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-m.br5w05v.cn  來(lái)源:仿真在線

作者:奇瑞汽車股份有限公司規(guī)劃設(shè)計(jì)院 汪權(quán)

采用AutoForm分析軟件可以指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)者修改模具設(shè)計(jì),找出產(chǎn)品可能出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題,提高一次試模成功率,對(duì)企業(yè)縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本,提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(guò)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(bǔ)充、壓邊圈的設(shè)計(jì)不合理。
(3)拉延筋設(shè)計(jì)不合理,不能很好的控制材料流動(dòng)。
(4)壓邊力過(guò)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(dòng)性差。

目前,主要通過(guò)改善產(chǎn)品工藝性、設(shè)計(jì)合理的坯料形狀、增加刺破刀、加大R角、合理設(shè)計(jì)工藝補(bǔ)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(lái)解決拉延開裂問(wèn)題。

2.起皺

起皺是拉延工序中另一個(gè)常見的缺陷,也是很難解決的板件缺陷。板件發(fā)生起皺時(shí),會(huì)影響到模具的壽命以及板件的焊接,板件發(fā)生疊料時(shí)還會(huì)使模具不能壓合到底,從而成形不出設(shè)計(jì)的產(chǎn)品形狀,同時(shí),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(jì)及工藝設(shè)計(jì)上來(lái)解決起皺問(wèn)題,歸納起來(lái)有以下幾點(diǎn):

(1)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)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(huì)伴隨著開裂缺陷的產(chǎn)生,目前主要通過(guò)使用CAE軟件來(lái)分析確定合理的分模線位置。
(4)在工藝補(bǔ)充面上增加吸料筋、工藝臺(tái)階等,將多余的料消化掉。
(5)合理設(shè)計(jì)拉延筋,以確保各個(gè)方向進(jìn)料均勻?yàn)槟繕?biāo)。
(6)當(dāng)開裂與起皺同時(shí)存在,且起皺不被允許時(shí),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(wèn)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(duì)靜態(tài)平衡方程迭代求解。理論上在這個(gè)算法中的增量步可以很大,但是實(shí)際運(yùn)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(jì)算時(shí)間幾乎呈幾何級(jí)數(shù)增加。由于需要矩陣求逆以及精確積分,對(duì)內(nèi)存要求很高。隱式算法的不利方面還有收斂問(wèn)題不容易得到解決以及當(dāng)開始起皺失穩(wěn)時(shí),在分叉點(diǎn)處剛度矩陣出現(xiàn)奇異等。其中靜態(tài)隱式算法多配合動(dòng)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(jì)算按照與實(shí)際成形相反的順序,從所期望的成形后的工件形狀通過(guò)計(jì)算得出與此相對(duì)應(yīng)的毛坯形狀和有關(guān)工藝參數(shù)。板材成形過(guò)程的變形決定其有利于進(jìn)行方向模擬。在沖壓成形過(guò)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(gè)成形過(guò)程中各質(zhì)點(diǎn)的Z向位移是確定的。采用有限元計(jì)算求解時(shí),節(jié)點(diǎn)未知量?jī)H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(guò)程為簡(jiǎn)單加載過(guò)程,用塑性變形的理論進(jìn)行模擬分析。在分析的過(guò)程中以利用工件形狀進(jìn)行計(jì)算,用簡(jiǎn)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(jì)階段就投入使用,可以預(yù)測(cè)毛坯形狀,整個(gè)計(jì)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(jì)算模擬,對(duì)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(gè)CAD模型的一般步驟是:導(dǎo)入CAD模型(軟件自動(dòng)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(dòng)劃分、材料選擇、拉延筋布置、工藝參數(shù)設(shè)置和分析計(jì)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(duì)一些曲面問(wèn)題很難解決,所以有必要在三維CAD軟件NX里對(duì)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(wèn)題,同時(shí)須提取B曲面,保證工藝數(shù)模在導(dǎo)入AutoForm時(shí)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(huì)自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,可以通過(guò)顯示網(wǎng)格邊界的方式檢查網(wǎng)格質(zhì)量,對(duì)于平坦的空洞可以通過(guò)自動(dòng)填充來(lái)解決,如果對(duì)填充的效果不滿意,可以通過(guò)改變參數(shù)max size值來(lái)解決問(wèn)題,對(duì)于邊界復(fù)雜的空洞,AutoForm填充不能得到理想結(jié)果時(shí),需要在NX軟件中對(duì)數(shù)模空洞進(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(duì)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(shí)所在沖壓線首臺(tái)設(shè)備為雙動(dòng)機(jī)床,所以本文選擇雙動(dòng)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(duì)于拉延分析而言,需設(shè)定凹模、凸模和壓邊圈三個(gè)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?yàn)闆_壓方向,工具的工作方向與沖壓方向相同時(shí)為正值,相反時(shí)為負(fù)值,如凹模工作方向?yàn)榘寄Ｖ赶蚺髁系姆较?即為Z軸負(fù)方向,因此凹模工作方向?yàn)檎?。凸模與壓邊圈由凹模網(wǎng)格偏置得到,工作方向?yàn)樨?fù)值。

