)造性地提出了基于AutoForm的板金件工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化、料片展開(kāi)及排樣、回彈分析及型面補(bǔ)償計(jì)算、零件穩(wěn)健性分析與優(yōu)化以及模具表面防護(hù)等諸多方面的實(shí)際應(yīng)用方法、原理和技巧;涉及沖壓成形中多個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題解決,如切邊線精確展開(kāi)、科學(xué)的模具成本計(jì)算和可靠的模具型面回彈補(bǔ)償?shù)?。這些成果不僅反映了當(dāng)前沖壓成形數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用的最新研究進(jìn)展。

本系列連載不能一一羅列該書(shū)中的所有內(nèi)容,預(yù)定分3篇對(duì)《AuoForm原理技巧與戰(zhàn)例實(shí)用手冊(cè)》中涉及難點(diǎn)、熱點(diǎn)及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)進(jìn)行介紹。

首先對(duì)沖壓成形中最普遍的讀者最關(guān)心的的難點(diǎn)問(wèn)題——回彈分析與補(bǔ)償計(jì)進(jìn)行闡述,該模塊概述了回彈補(bǔ)償基本原則和補(bǔ)償策略、詳細(xì)介紹了基于Autoform的回彈補(bǔ)償設(shè)置流程。

其次,關(guān)于沖壓模具工藝過(guò)程穩(wěn)健性分析與應(yīng)用,在有關(guān)AutoForm軟件介紹的書(shū)籍中較少提及,本次連載后續(xù)也將對(duì)如何用AutoForm獲取一個(gè)與實(shí)際生產(chǎn)波動(dòng)相符的模擬結(jié)果,如何在產(chǎn)品和模具設(shè)計(jì)早期就關(guān)注沖壓的穩(wěn)健性問(wèn)題進(jìn)行專(zhuān)題介紹。

最后,如何以最經(jīng)濟(jì)的模具成本來(lái)滿足不同的產(chǎn)量要求關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益?！禔utoForm原理技巧與戰(zhàn)例分析實(shí)用手冊(cè)》作為一本實(shí)用性的書(shū)籍,從工序的合理布置到模具成本計(jì)算做了全面的介紹,為沖壓零件開(kāi)發(fā)、科學(xué)地計(jì)算模具成本和有效降低模具成本提供幫助。

從本期開(kāi)始,將逐一對(duì)以上三個(gè)讀者普遍關(guān)心的模塊進(jìn)行詳解。

回彈分析及補(bǔ)償背景

回彈現(xiàn)象是汽車(chē)白車(chē)身沖壓成形不可避免的問(wèn)題。隨著汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展,對(duì)沖壓件的精度要求越來(lái)越高,特別是高強(qiáng)度鋼、鋁合金板材的大量使用,回彈問(wèn)題顯得更加突出,成為汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)沖壓成形數(shù)值模擬,可以在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)并提出問(wèn)題、了解回彈分布、獲得回彈補(bǔ)償,對(duì)減小回彈具有重要指導(dǎo)意義。

本文結(jié)合AutoForm軟件介紹了回彈分析及補(bǔ)償計(jì)算的流程、規(guī)律以及經(jīng)驗(yàn)性東西。

1 成功回彈計(jì)算與補(bǔ)償?shù)?個(gè)原則

一個(gè)成功的回彈補(bǔ)償很大程度上依賴(lài)于前期準(zhǔn)備,要取得一個(gè)較小的回彈偏差值,需要輸入精確的數(shù)據(jù)模型和工藝過(guò)程條件。結(jié)合AutoForm軟件特點(diǎn)和實(shí)際的工程應(yīng)用,總結(jié)出成功回彈計(jì)算與補(bǔ)償?shù)?個(gè)基本原則,以獲得正確的回彈模擬結(jié)果,指導(dǎo)實(shí)際的生產(chǎn)。5個(gè)基本原則如下:

原則一:要保證合理的模具工藝規(guī)劃和正確合理的模擬結(jié)果;

原則二:按照校核模擬設(shè)置(Final validation)要求設(shè)定參數(shù);

原則三:合理的回彈評(píng)估;

原則四:保持工序過(guò)程的穩(wěn)健性;

原則五:按照補(bǔ)償策略進(jìn)行補(bǔ)償。

2 回彈補(bǔ)償策略

根據(jù)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),在這里一共總結(jié)出了三個(gè)回彈補(bǔ)償策略,即補(bǔ)償所有模具、僅補(bǔ)償拉延模具和對(duì)各個(gè)模具進(jìn)行不同的補(bǔ)償。

這三個(gè)補(bǔ)償策略均按照?qǐng)D1的全工序模擬過(guò)程進(jìn)行介紹,OP20~OP50全工序模擬的模具模型按照零件模型(圖1中綠色形狀)進(jìn)行制作。

圖1 全工序過(guò)程

2.1 補(bǔ)償策略一:補(bǔ)償所有模具

回彈補(bǔ)償基于最后的工序,基于OP50的回彈結(jié)果對(duì)所有的模具進(jìn)行同樣的補(bǔ)償。該補(bǔ)償策略是大多數(shù)零件模具的補(bǔ)償方式,到最后一序工作結(jié)束后,零件回彈到零件的形狀。

