汽車覆蓋件低熔點試制模具的開發(fā)與仿真

2016-11-11 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

當今,各大汽車設計單位普遍采用的是快速制模的方法來制造車身覆蓋件樣件,主要采用的方法有:低熔點合金模具、聚胺脂模具、金屬噴涂制模、基于離散型面的無模沖壓等。其中,低熔點合金模是利用聚氨酯材料母模,用低熔點合金直接澆注出凹模和壓邊圈的模具。其主要流程如圖1所示。

圖1 模具開發(fā)流程

基于Autoform的試制模具設計cae仿真技術

世界上大的汽車集團的車身開發(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。國際上通行的軟件主要有美國eta公司的Dynaform、法國ESI集團的PAM系列軟件、德國AutoForm工程股份有限公司的AutoForm,國內有吉林金網(wǎng)格模具工程研究中心的KMAS軟件、北航的SheetForm、華中科技大學的Vform等。其中AutoForm的特點是:

1)提供從產(chǎn)品的概念設計直至最后的模具設計的一個完整的解決方案,其主要模塊有User-Interface(用戶界面)、Automesher(自動網(wǎng)格劃分)、Onestep(一步成形)、DieDesigner(模面設計)、Incremental(增量求解)、Trim(切邊)、Hydro(液壓成形),支持Windows和Unix操作系統(tǒng)。

2)適合于復雜的深拉延和拉伸成形模的設計,沖壓工藝和模面設計的驗證,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、復合板)的評估和優(yōu)化。

3)在算法上快速、有效、可靠。最新的隱式增量有限元迭代求解技術不需人工加速模擬過程,與顯式算法相比能在更短的時間里得出結果;其增量算法比反向算法有更加精確的結果,且使在FLC失效分析里非常重要的非線性應變路徑變得可行。即使是大型復雜制件,經(jīng)工業(yè)實踐證實是可行和可靠的。

4)求解速度快、界面友好、易于上手、對復雜的工程應用也有可靠的結果。AutoForm能直接由設計師來完成模擬,不需要大的硬件投資及資深模擬分析專家,其高質量的結果亦能很快用來評估,在縮短產(chǎn)品和模具的開發(fā)驗證時間、降低產(chǎn)品開發(fā)和模具成本、提高產(chǎn)品質量上效果顯著,對沖壓成形的評估提供了量的概念,給企業(yè)帶來明顯的競爭優(yōu)勢和巿場機遇。

基于Autoform的試制模具cae仿真

模具形面設計

模具的工藝補充面可以根據(jù)圖2步驟予以實現(xiàn)。

圖2 基于Autoform 模具設計流程

Onestep驗證:在檢查零件有無沖壓負角后,檢查零件拔模角,一般不小于5~7°。在Onestep功能中,先對孔洞和間隙進行填充,棱邊進行倒圓處理,再根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù),或產(chǎn)品+壓料面,或產(chǎn)品+壓料面+工藝補充面等進行計算,求得最小毛坯、皺紋及裂紋等缺陷、FLD、材料伸長量和厚度減薄率等參數(shù),并以此來判斷是否需要進一步做模具設計。以Autoform4.0為例,最為重要的是設定processor/restrain的值,它的大小表徵了材料在成形過程中所受變形抗力的大小。一般而言,通過restrain值可以間接知道覆蓋件模具的壓料筋強弱。如果安全區(qū)域能覆蓋零件表面的2/3,則在今后的模具設計過程中可以通過調整工藝補充面和拉沿筋尺寸來實現(xiàn)零件的op20工序目的。

模擬中起皺和破裂判斷的依據(jù)是:在薄板沖壓成形中,壓縮失穩(wěn)為導致起皺的主要表現(xiàn)形式,以單元增厚率判斷起皺;拉伸失穩(wěn)局部頸縮為導致破裂的主要表現(xiàn)形式,以成形極限圖(FLD)判斷破裂。

確定沖壓方向:模具以無沖壓負角為第一優(yōu)先原則,根據(jù)平均法向原則、最小拉伸原則、最小沖壓質量差原則來確定沖壓方向。沖壓方向的選擇還與材料的平衡變形有關。Autoform除了可以自動將數(shù)據(jù)按照沖壓方向定義要求轉動外,還可以自動表明型面沖壓危險區(qū)域。

確定壓料面:壓料面(binder)的確定以平滑光順為原則,考慮到拉延深度、壓料面輪廓線光順、面輪廓規(guī)整等原則,Autoform將自動生成壓料面。壓料面的形成是輪廓樣條曲線來控制的,因此確定壓料面與工件擬合程度的輪廓樣條曲線的調整是關鍵所在。在試制模具中,為了便于提高加工速度,壓料面最好是做成平面或單曲率曲面。對于Autoform,除了可以通過定義參數(shù)自動生成壓料面外,還可以手動生成控制曲線,形成壓料面。

確定工藝補充面:在壓料面形成后,考慮板料的成型以及后續(xù)工作的工藝性,從原始數(shù)據(jù)型面做工藝補充面至壓料面。在Autoform中工藝補充面由相關的幾對參數(shù)決定,改變一個參數(shù)有可能會影響到其它參數(shù),因此在Autoform中補出理想的工藝補充面是一件非常繁瑣的工作。

Autoform在壓料面和工藝補充面生成上的優(yōu)勢在于:幾何感強,便于直觀評價;全參數(shù)化,便于修改;與Onestep和Incremental求解完全集成;通過2D模擬完成工藝補充輪廓的優(yōu)化處理,自動和交互式地完成工藝補充面。

