搜索冷沖件拉延成形模擬分析
2013-06-23 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
作者:奇瑞汽車股份有限公司規(guī)劃設(shè)計院 汪權(quán)
采用AutoForm分析軟件可以指導(dǎo)模具設(shè)計者修改模具設(shè)計,找出產(chǎn)品可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題,提高一次試模成功率,對企業(yè)縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本,提高市場競爭力有重要的意義。
常見缺陷及解決辦法
1.拉延開裂
開裂是拉延工序中最為常見的缺陷之一,其表現(xiàn)為出現(xiàn)破裂或裂紋,產(chǎn)品部分如果出現(xiàn)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)生開裂的原因大致有:
(1)產(chǎn)品工藝性不好,如R角過小、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(shè)計不合理。
(3)拉延筋設(shè)計不合理,不能很好的控制材料流動。
(4)壓邊力過大。
(5)模具型面表面粗糙度達(dá)不到要求,摩擦阻力大。
(6)模具加工精度差,凸凹模間隙小,板料流動性差。
目前,主要通過改善產(chǎn)品工藝性、設(shè)計合理的坯料形狀、增加刺破刀、加大R角、合理設(shè)計工藝補充及壓料面、調(diào)整拉延筋阻力及壓邊力和模面鏡面處理等方式來解決拉延開裂問題。
2.起皺
起皺是拉延工序中另一個常見的缺陷,也是很難解決的板件缺陷。板件發(fā)生起皺時,會影響到模具的壽命以及板件的焊接,板件發(fā)生疊料時還會使模具不能壓合到底,從而成形不出設(shè)計的產(chǎn)品形狀,同時,由于疊料部位不能進(jìn)行防銹處理,容易導(dǎo)致板件生銹而影響到板件的使用壽命,給整車安全造成隱患。
目前主要從產(chǎn)品設(shè)計及工藝設(shè)計上來解決起皺問題,歸納起來有以下幾點:
(1)產(chǎn)品設(shè)計時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)分模線調(diào)整。隨著分模線的調(diào)整,往往會伴隨著開裂缺陷的產(chǎn)生,目前主要通過使用CAE軟件來分析確定合理的分模線位置。
(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(shè)計拉延筋,以確保各個方向進(jìn)料均勻為目標(biāo)。
(6)當(dāng)開裂與起皺同時存在,且起皺不被允許時,一般先解決起皺再解決開裂。
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題的一種方法。在靜態(tài)隱式算法中,在每一增量步內(nèi)都需要對靜態(tài)平衡方程迭代求解。理論上在這個算法中的增量步可以很大,但是實際運算中要受到接觸以及摩擦等條件的限制。隨著單元數(shù)目的增加,計算時間幾乎呈幾何級數(shù)增加。由于需要矩陣求逆以及精確積分,對內(nèi)存要求很高。隱式算法的不利方面還有收斂問題不容易得到解決以及當(dāng)開始起皺失穩(wěn)時,在分叉點處剛度矩陣出現(xiàn)奇異等。其中靜態(tài)隱式算法多配合動態(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(dǎo)出,其基本思想是采用反向模擬。將模擬計算按照與實際成形相反的順序,從所期望的成形后的工件形狀通過計算得出與此相對應(yīng)的毛坯形狀和有關(guān)工藝參數(shù)。板材成形過程的變形決定其有利于進(jìn)行方向模擬。在沖壓成形過程中,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(biāo)平面,整個成形過程中各質(zhì)點的Z向位移是確定的。采用有限元計算求解時,節(jié)點未知量僅為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(shè)變形過程為簡單加載過程,用塑性變形的理論進(jìn)行模擬分析。在分析的過程中以利用工件形狀進(jìn)行計算,用簡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(shù)據(jù)少,因此可以在概念及初期設(shè)計階段就投入使用,可以預(yù)測毛坯形狀,整個計算可以很快地求解出結(jié)果,因此可以反復(fù)調(diào)整參數(shù)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CAD模型的一般步驟是:導(dǎo)入CAD模型(軟件自動進(jìn)行網(wǎng)格劃分)、網(wǎng)格檢查及空洞填充、確定基準(zhǔn)模具、料厚及沖壓方式、工具設(shè)定、坯料尺寸確定及網(wǎng)格自動劃分、材料選擇、拉延筋布置、工藝參數(shù)設(shè)置和分析計算等。
轎車翼子板模擬流程分析
1.導(dǎo)入CAD模型
由于AutoForm曲面處理功能的局限性,對一些曲面問題很難解決,所以有必要在三維CAD軟件NX里對工藝數(shù)模進(jìn)行檢查,避免出現(xiàn)面交叉、面重疊等曲面問題,同時須提取B曲面,保證工藝數(shù)模在導(dǎo)入AutoForm時不出現(xiàn)面丟失、面交叉等缺陷(見圖1)。
圖1 導(dǎo)入CAD模型
