汽車覆蓋件模具全工序沖壓模擬技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用

2017-07-08 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

模具是基礎(chǔ)裝備制造業(yè)的重要組成部分,是制造業(yè)各有關(guān)行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級和技術(shù)進步的重要保障之一。隨著時代的進步和科技的發(fā)展,過去長期依賴鉗工、以鉗工為核心的粗放型作坊式的生產(chǎn)管理模式,正逐漸被以技術(shù)為依托、以設(shè)計為中心的集約型現(xiàn)代化生產(chǎn)管理模式所替代。模具制造過程的前移,使調(diào)試問題被提前到加工數(shù)模設(shè)計乃至沖壓工藝設(shè)計階段解決,已經(jīng)成為當(dāng)前被廣泛應(yīng)用的模式。

目前,國際模具領(lǐng)先行業(yè)已廣泛采用CAE 模擬仿真技術(shù),通過前期的仿真模擬,提高模具設(shè)計質(zhì)量,減少返工返修時間,提高裝配、調(diào)試的效率,最終縮短調(diào)試周期,降低調(diào)試成本。其模具設(shè)計和調(diào)試過程,已經(jīng)真正形成了一個閉環(huán)制造系統(tǒng)。

東風(fēng)模具是業(yè)界處于領(lǐng)先地位的模具制造商,率先在國內(nèi)對模具全工序沖壓模擬技術(shù)做了系統(tǒng)的、全面的開發(fā)與應(yīng)用,從技術(shù)上逐漸縮小與發(fā)達國家模具制造水平的差距,更好地滿足國內(nèi)汽車工業(yè)對高端覆蓋件模具的需求。

一、總體思路

(1)應(yīng)用虛擬沖壓調(diào)試技術(shù),在沖壓工藝設(shè)計階段實現(xiàn)虛擬調(diào)試,提升工藝設(shè)計水平,縮短調(diào)試周期。

(2)研究基于AUTOFORM 全工序模擬分析(SIM-MP-TB)技術(shù),改進現(xiàn)有的SIM 工作流程;建立全工序沖壓模擬及回彈補償?shù)募夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)(評價標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗值、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)書)。

(3)掌握精細化模面修正技術(shù)(A 級曲面、間隙和撓度的修正),解決轎車覆蓋件的外觀缺陷。建立外板表面缺陷的判斷基準(zhǔn),建立表面缺陷的歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù),積累經(jīng)驗,減少調(diào)試人員的工作量。

二、主要內(nèi)容及技術(shù)方案

1、全工序成形模擬技術(shù)

目前,東風(fēng)模具使用的AUTOFORM是一款由瑞士開發(fā)的專業(yè)薄板成形快速模擬軟件,它采用靜力隱式算法進行求解,采用了全拉格朗日理論,由于對殼單元面內(nèi)和橫向剛度都進行了解耦,消除了剛度矩陣的病態(tài),保證了計算的收斂性,求解速度很快。該軟件可自動進行網(wǎng)格剖分,自動生成和交互修改壓料面、工藝補充部分、拉伸筋、凹模入口線、板坯材料等網(wǎng)格,可以自由選擇調(diào)整沖壓方向,產(chǎn)生工藝切口,模擬重力作用、壓邊、成形、修邊、回彈等全工序或工藝過程。

汽車覆蓋件模具全工序沖壓模擬技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用autoform圖片1

圖1 Autoform 全工序成形模擬過程

在沖壓工藝設(shè)計中應(yīng)用AUTOFORM軟件仿真模擬,一般分為三個階段:

第一階段是快速模面設(shè)計。在沖壓工藝設(shè)計初期,用CAE軟件中的快速模面設(shè)計模塊設(shè)計并調(diào)整拉延工藝補充面,根據(jù)模擬結(jié)果,設(shè)計者可以很方便地對工藝補充面進行調(diào)整,直到模擬結(jié)果滿足設(shè)計要求。

在前期工藝設(shè)計階段能夠改善的工藝參數(shù)有以下幾點:

(1)調(diào)整沖壓方向,改善缺陷處的拔模角。

(2)調(diào)整壓料面的高低,以及局部的光順性。

(3)通過改善工藝補充的型面,來控制材料的流動方向。

(4)通過改變拉延筋的阻力,來調(diào)整材料的流入量。

(5)通過改變板料的形狀,以及增加刺口和切角等手段來控制材料流入。

(6)通過改變板料的材料性能,來解決缺陷問題,此方法需要得到產(chǎn)品設(shè)計人員的認(rèn)可。

第二階段是拉延型面的精細化仿真模擬。由于快速設(shè)計是建立在曲面的粗略構(gòu)造上,曲面面片本身以及曲面面片之間的連續(xù)并非十分光順,不能夠直接用于模具表面的加工,但是對于模擬精度的影響卻不是很大。因此要將第一階段分析構(gòu)造的曲面和Profile 以中性數(shù)據(jù)格式IGS 或VDA輸出,在CAD 軟件中進行曲面重構(gòu),得到機加工可以使用的拉延工序模具數(shù)模并進行模擬分析。此階段的模擬分析結(jié)果直接反映出覆蓋件的成形過程及產(chǎn)生的缺陷。工藝設(shè)計人員可以根據(jù)模擬分析過程及結(jié)果,分析缺陷產(chǎn)生的原因,找到解決問題的方法。

第三階段是全工序沖壓模擬。這個階段主要是考證后序翻邊整形工序是否合理,以及判定回彈的量。如果翻邊時仍產(chǎn)生開裂與起皺,則需要重新調(diào)整工藝,同時對回彈量進行修正補償。

2、回彈與回彈補償技術(shù)

起皺、破裂和回彈是薄板成形中三種主要的質(zhì)量缺陷,其中回彈是最難控制的,因為涉及到回彈量的準(zhǔn)確預(yù)測,且不同材料和不同形狀的沖壓件的回彈規(guī)律差別很大?；貜梿栴}的存在會影響沖壓件的形狀尺寸精度和表面質(zhì)量,進而影響整車裝配。

東風(fēng)模具從2009 年開始采用Think Design GSM 模塊修正沖壓回彈補償。但當(dāng)時的應(yīng)用處于較低的水平,采用的技術(shù)方案是:根據(jù)調(diào)試模具實物結(jié)果反饋的尺寸,人工修改回彈造型,然后修改模具。這是一種事后的、基于實物手工測量結(jié)果的措施,無法從根本上解決反復(fù)現(xiàn)場加工調(diào)試的問題。

與Think3 廠家多次技術(shù)交流和對需求的了解,針對東風(fēng)模具的實際需求,提出相應(yīng)的沖壓件鈑金回彈處理系統(tǒng):TD Compensator,實現(xiàn)回彈補償過程的自動化。此系統(tǒng)能夠在保持原有曲面的質(zhì)量上對模具型面進行修改,修改后的型面保持和原先型面相同的曲面拓補結(jié)構(gòu)和曲面質(zhì)量。該系統(tǒng)通過AUTOFORM 進行全工序模擬分析,利用Think Design 模塊讀取模擬分析MESH 結(jié)果,自動進行回彈補償模面設(shè)計,獲得最佳曲面質(zhì)量,節(jié)省MP 設(shè)計時間40% ~ 80%,實現(xiàn)把回彈補償數(shù)據(jù)加入到NC 加工數(shù)據(jù)中,在模具調(diào)試前對回彈進行預(yù)測和補償,減少車間的反復(fù)加工、調(diào)試修改。

實施本項目的關(guān)鍵是:

(1)所有零件實施了全工序模擬。

(2)采購Think3 的回彈補償模面設(shè)計模塊(讀取AUTOFORM MESH 數(shù)據(jù)的方式)。

(3)研究基于AUTOFORM 全工序模擬分析(SIM-MP-TB)技術(shù),改進現(xiàn)有的SIM 工作流程。

(4)建立全工序沖壓模擬及回彈補償?shù)募夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)(評價標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗值、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)書)。

