模具CAE技術(shù)在轎車發(fā)動機(jī)罩外板模具調(diào)試中的應(yīng)用

1、模具CAE技術(shù)在轎車發(fā)動機(jī)罩外板模具調(diào)試中的應(yīng)用闡述了基于汽車覆蓋件板成形的有限元模型分析軟件AutoForm的模具CAE技術(shù)，對其特點(diǎn)和功能作了闡述。以風(fēng)神Bluebird發(fā)動機(jī)罩外板的模具調(diào)試為例闡述了其實(shí)際應(yīng)用，對拉延模的模面設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析，對其拉延成形過程進(jìn)行了模擬分析，并依此對拉延模的調(diào)試方案進(jìn)行分析和判斷，優(yōu)化了改進(jìn)方案，和現(xiàn)場取得了完全一致的結(jié)果。 一、前言 當(dāng)代汽車和現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)制造技術(shù)都表明。汽車覆蓋件模具的設(shè)計(jì)制造離不開有效的板成形模擬軟件。國外大的汽車集團(tuán)，其車身開發(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。作者從2001年5月開始

2、探討AutoForm在解決汽車覆蓋件模具制造中的應(yīng)用，經(jīng)過各個(gè)階段的重點(diǎn)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了:對汽車沖壓零件產(chǎn)品的可沖壓成形性進(jìn)行分析，判定成形的難點(diǎn)和關(guān)鍵區(qū)域；對汽車沖壓零件產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)毛坯展開計(jì)算；對模具和工藝方案的確認(rèn)進(jìn)行有選擇性和針對性的模擬分析，給模具調(diào)試提供量化的分析判斷數(shù)據(jù)，對可進(jìn)行的模具調(diào)試方案進(jìn)行判別，并對可行的調(diào)試方案提供具體技術(shù)參數(shù)；對模具和工藝方案進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化的多次模擬，用先于現(xiàn)場模具調(diào)試的模具CAE技術(shù)，對拉延模具設(shè)計(jì)的可行性和可靠性進(jìn)行量化的分析和判斷，對有欠缺的設(shè)計(jì)提出優(yōu)化改進(jìn)方案:二、AutoForm的功能和特點(diǎn)AutoForm提供了從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)直至最后的模具設(shè)計(jì)的一個(gè)

3、完整的解決方案，特別適合于復(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)的評估和優(yōu)化。從數(shù)據(jù)輸人到后處理結(jié)果的輸出，AutoForm融合了一個(gè)有效開發(fā)環(huán)境所需的所有模塊，從前處理到后處理的全過程與CAD數(shù)據(jù)的自動集成，網(wǎng)格的自適應(yīng)劃分，所有的技術(shù)工藝參數(shù)設(shè)置的過程易于理解且符合工程實(shí)際。AutoForm使用了許多現(xiàn)代模擬技術(shù):應(yīng)用新的隱式有限元算法保證求解的迭代收斂；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。它同時(shí)融人了許多工程應(yīng)

4、用技術(shù)，如考慮了加工硬化和應(yīng)變率效應(yīng)的各向異性材料模型；等效拉延筋阻力模型。AutoForm對模擬結(jié)果融合了許多有效的解釋:可以實(shí)時(shí)地觀測計(jì)算結(jié)果；可觀測應(yīng)力、應(yīng)變和厚度分布、材料流動狀況；可計(jì)算工具應(yīng)力、沖壓力；可實(shí)現(xiàn)材料標(biāo)記、法向位移的標(biāo)識；可生成對破裂、起皺和回彈失效進(jìn)行判定的成形質(zhì)量圖以及成形極限圖；還可進(jìn)行動畫顯示和截面分析等。三、模面設(shè)計(jì)在風(fēng)神Bluebird發(fā)動機(jī)罩總成模具的設(shè)計(jì)與制造工作中，為保證模具的制造質(zhì)量和周期，作者對其主要零件-發(fā)動機(jī)罩內(nèi)外板進(jìn)行了成形模擬分析，取得了良好的應(yīng)用效果。以下主要對外板作一個(gè)說明。1、產(chǎn)品介紹發(fā)動機(jī)罩外板如圖1所示。料厚:0.8(GB708-

