基于AutoForm的回彈補償設(shè)置流程

2017-06-09 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

展望21世紀,隨著汽車、航空航天工業(yè)的迅速興起,大型制造企業(yè)市場競爭日趨激烈,對沖壓件的快速設(shè)計和制造也提出了更高的要求。僅僅依靠工程設(shè)計人員的經(jīng)驗來制造沖壓產(chǎn)品的方式顯然已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)需求了。如何實現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、短周期的產(chǎn)品開發(fā)是贏得這場競爭的關(guān)鍵。沖壓成形數(shù)值模擬技術(shù)是解決這一問題的主要手段,它將定性的經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為定量的模擬,基于沖壓成形理論,把廣泛應(yīng)用的訣竅和經(jīng)驗融入到CAE數(shù)字化仿真中,方便地求解工藝及模具設(shè)計涉及的復(fù)雜板料成形問題,準確地預(yù)測沖壓成形結(jié)果,很多制造企業(yè)已經(jīng)將同步工程作為產(chǎn)品開發(fā)制造的重要環(huán)節(jié)。

目前世界各大汽車公司對板料沖壓成形模擬的投入都相當(dāng)重視,歐美、日本等發(fā)達國家在主要汽車覆蓋件開發(fā)過程中全部都要經(jīng)過仿真分析。在國內(nèi),北京航空航天大學(xué)、一汽集團、上海大眾、上海寶鋼和上海交大汽車工程研究所等單位,開展了汽車覆蓋件沖壓成形動態(tài)仿真的工業(yè)應(yīng)用探索,先后完成了紅旗轎車、Santana系列轎車等若干覆蓋件的沖壓仿真分析與試驗分析,開展了汽車板成形性能等方面的研究。二汽、長安汽車公司都采用了計算機模擬仿真技術(shù)進行模具設(shè)計、優(yōu)化沖壓工藝、零件沖壓成形性能等方面的研究工作。

常用板料成形模擬軟件有:AutoForm、DynaForm、Dyna-3D、Marc、Pam-Stamp、Amsys、Abauqs、Robust、Mar等。其中AutoForm軟件以計算速度快,容易操作等優(yōu)點在汽車行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)大型汽車企業(yè)也相續(xù)引進AutoForm軟件來優(yōu)化工藝方案和進行復(fù)雜的模面設(shè)計。然而,有一個合適的軟件是一回事,正確使用這個工具是另一回事,用戶必須熟悉軟件的功能原理才能有效地駕馭它。以AutoForm軟件為平臺的論著不勝枚舉,但目前為止,尚沒有一部完整地從基礎(chǔ)到高級應(yīng)用的書籍。絕大部分書籍都是側(cè)重于軟件的基礎(chǔ)介紹或某些功能模塊的論述操作,并未注重與沖壓工藝本身的結(jié)合,僅能作為軟件操作說明書使用。對汽車企業(yè)專業(yè)模具設(shè)計和工藝設(shè)計人員來說,這類著作不免有些欠缺專業(yè)理論的指導(dǎo)和可借鑒的優(yōu)化經(jīng)驗。

因此,對專門從事沖壓相關(guān)的工程人員來說急需一類專業(yè)的CAE分析指導(dǎo)書籍,《AutoForm原理技巧與戰(zhàn)例實用手冊》由一組長期從事汽車車身覆蓋件的CAE分析的專業(yè)人員編寫。由淺入深的介紹了AutoForm軟件的基本操作及沖壓成形模擬最新的方法原理;更重要的是,該書作者長期工作在汽車覆蓋件制造第一線,具有豐富的實踐經(jīng)驗,對沖壓成形中的各個難點問題有獨特的解決方法與經(jīng)驗。本書的閱讀對象是可以是從事于沖壓加工,模具設(shè)計的專業(yè)人員以及準備進入這個領(lǐng)域的初級學(xué)員,還可以作為高校研究板料沖壓原理和工藝可制造型分析的老師和學(xué)生的指導(dǎo)書。