(5)制定本技術(shù)的長期發(fā)展計劃(從內(nèi)表件到外表件,從薄板到厚板和高強度板,從MESH 數(shù)據(jù)到掃描點云數(shù)據(jù))。

3、外板件表面缺陷的CAE 預(yù)測

一直以來,我們認(rèn)為凹陷、滑移與產(chǎn)品設(shè)計方案相關(guān),很難從工藝設(shè)計、調(diào)試的角度解決,沒有采取有效的技術(shù)措施,一旦發(fā)生缺陷,往往依賴現(xiàn)場調(diào)試減輕缺陷,而顧客默認(rèn)接受缺陷。

為了解決上述問題,近年來,東風(fēng)模具運用AUTOFORM 模擬分析技術(shù),在門外板、頂蓋等零件上開展了A 面修正技術(shù)的嘗試( 見圖2)。以零件為單位,制定零件凹陷部位圖表,通過對凹陷實際數(shù)據(jù)的測量,制定“凹陷過隆”補償標(biāo)準(zhǔn)和“強壓”間隙標(biāo)準(zhǔn);制定“過隆”補償研磨標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)書。用未修正的數(shù)據(jù)做模擬分析找到A面塌陷結(jié)果,確定拉延模A 面修正方案。

汽車覆蓋件模具全工序沖壓模擬技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用autoform圖片2

圖2 修正技術(shù)的嘗試

4. 建立沖壓模擬分析標(biāo)準(zhǔn)

(1)為了規(guī)范AUTOFORM 軟件的使用操作,避免由于軟件參數(shù)設(shè)置不正確導(dǎo)致的運算結(jié)果不一致的情況,我們結(jié)合公司的實際情況,完成了《AUTOFORM 軟件使用指令標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)書》、《AUTOFORM軟件操作說明書》及《CAE 文件的命名規(guī)范》的編寫。

(2) 為了完善CAE, 建立了《CAE分析檢查表》和《CAE分析典型件常見不良案例》。

(3)制定《CAE 成型品質(zhì)保證單及調(diào)試跟蹤記錄卡》,跟蹤對比CAE 模擬與車間調(diào)試的符合率情況。

(4) 制定合理的CAE 判斷標(biāo)準(zhǔn)及SIM 分析風(fēng)險(V1V2V3)評價標(biāo)準(zhǔn),對起皺、變薄、板料厚度、滑移線、表面缺陷等指標(biāo)作出量化規(guī)定。

(5)CAE 模擬分析材料庫參數(shù)的修訂和調(diào)試板料驗證。

三、應(yīng)用情況實例

1、D23 項目側(cè)圍零件

圖3 為D23 側(cè)圍案例,由于在模擬階段忽略了后工序的模擬,后序翻邊的現(xiàn)場調(diào)試時由于多料而出現(xiàn)起皺疊料,我們通過CAE 驗證分析,得到了與現(xiàn)場調(diào)試一樣的結(jié)果。通過修改OP40 的整形形狀,改善了此處的起皺問題。

汽車覆蓋件模具全工序沖壓模擬技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用autoform培訓(xùn)的效果圖片3

圖3 CAE 分析示例1

2. Z982 項目側(cè)圍零件

圖4 為Z982 側(cè)圍零件案例。

汽車覆蓋件模具全工序沖壓模擬技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用autoform培訓(xùn)的效果圖片4

圖4 CAE 分析示例2

(1)CAE 分析有開裂起皺風(fēng)險,現(xiàn)場調(diào)試與CAE 一致,加筋,但未徹底解決問題(見圖5)。

汽車覆蓋件模具全工序沖壓模擬技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用autoform培訓(xùn)的效果圖片5

圖5

(2)CAE 分析有起皺風(fēng)險,現(xiàn)場調(diào)試與CAE 一致,改筋,增加阻力(見圖6)。

汽車覆蓋件模具全工序沖壓模擬技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用autoform培訓(xùn)的效果圖片6