5.坯料尺寸、材質(zhì)確定及網(wǎng)格自動(dòng)劃分

AutoForm提供了5種不同的方式來(lái)設(shè)定坯料的大小:通過(guò)畫線的方式來(lái)得到坯料線輪廓;輸入IGS格式的坯料文件;通過(guò)中心坐標(biāo)、長(zhǎng)和寬的方式輸入坯料尺寸;通過(guò)復(fù)制現(xiàn)有模型中的線來(lái)作為坯料線;通過(guò)對(duì)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(jì)的,通過(guò)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(qiáng)、有良好的力學(xué)性能、加工性和焊接性,屈服強(qiáng)度為140~220MPa,抗拉強(qiáng)度為270~350MPa,n值不小于0.18,r值不小于1.6,斷后延長(zhǎng)率不小于36%。

AutoForm提供了較為完善的材料庫(kù),包括中國(guó)、日本、歐洲以及美國(guó)等常用鋼板材料,用戶可以新建或者修改現(xiàn)有材料庫(kù)參數(shù),并且可以通過(guò)設(shè)置roll angle參數(shù)來(lái)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(dòng),需要設(shè)置各種形狀的拉延筋。AutoForm中不需要建立實(shí)際的拉延筋有限元模型,而是采用一些曲線來(lái)模擬拉延筋行為,當(dāng)板料流過(guò)時(shí),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(shí)可以很方便的調(diào)整拉延筋阻力,節(jié)省分析時(shí)間,分析成功之后再根據(jù)相應(yīng)的拉延筋阻力系數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)真實(shí)拉延筋幾何形狀。

7.工藝參數(shù)設(shè)置

這一步主要是對(duì)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?yàn)槔臃治鰹榈湫偷墓に嚪治?AutoForm有專門針對(duì)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(shí)間步長(zhǎng)大小都可以滿足正常分析的需要。

8.分析計(jì)算

以上步驟完成以后,可以用動(dòng)畫的形式檢查一下工具的運(yùn)動(dòng)情況,如果沒(méi)有問(wèn)題就可以提交計(jì)算,計(jì)算的結(jié)果文件都保存在*.sim文件中,在計(jì)算的過(guò)程中隨時(shí)可以查看計(jì)算結(jié)果。

9.CAE結(jié)果判斷

計(jì)算完成之后,就可以用后處理打開結(jié)果文件,對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析、判定。

(1)料厚減薄評(píng)價(jià)。判斷準(zhǔn)則:單向拉伸區(qū)域,減薄超過(guò)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(guò)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(duì)于外覆蓋件,需同時(shí)評(píng)價(jià)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(lái)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(shuō)明有開裂的趨勢(shì),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?cè)u(píng)價(jià)。通過(guò)主應(yīng)變和副應(yīng)變來(lái)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)。外板件要求在可見區(qū)域內(nèi)無(wú)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(shí)際板件拉延情況

隨著CAE技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,CAE的計(jì)算精度也越來(lái)越能反映出真實(shí)情況,本文利用AutoForm對(duì)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(shì),無(wú)起皺、滑移線等缺陷,實(shí)際情況為拉延一次成功,無(wú)缺陷,CAE與實(shí)際情況符合較好。

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