本書系統(tǒng)的闡述Autoform在沖壓成形、液壓成形、熱成形等多個領(lǐng)域的應(yīng)用范例;涵蓋了從沖壓件開發(fā)、成本計算、工藝開發(fā)、模具制造到零件生產(chǎn)的整個產(chǎn)品開發(fā)流程中各個重要專題;創(chuàng)造性地提出了基于AutoForm的板金件工藝設(shè)計與優(yōu)化、料片展開及排樣、回彈分析及型面補償計算、零件穩(wěn)健性分析與優(yōu)化以及模具表面防護等諸多方面的實際應(yīng)用方法、原理和技巧;涉及沖壓成形中多個難點問題解決,如切邊線精確展開、科學(xué)的模具成本計算和可靠的模具型面回彈補償?shù)?。這些成果不僅反映了當(dāng)前沖壓成形數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用的最新研究進展。

本系列連載不能一一羅列該書中的所有內(nèi)容,預(yù)定分3篇對《AuoForm原理技巧與戰(zhàn)例實用手冊》中涉及難點、熱點及經(jīng)驗總結(jié)進行介紹。

首先對沖壓成形中最普遍的讀者最關(guān)心的的難點問題——回彈分析與補償計進行闡述,該模塊概述了回彈補償基本原則和補償策略、詳細介紹了基于Autoform的回彈補償設(shè)置流程。

其次,關(guān)于沖壓模具工藝過程穩(wěn)健性分析與應(yīng)用,在有關(guān)AutoForm軟件介紹的書籍中較少提及,本次連載后續(xù)也將對如何用AutoForm獲取一個與實際生產(chǎn)波動相符的模擬結(jié)果,如何在產(chǎn)品和模具設(shè)計早期就關(guān)注沖壓的穩(wěn)健性問題進行專題介紹。

最后,如何以最經(jīng)濟的模具成本來滿足不同的產(chǎn)量要求關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟效益?！禔utoForm原理技巧與戰(zhàn)例分析實用手冊》作為一本實用性的書籍,從工序的合理布置到模具成本計算做了全面的介紹,為沖壓零件開發(fā)、科學(xué)地計算模具成本和有效降低模具成本提供幫助。

從本期開始,將逐一對以上三個讀者普遍關(guān)心的模塊進行詳解。

回彈分析及補償背景

回彈現(xiàn)象是汽車白車身沖壓成形不可避免的問題。隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展,對沖壓件的精度要求越來越高,特別是高強度鋼、鋁合金板材的大量使用,回彈問題顯得更加突出,成為汽車工業(yè)領(lǐng)域的熱點問題。通過對沖壓成形數(shù)值模擬,可以在設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)并提出問題、了解回彈分布、獲得回彈補償,對減小回彈具有重要指導(dǎo)意義。

本文結(jié)合AutoForm軟件介紹了回彈分析及補償計算的流程、規(guī)律以及經(jīng)驗性東西。

1 成功回彈計算與補償?shù)?個原則

一個成功的回彈補償很大程度上依賴于前期準備,要取得一個較小的回彈偏差值,需要輸入精確的數(shù)據(jù)模型和工藝過程條件。結(jié)合AutoForm軟件特點和實際的工程應(yīng)用,總結(jié)出成功回彈計算與補償?shù)?個基本原則,以獲得正確的回彈模擬結(jié)果,指導(dǎo)實際的生產(chǎn)。5個基本原則如下:

原則一:要保證合理的模具工藝規(guī)劃和正確合理的模擬結(jié)果;

原則二:按照校核模擬設(shè)置(Final validation)要求設(shè)定參數(shù);

原則三:合理的回彈評估;

原則四:保持工序過程的穩(wěn)健性;

原則五:按照補償策略進行補償。

2 回彈補償策略

根據(jù)工程應(yīng)用經(jīng)驗,在這里一共總結(jié)出了三個回彈補償策略,即補償所有模具、僅補償拉延模具和對各個模具進行不同的補償。

這三個補償策略均按照圖1的全工序模擬過程進行介紹,OP20~OP50全工序模擬的模具模型按照零件模型(圖1中綠色形狀)進行制作。

圖1 全工序過程

2.1 補償策略一:補償所有模具

回彈補償基于最后的工序,基于OP50的回彈結(jié)果對所有的模具進行同樣的補償。該補償策略是大多數(shù)零件模具的補償方式,到最后一序工作結(jié)束后,零件回彈到零件的形狀。