2.2 補(bǔ)償策略二:僅補(bǔ)償拉延模具

回彈補(bǔ)償基于最后的工序,基于即用OP50的回彈結(jié)果僅對(duì)OP20拉延的模具進(jìn)行補(bǔ)償,其他工序均不補(bǔ)償。該補(bǔ)償補(bǔ)償策略是在OP20拉延回彈后和OP50整形回彈后相比較回彈量相接近,這樣按照OP50之后的回彈補(bǔ)償OP20的模具,OP20拉延完成經(jīng)回彈就達(dá)到產(chǎn)品的形狀。

2.3 補(bǔ)償策略三:對(duì)各個(gè)模具進(jìn)行不同的補(bǔ)償

對(duì)各個(gè)模具進(jìn)行不同的補(bǔ)償是根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行量身定做(Tailor-made)的補(bǔ)償策略,即用基于OP50的回彈結(jié)果并考慮定位附加變形對(duì)OP20拉延的模具進(jìn)行補(bǔ)償,但其他工序按照后工序外形定位補(bǔ)償原則。

圖2 零件在不同定位狀態(tài)下的干涉與回彈情況

1)拉延模縮放

當(dāng)零件完成OP20拉延向后續(xù)定位時(shí),如果按照實(shí)際考慮零件的傳送、重力和變形時(shí),零件會(huì)和后續(xù)的下模干涉,這樣當(dāng)壓料板和下模閉合時(shí),零件會(huì)產(chǎn)生附加變形,如圖2所示,這樣會(huì)影響回彈分析結(jié)果。圖3顯示的是零件在不同定位狀態(tài)下的干涉與回彈情況。這兩張圖表明,零件如果在傳送和重力的作用下發(fā)生變形,這樣使零件在定位時(shí)產(chǎn)生影響,零件會(huì)產(chǎn)生附加變形,回彈量也加大。

這樣必須考慮辦法減小或消除這種對(duì)回彈不利的因素,這里采用的辦法是將OP20的拉延模型放大,如圖3所示,從圖中可以發(fā)現(xiàn)零件和OP30的下模干涉消除,零件的回彈顯著減小。

圖3 OP20拉延模放大

2)后工序外形定位補(bǔ)償

后工序外形定位補(bǔ)償是指在OP20拉延工序完成后發(fā)生回彈,如果后工序(大多數(shù)情況是指切邊工序)的型面還是按照零件模型設(shè)計(jì),這樣零件就會(huì)和后工序的模具形狀不符合,如果OP20拉延工序發(fā)生嚴(yán)重的回彈,零件放置在后續(xù)工序上經(jīng)過(guò)壓料板閉合后會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的附加變形。這樣就需要對(duì)后工序的模具型面按照OP20回彈的型面進(jìn)行補(bǔ)償,即正補(bǔ)償。

因此后工序外形定位補(bǔ)償?shù)哪康氖潜苊饬慵诤蠊ば驂毫习彘]合時(shí)產(chǎn)生附加變形,主要應(yīng)用在拉延后產(chǎn)生回彈較大的情況。

后工序外形定位補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)方法:第一步是拉延模擬后計(jì)算回彈結(jié)果;第二步后工序應(yīng)用AutoForm的回彈補(bǔ)償模塊以拉延模做參考模具進(jìn)行補(bǔ)償因子為-1的補(bǔ)償。

3 獲得準(zhǔn)確回彈補(bǔ)償?shù)牟襟E

進(jìn)行準(zhǔn)確回彈補(bǔ)償?shù)牧鞒虉D,如圖4所示,包括9大步或15小步。本節(jié)將分兩個(gè)方面,即精確的回彈模擬和有效的回彈補(bǔ)償分別進(jìn)行介紹。

3.1 精確回彈模擬

精確回彈模擬包括第一步至第五步,即:

第一步:獲取正確合理的成形模擬結(jié)果。滿足原則一的要求,使用AutoForm進(jìn)行一個(gè)成形工序的開(kāi)發(fā)與優(yōu)化,進(jìn)行工序構(gòu)思和拉延模型制作,并考慮優(yōu)化所有工藝參數(shù)和測(cè)量檢具的夾持條件。在進(jìn)行回彈之前,零件必須是能滿足最終質(zhì)量要求:無(wú)開(kāi)裂/無(wú)起皺/最終料片形狀,所有工序條件(拉延筋位置/切邊操作/斜楔操作)能夠在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)。模擬步驟:

1)模型/工具定義。檢查模具網(wǎng)格在90度的R角上保證至少有8個(gè)單元。

2)料片定義。設(shè)置料片形狀、材料數(shù)據(jù)和軋制方向,并檢查材料性能參數(shù)等。 3)工序過(guò)程定義。設(shè)置拉延筋和工序過(guò)程,檢查切邊線、沖孔和方向的設(shè)置是否合理,壓邊力是否合理,切邊/沖孔順序是否合理(考慮應(yīng)力釋放順序) ,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉檢查(kinematical check)和模具穿透檢查(檢查模具間隙),檢查行程設(shè)置是否合理。