圖6

(3)CAE 分析有起皺風(fēng)險,現(xiàn)場調(diào)試與CAE 模擬一致,沒有對策。

(4)下死點5mm 處時有起皺風(fēng)險,調(diào)試時拉延模此處有皺,產(chǎn)品此處有皺( 見圖7)。

汽車覆蓋件模具全工序沖壓模擬技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用autoform鈑金分析圖片7

圖7

(5)CAE 分析6、7 處有滑移,通過外壓料圈降筋增加流入量解決( 見圖8)。

汽車覆蓋件模具全工序沖壓模擬技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用autoform鈑金分析圖片8

圖8

3. 門外板凹陷預(yù)測及改善對策

CAE 模擬結(jié)果三處有凹陷——V1 缺陷,對策是參考CAE 分析結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)場調(diào)試數(shù)據(jù),根據(jù)零件類型制定TB 補償方案( 見圖9)。

汽車覆蓋件模具全工序沖壓模擬技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用autoform鈑金分析圖片9

圖9 凹陷預(yù)測及改善案例

4. 左/ 右前縱梁下加強板進行全工序模擬后回彈補償

圖10 是我們對左/ 右前縱梁下加強板進行全工序模擬后回彈補償?shù)陌咐?

采用AUTOFORM 分析,提供原始數(shù)模、原始網(wǎng)格和成型網(wǎng)格,導(dǎo)入Think Design Compensator 自動回彈補償修改時間:32min(其中條件設(shè)定:25min,回彈計算:7min),整改回彈的過程需30min。

汽車覆蓋件模具全工序沖壓模擬技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用autoform鈑金分析圖片10

圖10 左/ 右前縱梁下加強板回彈補償案例

效益評估:

(1)曲面連續(xù)性可達到G2 連續(xù),達到A 級曲面要求,保證了原有曲面的拓?fù)潢P(guān)系和曲面數(shù)量。

(2)之前處理類似工件需要3 ~4h,現(xiàn)在的設(shè)計時間可以節(jié)省65% ~ 79%,效率提高了2 ~ 4 倍。

(3)減少了反復(fù)修改的重復(fù)勞動。

四、效益分析

通過CAE 技術(shù)的應(yīng)用,縮短了調(diào)試周期40% ~ 50%。更重要的是,汽車覆蓋件的質(zhì)量得到了大大的提高,其意義超過了縮短制造周期本身。

自動進行回彈補償模面設(shè)計,獲得最佳曲面質(zhì)量,節(jié)省MP設(shè)計時間65% ~ 79%,效率提高2 ~ 4 倍。實現(xiàn)了把回彈補償數(shù)據(jù)加入到NC 加工數(shù)據(jù)中,在模具調(diào)試前對回彈進行預(yù)測和補償,減少車間的反復(fù)加工、調(diào)試和修改。不良率得到降低,保守估計在5% 以上,部分項目可減少試模1 ~ 2次,節(jié)省了直接成本。

該項目成功應(yīng)用于轎車覆蓋件模具的開發(fā)和制造,通過全工序模擬,提前預(yù)測和解決模具調(diào)試階段可能出現(xiàn)的各類缺陷,縮短了模具制造周期,提高了零件品質(zhì),具有良好的經(jīng)濟效益。

五、總結(jié)與展望

東風(fēng)模具率先在國內(nèi)針對模具設(shè)計模擬技術(shù)進行了系統(tǒng)性的研究,并開發(fā)了一整套模具設(shè)計模擬的技術(shù)規(guī)范和流程,成功地應(yīng)用于公司各個項目的模具設(shè)計和模具制造,使得模具設(shè)計質(zhì)量得以提高,制造周期有效縮短,鉗工、調(diào)試人員的勞動強度明顯降低,東風(fēng)模具的設(shè)計能力、制造能力和模具品質(zhì)得到顯著提升,產(chǎn)生了巨大的社會效益,在國內(nèi)汽車模具行業(yè)具有極強的推廣應(yīng)用價值。

來源:《中國模具信息》雜志

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