2.2 補償策略二:僅補償拉延模具

回彈補償基于最后的工序,基于即用OP50的回彈結(jié)果僅對OP20拉延的模具進行補償,其他工序均不補償。該補償補償策略是在OP20拉延回彈后和OP50整形回彈后相比較回彈量相接近,這樣按照OP50之后的回彈補償OP20的模具,OP20拉延完成經(jīng)回彈就達到產(chǎn)品的形狀。

2.3 補償策略三:對各個模具進行不同的補償

對各個模具進行不同的補償是根據(jù)實際情況進行量身定做(Tailor-made)的補償策略,即用基于OP50的回彈結(jié)果并考慮定位附加變形對OP20拉延的模具進行補償,但其他工序按照后工序外形定位補償原則。

圖2 零件在不同定位狀態(tài)下的干涉與回彈情況

1)拉延?？s放

當(dāng)零件完成OP20拉延向后續(xù)定位時,如果按照實際考慮零件的傳送、重力和變形時,零件會和后續(xù)的下模干涉,這樣當(dāng)壓料板和下模閉合時,零件會產(chǎn)生附加變形,如圖2所示,這樣會影響回彈分析結(jié)果。圖3顯示的是零件在不同定位狀態(tài)下的干涉與回彈情況。這兩張圖表明,零件如果在傳送和重力的作用下發(fā)生變形,這樣使零件在定位時產(chǎn)生影響,零件會產(chǎn)生附加變形,回彈量也加大。

這樣必須考慮辦法減小或消除這種對回彈不利的因素,這里采用的辦法是將OP20的拉延模型放大,如圖3所示,從圖中可以發(fā)現(xiàn)零件和OP30的下模干涉消除,零件的回彈顯著減小。

圖3 OP20拉延模放大

2)后工序外形定位補償

后工序外形定位補償是指在OP20拉延工序完成后發(fā)生回彈,如果后工序(大多數(shù)情況是指切邊工序)的型面還是按照零件模型設(shè)計,這樣零件就會和后工序的模具形狀不符合,如果OP20拉延工序發(fā)生嚴重的回彈,零件放置在后續(xù)工序上經(jīng)過壓料板閉合后會發(fā)生嚴重的附加變形。這樣就需要對后工序的模具型面按照OP20回彈的型面進行補償,即正補償。

因此后工序外形定位補償?shù)哪康氖潜苊饬慵诤蠊ば驂毫习彘]合時產(chǎn)生附加變形,主要應(yīng)用在拉延后產(chǎn)生回彈較大的情況。

后工序外形定位補償實現(xiàn)方法:第一步是拉延模擬后計算回彈結(jié)果;第二步后工序應(yīng)用AutoForm的回彈補償模塊以拉延模做參考模具進行補償因子為-1的補償。

3 獲得準確回彈補償?shù)牟襟E

進行準確回彈補償?shù)牧鞒虉D,如圖4所示,包括9大步或15小步。本節(jié)將分兩個方面,即精確的回彈模擬和有效的回彈補償分別進行介紹。

3.1 精確回彈模擬

精確回彈模擬包括第一步至第五步,即:

第一步:獲取正確合理的成形模擬結(jié)果。滿足原則一的要求,使用AutoForm進行一個成形工序的開發(fā)與優(yōu)化,進行工序構(gòu)思和拉延模型制作,并考慮優(yōu)化所有工藝參數(shù)和測量檢具的夾持條件。在進行回彈之前,零件必須是能滿足最終質(zhì)量要求:無開裂/無起皺/最終料片形狀,所有工序條件(拉延筋位置/切邊操作/斜楔操作)能夠在現(xiàn)實中實現(xiàn)。模擬步驟:

1)模型/工具定義。檢查模具網(wǎng)格在90度的R角上保證至少有8個單元。

2)料片定義。設(shè)置料片形狀、材料數(shù)據(jù)和軋制方向,并檢查材料性能參數(shù)等。 3)工序過程定義。設(shè)置拉延筋和工序過程,檢查切邊線、沖孔和方向的設(shè)置是否合理,壓邊力是否合理,切邊/沖孔順序是否合理(考慮應(yīng)力釋放順序) ,進行運動干涉檢查(kinematical check)和模具穿透檢查(檢查模具間隙),檢查行程設(shè)置是否合理。