4)模擬結(jié)果評(píng)估。模擬結(jié)果的評(píng)價(jià)包括成形性(Formability)開(kāi)裂分析、厚度分布、起皺檢查(目測(cè))、棱線滑移線和凹模入口R角沖擊線、壓邊圈閉合情況、材料流入量(Draw-in)、壓邊圈壓力分布以及模擬收斂性檢查(拉延、成形與翻邊工序應(yīng)小于40個(gè)迭代步)等。

圖4 進(jìn)行準(zhǔn)確回彈補(bǔ)償?shù)牧鞒虉D

第二步:回彈模擬。按照原則二進(jìn)行回彈模擬的控制參數(shù)設(shè)置,需檢查回彈計(jì)算的收斂行為(Convergence behavior)。一般不用自由約束回彈,應(yīng)采用約束條件下進(jìn)行回彈計(jì)算,約束應(yīng)盡可能的少并和實(shí)際相一致;定義參考模型和夾持方案(注意夾持面的選取:上表面/中層面/下表面,夾持點(diǎn)定義采用映射原始點(diǎn)) 。

第三步:回彈評(píng)估。對(duì)夾持方案進(jìn)行分析評(píng)估,確認(rèn)其是否合理,查夾頭和導(dǎo)向銷(xiāo)的夾持力和作用力(應(yīng)小于30牛),以確認(rèn)是否存在附加變形和位置偏移。確認(rèn)參考面的位置是否正確,回彈結(jié)果距離正確的判斷和分析(節(jié)點(diǎn)到參考面的法向)。

第四步:過(guò)程穩(wěn)健性分析。定義工序環(huán)境(輸入變量) à根據(jù)不同的輸入變量的變動(dòng)計(jì)算出多個(gè)模擬結(jié)果à評(píng)估分析工序過(guò)程的影響和敏感性。注意:工序穩(wěn)健性主要考慮成形性和回彈是否穩(wěn)定。

第五步: 工序與過(guò)程優(yōu)化。如果全工序模擬過(guò)程中,零件的成形性存在問(wèn)題,如開(kāi)裂、起皺等,或者回彈不穩(wěn)定,這就需要進(jìn)行工序優(yōu)化或過(guò)程參數(shù)優(yōu)化,如修改工序參數(shù)的設(shè)置、模具造型或零件造型等。

3.2 有效的回彈補(bǔ)償

有效的回彈補(bǔ)償包括第六步至第九步,即:

第六步:確定補(bǔ)償策略。討論分析各個(gè)工序的回彈特點(diǎn),按照原則五和第2節(jié)定義的回彈補(bǔ)償策略對(duì)各個(gè)工序模具進(jìn)行補(bǔ)償。

第七步:補(bǔ)償模具型面。按照確定的模具補(bǔ)償策略和拉延模具的補(bǔ)償原則進(jìn)行指定的曲面迭代回彈與補(bǔ)償計(jì)算,當(dāng)回彈結(jié)果達(dá)到預(yù)定的誤差精度要求時(shí),結(jié)束迭代計(jì)算。

在AutoForm中,回彈計(jì)算結(jié)束經(jīng)過(guò)第一次補(bǔ)償在計(jì)算回彈后,可以通過(guò)Activator進(jìn)入下一次迭代補(bǔ)償,注意補(bǔ)償曲面的拔模負(fù)角。

第八步:輸出補(bǔ)償結(jié)果。輸出補(bǔ)償?shù)木W(wǎng)格,然后將網(wǎng)格輸入CAD軟件系統(tǒng)進(jìn)行曲面重構(gòu),盡可能保證重構(gòu)的曲面與補(bǔ)償網(wǎng)格一致。

第九步:再次計(jì)算確認(rèn)模擬結(jié)果。在進(jìn)行加工之前,對(duì)基于補(bǔ)償?shù)闹貥?gòu)CAD模型再次進(jìn)行模擬計(jì)算驗(yàn)證。驗(yàn)證合格后,提交給模具設(shè)計(jì)和NC編程進(jìn)行模具的制造。到試模時(shí),進(jìn)一步的跟蹤和驗(yàn)證,檢查試模條件和模擬條件的一致性,必要時(shí)再做調(diào)整。然后總結(jié)經(jīng)驗(yàn),更新模具補(bǔ)償策略,為后續(xù)的模具回彈補(bǔ)償提供經(jīng)驗(yàn)支持。至此整個(gè)回彈補(bǔ)償?shù)墓ぷ鹘Y(jié)束。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于AutoForm的回彈分析及補(bǔ)償計(jì)算的操作,結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn),總結(jié)了回彈分析及補(bǔ)償計(jì)算的5個(gè)原則,這是獲得可信回彈及補(bǔ)償結(jié)果的基本條件。在此基礎(chǔ)上本文介紹了回彈補(bǔ)償?shù)牟呗院瞳@得準(zhǔn)確回彈補(bǔ)償?shù)木唧w步驟,對(duì)實(shí)際模具制造和零件生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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