5、88)。材料:SP780-340。坯料尺寸:0.8*1540*1770。其沖壓工藝是:開卷落料，外形定位拉延成形，外形與形狀定位修邊沖孔、吊楔修邊，外形與形狀定位翻邊、吊楔翻邊，檢驗(yàn)夾具。2、拉延成形模面設(shè)計(jì)模面設(shè)計(jì)是根據(jù)沖壓工藝和模具設(shè)計(jì)知識，完成優(yōu)選沖壓方向、壓料面形狀的確定、工藝補(bǔ)充面的設(shè)計(jì)以及拉延筋的設(shè)計(jì)與布置等，依其掌握的經(jīng)驗(yàn)和知識，以獲得最佳的材料流動，達(dá)到拉延出合格的拉延件的目的。(1)沖壓方向的確定.在保證沒有沖壓負(fù)角的情形下遵循平均法向原則、最小拉延深度原則、無沖壓負(fù)角原則、確定沖壓方向:繞坐標(biāo)軸Z旋轉(zhuǎn)+15。，如圖2所示。/P (2)壓料面的設(shè)計(jì).首先遵循平順光滑原則，在具

6、體設(shè)計(jì)策略上重點(diǎn)考慮拉延深度、壓料面截面線輪廓的處理，壓料面面輪廓的處理，壓料面的位置確定。(3)工藝補(bǔ)充面的設(shè)計(jì).首先應(yīng)考慮到后續(xù)工序(如修邊、翻邊)的銜接和模具結(jié)構(gòu)上實(shí)施的可行性與簡便性，然后就是考慮材料的局部流動情況及其對拉延成形的影響。工藝補(bǔ)充面的設(shè)計(jì)有2個(gè)重要的參數(shù)，即凸模圓角半徑和凹模圓角半徑的設(shè)計(jì)。(4)拉延筋的設(shè)計(jì)與布置拉延筋在調(diào)節(jié)局部進(jìn)料阻力上有著非常直接的作用，在布置時(shí)還要考慮到后序修邊和拉延時(shí)很可能產(chǎn)生的拉毛問題。在模面設(shè)計(jì)進(jìn)行時(shí)，對類似零件的模面設(shè)計(jì)及其實(shí)際沖壓情況進(jìn)行了調(diào)研，力求讓外板有充分的變形、良好的剛性；同時(shí)探討使用板成形數(shù)值模擬技術(shù)對數(shù)據(jù)量大、使用新材料的發(fā)動

7、機(jī)罩內(nèi)外板進(jìn)行沖壓模擬分析，對現(xiàn)場模具調(diào)試出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析判斷，并協(xié)助解決現(xiàn)場出現(xiàn)的調(diào)試問題。四、成形模擬分析1、有限元網(wǎng)格模型的建立通過標(biāo)準(zhǔn)的IGES數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，將工具和坯料的幾何模型讀人有限元分析系統(tǒng)中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對覆蓋件成形模擬分析可用BT殼單元對幾何模型進(jìn)行離散，建立零件的有限元網(wǎng)格模型，由于采用真實(shí)拉延筋和工藝補(bǔ)充面形狀復(fù)雜，有限元網(wǎng)格模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)很大，其節(jié)點(diǎn)數(shù)為118778,單元數(shù)為127778。并進(jìn)而建立一個(gè)模具的有限元網(wǎng)絡(luò)模型的裝配，如圖3所示。這是一個(gè)典型的雙動拉延模，板坯首先放在凹模上并定好位置，板料在重力作用下會有一定的下垂，即重力效應(yīng)；然后壓料圈在壓力機(jī)外

8、滑塊作用下下行完成壓邊成形過程，接著凸模在壓力機(jī)內(nèi)滑塊作用下下行完成拉延成形過程。2、板坯及其材料性能參數(shù)關(guān)于毛壞形狀，應(yīng)優(yōu)先采用方形或方形切角，這樣可以減掉落料模具；然后是有一定規(guī)則形狀的毛坯，這樣既可簡化落料模具結(jié)構(gòu)，又給優(yōu)化毛坯排樣提高材料利用率提供了良好的基礎(chǔ)；最后是任意形狀的毛坯。目前也有考慮套裁和組合成形技術(shù)，并有成功應(yīng)用實(shí)例。在數(shù)值模擬分析的前處理中，對板坯進(jìn)行網(wǎng)格劃分，板坯外形尺寸為1550*1770，考慮到制件左右對稱，在定義好對稱面后只需對其一半進(jìn)行求解計(jì)算。雖然板坯初始網(wǎng)格單元數(shù)為1736，同樣由于采用真實(shí)拉延筋和工藝補(bǔ)充面形狀復(fù)雜，尤其是小的圓角，所以基于自適應(yīng)精化網(wǎng)格