確定拉沿筋:布置拉延筋不僅需要考慮調整板材在成形過程中局部的流動速度,還需要考慮后續(xù)修邊和拉延時可能產(chǎn)生的問題。在模具工藝設計時,Autoform提供的是等效拉延筋的概念,但是在模具結構設計中,拉延筋的具體幾何尺寸如:凹筋轉角半徑、凸筋高度、凸筋轉角半徑、凸凹筋之間間隙等由Autoform專門模塊提供。

基于Autoform的計算、效核

模具設計完后要進行沖壓模擬。Autoform使用的是Incremental 模塊,根據(jù)增量法原則,對模具工藝方案進行反覆優(yōu)化模擬或進行選擇性模擬,全面討論模具工藝性設計。

它使用許多現(xiàn)代模擬cae仿真技術,如應用新的隱式有限元算法保證求解的迭代收斂;彎曲效應的考慮利于求解回彈;采用自適應網(wǎng)格、時階控制、復雜工具描述的強有力接觸算法、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確;新的切割算法來增加精度。

它還融入了許多工程應用技術,如,等效拉延筋阻力模型可以考慮板料經(jīng)過拉延筋時的彎曲、反彎曲效應,拉延筋的幾何模型針對不同的材料會產(chǎn)生不同的摩擦系數(shù)。該軟件的材料參數(shù)庫開放性強,除了包括美國、日本及歐洲的上百種廣泛使用的材料數(shù)據(jù)庫之外,可以自行建立適應用戶需要的參數(shù)庫。

Autoform的Incremental在模擬過程中有很多優(yōu)勢,如:速度快,對于一副前蓋的模具模擬時間只要2~3小時;準確,根據(jù)實際經(jīng)驗,模擬的相似度可達70%左右;可以詳細的表徵有關的模擬量,如,破裂、變薄、伸長、起皺,成形極限圖FLD、材料流入量、滑移和沖擊線、成形力等;可以完整的模擬沖壓全過程,如,重力下滑、壓邊、拉延、切邊、整形等。

圖3是一副模具模擬后的沖壓件狀態(tài)圖。圖中可見變形充分區(qū)域(綠色),變形不充分區(qū)域(灰色),材料撕裂區(qū)域(紅色),材料起皺區(qū)域(紫色)。根據(jù)這些情況,我們可以對模具工藝面或料片大小、開孔數(shù)量和位置、壓料筋強弱位置進行修改。

圖3 模擬變形狀態(tài)圖汽車覆蓋件試制模具的設計

由于Autoform的精度不高,它所生成的工藝補充面大多還需要用CAD軟件根據(jù)它的特徵進行重新構造。試制模具的設計在拉延階段只設計凸模,同時為了提高制造速度,試制模具一般只設計模芯,沒有模架,模具中一般不含斜切機構。

試制模具設計的同時也是數(shù)據(jù)整理的過程。采用統(tǒng)一規(guī)范的CAD數(shù)據(jù),包括從設計到模具加工完畢幾乎所有的信息,這對以后模具制造各個環(huán)節(jié)上的人都有參考作用。

試制模具的凹模、壓邊圈的制造cae仿真技術

低熔點合金模指的是利用母模,用低熔點合金直接澆注出來的模具。通常采用的是一種錫鉍合金(錫52%,鉍48%)作為制模材料,它的熔點為137℃。低熔點材料是一種非常好的快速模具材料,它具有:熔點低,熔化速度快,有利于提高制模效率;在熔化狀態(tài)下流動性好,成模清晰;具有一定的冷脹性,便于固定模具鑲塊及其它部件。但是由于低熔點合金材料強度低(抗拉強度只有60MPa左右),所以對于板厚超過1.5mm的板材就不十分合適了。

將制作完成的凸模放在澆注平臺上,用MCP蠟片作為料厚貼在凸模上。在整個澆注過程中,蠟片貼的質量是澆注成功與否關鍵所在,因其在高溫金屬溶液的沖擊下可能會發(fā)生剝離、起泡、局部熔化的現(xiàn)象,所以一定要注意蠟片的布置和結合處的粘結效果。對于料厚超過1.2mm的蠟片,需按照模具形面結構進行蠟片的分割處理,以使得蠟片附著有力,蠟片與模具之間沒有氣孔。在蠟片貼完后按如圖4形式進行搭建凹模澆注框。

1─淺注框,2─錫鉍合金凹模,3─蠟片,4─凸模,5─壓邊圈(耐高溫泡沫),6─支撐

圖4 凹模淺注框

對于錫鉍合金來說,澆注溫度越高,越易成形,但是由于蠟片熔點只有150℃,所以澆注溫度不能太高,一般在143℃左右。為了提高型面的澆注質量,使得錫鉍合金在澆注后盡快冷卻,還應布置冷卻水道。

最后,再根據(jù)制作成功的凸模和凹模翻制壓邊圈。

試制模具的調試

試制模具能否按期交貨很大程度上取決于試模的順利與否。

同一般模具調試一樣,試制模具在調試時也采用涂色法對凹模與壓邊圈貼合面進行研配,使得接觸面積大于75%,以便真實反映材料成形時的流動過程。其次,對凹模和凸模之間進行涂色研配,以消除加工和安裝誤差。最后,逐步調整模具成形力和壓邊力,以消除零件開裂或起皺現(xiàn)象。由于材料成形是一個復雜過程,調整壓邊力、增大凹模圓角、調整潤滑條件雖然能起到很好的作用,但是有時由于零件本身結構、尺寸的限制,這些方法起到的作用有時不是很明顯。實踐證明調整坯料尺寸或形狀有時也是一種很好的試模方法。

開放分享：優(yōu)質有限元技術文章,助你自學成才