2.網(wǎng)格檢查及空洞填充
工藝數(shù)模導(dǎo)入之后,AutoForm會自動進(jìn)行網(wǎng)格劃分,可以通過顯示網(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自動填充來解決,如果對填充的效果不滿意,可以通過改變參數(shù)max size值來解決問題,對于邊界復(fù)雜的空洞,AutoForm填充不能得到理想結(jié)果時,需要在NX軟件中對數(shù)?？斩催M(jìn)行填充。
3.確定分析類型、模具基準(zhǔn)、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(jié)果。
(2)根據(jù)客戶要求,該件生產(chǎn)時所在沖壓線首臺設(shè)備為雙動機床,所以本文選擇雙動拉延方式。
(3)根據(jù)客戶要求,設(shè)定料厚為0.8mm。
(4)根據(jù)產(chǎn)品數(shù)模給定的料厚基準(zhǔn),選擇凹模為幾何偏置基準(zhǔn)。
4.工具設(shè)定
對于拉延分析而言,需設(shè)定凹模、凸模和壓邊圈三個工具,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(rèn)Z軸的負(fù)方向為沖壓方向,工具的工作方向與沖壓方向相同時為正值,相反時為負(fù)值,如凹模工作方向為凹模指向坯料的方向,即為Z軸負(fù)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(fù)值。
5.坯料尺寸、材質(zhì)確定及網(wǎng)格自動劃分
AutoForm提供了5種不同的方式來設(shè)定坯料的大小:通過畫線的方式來得到坯料線輪廓;輸入IGS格式的坯料文件;通過中心坐標(biāo)、長和寬的方式輸入坯料尺寸;通過復(fù)制現(xiàn)有模型中的線來作為坯料線;通過對模型中的線進(jìn)行拓展而得到的線作為坯料線(見圖2)。
圖2 坯料尺寸確定
本次分析所采用的坯料線是由NX軟件設(shè)計的,通過IGS的方式導(dǎo)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,用戶可以新建或者修改現(xiàn)有材料庫參數(shù),并且可以通過設(shè)置roll angle參數(shù)來設(shè)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,需要設(shè)置各種形狀的拉延筋。AutoForm中不需要建立實際的拉延筋有限元模型,而是采用一些曲線來模擬拉延筋行為,當(dāng)板料流過時,施加拉延筋阻力(見圖3)。
圖3 等效拉延筋
采用這種等效拉延筋后,在分析時可以很方便的調(diào)整拉延筋阻力,節(jié)省分析時間,分析成功之后再根據(jù)相應(yīng)的拉延筋阻力系數(shù)來設(shè)計真實拉延筋幾何形狀。
7.工藝參數(shù)設(shè)置
這一步主要是對摩擦系數(shù)、壓邊力以及沖壓速度等工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,因為拉延分析為典型的工藝分析,AutoForm有專門針對拉延分析的模版,所以只需要修改一些工藝參數(shù)即可,在輸出結(jié)果的界面選擇默認(rèn)輸出結(jié)果即可,由于采用虛擬拉延筋分析,默認(rèn)的板料網(wǎng)格大小以及時間步長大小都可以滿足正常分析的需要。
8.分析計算
以上步驟完成以后,可以用動畫的形式檢查一下工具的運動情況,如果沒有問題就可以提交計算,計算的結(jié)果文件都保存在*.sim文件中,在計算的過程中隨時可以查看計算結(jié)果。
9.CAE結(jié)果判斷
計算完成之后,就可以用后處理打開結(jié)果文件,對計算結(jié)果進(jìn)行分析、判定。
(1)料厚減薄評價。判斷準(zhǔn)則:單向拉伸區(qū)域,減薄超過極限料厚一律視為破裂;單向拉伸區(qū)域和雙向拉伸區(qū)域,減薄超過30%一律視為破裂;雙向拉伸區(qū)域,減薄在極限料厚和30%之間,查看FLD指示。
對于外覆蓋件,需同時評價最大變薄及最小變薄,將料厚減薄云圖的刻度設(shè)置為-0.3~0.02,用不同顏色來顯示,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。
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(qū)域有黃色,說明有開裂的趨勢,但離極限曲線還有一定安全量。
圖5 成形極限
(3)主應(yīng)變和副應(yīng)變評價。通過主應(yīng)變和副應(yīng)變來評價拉延質(zhì)量,在產(chǎn)品內(nèi)基本都屬于雙向拉伸狀態(tài),拉延質(zhì)量良好,副應(yīng)變和主應(yīng)變變化情況如圖6、7所示。
圖6 副應(yīng)變變化
圖7 主應(yīng)變變化
(4)滑移線評價。外板件要求在可見區(qū)域內(nèi)無滑移線,本分析顯示滑移量很小,能滿足要求(見圖8)。
圖8 滑移線顯示
10.實際板件拉延情況
隨著CAE技術(shù)以及計算機技術(shù)的發(fā)展,CAE的計算精度也越來越能反映出真實情況,本文利用AutoForm對汽車翼子板進(jìn)行拉延分析,分析結(jié)果顯示拉延有開裂的趨勢,無起皺、滑移線等缺陷,實際情況為拉延一次成功,無缺陷,CAE與實際情況符合較好。
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