9、技術(shù)的AutoForm自動根據(jù)板料變形情況進(jìn)行網(wǎng)格重劃分，到拉延結(jié)束時(shí)板料網(wǎng)格自適應(yīng)精化級別達(dá)到5級，所需單元數(shù)達(dá)到1759014，實(shí)用單元數(shù)達(dá)到1777644。材料的性能參數(shù):屈服強(qiáng)度s=162.86MPa；抗拉強(qiáng)度b=315.35MPa；延伸率=47.17%；強(qiáng)度系數(shù)k=556.08MPa；硬化指數(shù)n= 0.227；0、45、90力一向上的厚向異性指數(shù):分別是1.774、1.842,1.941。3、拉延成形模擬分析和拉延模的調(diào)試（1）第1階段的模擬分析采用非方形毛坯，通過調(diào)節(jié)壓料力和摩擦系數(shù)等沖壓成形工藝條件和參數(shù)，經(jīng)過多次模擬分析直至得到此條件下的最佳拉延成形效果的板料毛坯和成形參數(shù)，結(jié)

10、果如圖4所示?？梢钥闯?A區(qū)破裂，B區(qū)接近破裂，C區(qū)變形剛性不足。/P （2）第2階段的模擬分析為消除C處變形剛性不足，在后側(cè)毛坯采用直線形狀，經(jīng)過模擬分析其結(jié)果如圖5所示。可以看出，由于毛坯形狀的變化和壓料力的降低，A區(qū)破裂有所緩解，召區(qū)情況未變，C區(qū)由變形剛性不足到由于材料流動困難而破裂:但破裂區(qū)域在修邊線以外，而且修邊線以內(nèi)的有效區(qū)域得到了充分良好的變形，后一點(diǎn)正是所希望的。（3）第3階段的模擬分析在第2階段模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步嘗試采用規(guī)則的方形毛坯，這樣就不需要落料模。經(jīng)過模擬分析其結(jié)果如圖6(a)所示。結(jié)論:采用規(guī)則方形毛壞是可行的，前提是消除A,B,C處的破裂。減少壓料力和降低

11、模具表而摩擦，雖能消除破裂，但制件變形很不充分局部甚至起皺，如圖6(b)。大多數(shù)處于兩種情形之間，如圖6(c)。從上述模擬分析情況也可以同時(shí)得出以下結(jié)論。（1）C區(qū)是最易破裂部位，其次是.4區(qū)、B區(qū)；若采用減少壓料力等則C區(qū)仍破裂,A區(qū)、B區(qū)破裂消失，D區(qū)成為變形不足的部位，D區(qū)變形不足甚至局部起皺。（2）必須進(jìn)一步采取一些修模措施，改變材料的流動情況，使C；區(qū)的材料加快流動，使D,E區(qū)的材料減緩流動，達(dá)到材料均勻流動和變形充分、均勻的目的。五、現(xiàn)場調(diào)試根據(jù)上述拉延成形模擬分析的結(jié)果，可以很容易地找到模具調(diào)試方案。如圖7所示，由于沿周工藝補(bǔ)充面拉延包過高，并且R太小，使材料流人困難，過高的筋同

12、時(shí)也意味著材料的局部劇烈形狀變化，導(dǎo)致在拉應(yīng)力作用下失穩(wěn)破裂?，F(xiàn)場實(shí)沖結(jié)果如圖8所示。按上述分析，首先降低壓料面及凹凸模具表面粗糙度，用砂輪機(jī)修整以降低沿周拉延包的高度，同時(shí)適當(dāng)放大破裂區(qū)域部位的凹模圓角半徑，以便于材料的流動，消除破裂。現(xiàn)場最終的實(shí)際調(diào)試結(jié)果是:C區(qū)拉延包高度最大處降低約15mm，兩側(cè)及角都降低約5mm；為了消除B區(qū)仍存在的局部材料過度變薄和微小裂紋，將角部凹模R由R5修磨到R10，徹底消除了微裂紋。模具經(jīng)上述實(shí)際調(diào)試后結(jié)合CAE提供的沖壓工藝參數(shù)進(jìn)行試沖的結(jié)果如圖9所示，得到了完全合格的拉延件。從上述過程可以看出，采用數(shù)值模擬技術(shù)來進(jìn)寸拉延成形分析，并進(jìn)而在模具制造調(diào)試時(shí)提供量的數(shù)據(jù)和判據(jù)，指導(dǎo)模具調(diào)試，這是縮短制模周期、提沖壓件成形質(zhì)量的一個(gè)非常重要的手段。若在模