4)模擬結(jié)果評估。模擬結(jié)果的評價包括成形性(Formability)開裂分析、厚度分布、起皺檢查(目測)、棱線滑移線和凹模入口R角沖擊線、壓邊圈閉合情況、材料流入量(Draw-in)、壓邊圈壓力分布以及模擬收斂性檢查(拉延、成形與翻邊工序應(yīng)小于40個迭代步)等。

圖4 進行準確回彈補償?shù)牧鞒虉D

第二步:回彈模擬。按照原則二進行回彈模擬的控制參數(shù)設(shè)置,需檢查回彈計算的收斂行為(Convergence behavior)。一般不用自由約束回彈,應(yīng)采用約束條件下進行回彈計算,約束應(yīng)盡可能的少并和實際相一致;定義參考模型和夾持方案(注意夾持面的選取:上表面/中層面/下表面,夾持點定義采用映射原始點) 。

第三步:回彈評估。對夾持方案進行分析評估,確認其是否合理,查夾頭和導(dǎo)向銷的夾持力和作用力(應(yīng)小于30牛),以確認是否存在附加變形和位置偏移。確認參考面的位置是否正確,回彈結(jié)果距離正確的判斷和分析(節(jié)點到參考面的法向)。

第四步:過程穩(wěn)健性分析。定義工序環(huán)境(輸入變量) à根據(jù)不同的輸入變量的變動計算出多個模擬結(jié)果à評估分析工序過程的影響和敏感性。注意:工序穩(wěn)健性主要考慮成形性和回彈是否穩(wěn)定。

第五步: 工序與過程優(yōu)化。如果全工序模擬過程中,零件的成形性存在問題,如開裂、起皺等,或者回彈不穩(wěn)定,這就需要進行工序優(yōu)化或過程參數(shù)優(yōu)化,如修改工序參數(shù)的設(shè)置、模具造型或零件造型等。

3.2 有效的回彈補償

有效的回彈補償包括第六步至第九步,即:

第六步:確定補償策略。討論分析各個工序的回彈特點,按照原則五和第2節(jié)定義的回彈補償策略對各個工序模具進行補償。

第七步:補償模具型面。按照確定的模具補償策略和拉延模具的補償原則進行指定的曲面迭代回彈與補償計算,當(dāng)回彈結(jié)果達到預(yù)定的誤差精度要求時,結(jié)束迭代計算。

在AutoForm中,回彈計算結(jié)束經(jīng)過第一次補償在計算回彈后,可以通過Activator進入下一次迭代補償,注意補償曲面的拔模負角。

第八步:輸出補償結(jié)果。輸出補償?shù)木W(wǎng)格,然后將網(wǎng)格輸入CAD軟件系統(tǒng)進行曲面重構(gòu),盡可能保證重構(gòu)的曲面與補償網(wǎng)格一致。

第九步:再次計算確認模擬結(jié)果。在進行加工之前,對基于補償?shù)闹貥?gòu)CAD模型再次進行模擬計算驗證。驗證合格后,提交給模具設(shè)計和NC編程進行模具的制造。到試模時,進一步的跟蹤和驗證,檢查試模條件和模擬條件的一致性,必要時再做調(diào)整。然后總結(jié)經(jīng)驗,更新模具補償策略,為后續(xù)的模具回彈補償提供經(jīng)驗支持。至此整個回彈補償?shù)墓ぷ鹘Y(jié)束。

4 結(jié)束語

本文基于AutoForm的回彈分析及補償計算的操作,結(jié)合實際生產(chǎn)中的經(jīng)驗,總結(jié)了回彈分析及補償計算的5個原則,這是獲得可信回彈及補償結(jié)果的基本條件。在此基礎(chǔ)上本文介紹了回彈補償?shù)牟呗院瞳@得準確回彈補償?shù)木唧w步驟,對實際模具制造和零件生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

參考文獻

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