【文章內(nèi)容簡介】 41圖 52 工件尺寸標(biāo)注在內(nèi)側(cè)的情況 41 圖 53 凸模(俯視)三維模型 42圖 53 凸模(仰視)三維模型 42 圖 54 凸模座三維模型 43 圖 55 凹模 43 圖 56 壓邊圈 44圖 57 總裝圖 44列表清單VII / 70表 51 凹模圓角半徑與凹模深度(mm) 40表 52 間隙系數(shù) n[10] 401 / 70引 言 發(fā)展汽車，模具先行 [1]。汽車覆蓋件 95％以上為沖壓沖壓產(chǎn)品，只有少量的是注塑產(chǎn)品，因此汽車覆蓋件沖壓成形技術(shù)是汽車車身制造技術(shù)的核心部分，直接影響到車身產(chǎn)品質(zhì)量和整車的開發(fā)進(jìn)程。汽車覆蓋件是汽車的重要組成部分，即是汽車車身的主要組成部分 [2][3]。汽車覆蓋件的特點是：材料薄、尺寸大、形狀復(fù)雜、表面質(zhì)量和精度要求高等。隨著汽車產(chǎn)業(yè)的井噴式發(fā)展，傳統(tǒng)覆蓋件模具的制造方式越來越不適應(yīng)汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的需求，嚴(yán)重阻礙汽車產(chǎn)業(yè)新的發(fā)展模式。工業(yè)的迅猛發(fā)展對仿真軟件的需求越來越迫切。20 世紀(jì) 70 年代末，沖壓成形CAE 仿真軟件開始了商業(yè)化之旅，如 Autoform、 Dynaform 等。這些軟件對板料成形過程中產(chǎn)生的起皺和開裂具有很好的預(yù)測能力 [46]。目前，CAE 分析的準(zhǔn)確性已得到實踐的驗證，板料成形 CAE 軟件在企業(yè)中得到了深入廣泛的運用，已經(jīng)成為板料成形不可或缺的前期預(yù)測工具。通過 CAE 分析可以預(yù)知板料的開裂位置、起皺高度、回彈量以及沖擊線和滑移線的位置等等，這為前期優(yōu)化模具工藝和模具結(jié)構(gòu)提供了可靠依據(jù)，對保證模具質(zhì)量、提高材料利用率、縮短開發(fā)周期、降低鉗工工作量和生產(chǎn)成本具有不可替代的地位。CAE 分析時參數(shù)設(shè)置不合理，板料就會出現(xiàn)起皺、開裂和超過可接受范圍的回彈，這些缺陷的存在說明生產(chǎn)現(xiàn)場極大的存在這種可能性，如果不給予解決，模具生產(chǎn)制造將面臨較大的工作量、較低的效率、和較大的投入等問題。如何快速準(zhǔn)確的利用 CAE 分析軟件尋找到相對最合理的參數(shù)，達(dá)到合理分析板料成形過程中出現(xiàn)的缺陷，提出切實可靠的工藝方案，已成為各汽車模具公司應(yīng)用和研究中直接面對的問題。開裂、起皺和回彈等是在板料成形過程中常見的三種質(zhì)量缺陷，也是金屬板材拉延成形最關(guān)心的問題 [7][8]。主要表現(xiàn)為拉伸失穩(wěn)材料的撕裂、壓縮失穩(wěn)余料的堆積和壓力卸載后應(yīng)力釋放產(chǎn)生的回彈，它們直接影響到板料的成形質(zhì)量和尺寸精度，尤其是拉延工序，其對后序能否順利進(jìn)行以及能否生產(chǎn)出合格的零件至關(guān)重要。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和人民需求的提高，質(zhì)量問題越來越得到人們的重視，許多汽車主機廠的公差要求都在兩絲以內(nèi)，不允許有開裂現(xiàn)象，起皺高度保持在料厚的 2%以內(nèi)，回彈量必須控制在許用公差以內(nèi)，而且要保證沖壓成形后板料的剛度，對與汽車覆蓋件而言，這無疑增加了沖壓模具成形精度要求。第 1 章 緒論 沖壓數(shù)值模擬技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢隨著非線性力學(xué)理論、有限元理論和計算機技術(shù)的發(fā)展，沖壓數(shù)值模擬技術(shù)逐步形成商品化的 CAE 仿真軟件 [9]。隨著 CAD/CAE/CAM 等新興技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得汽車覆蓋件沖壓模具及其工藝設(shè)計近乎全線突破了傳統(tǒng)的設(shè)計思路 [10]。近年來，隨著汽車工業(yè)以超過 20%的增幅發(fā)展，在一定程度上帶動了模具水平的提升，CAE 技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，并取得較好成果 [1112]。目前，人們對沖壓工藝計算機輔助設(shè)計的研究和應(yīng)用已取得豐碩成果 [1317] 。數(shù)值模擬沖壓技術(shù)經(jīng)過五十年的迅速發(fā)展，主要功能有： 1）拉延數(shù)模的快速造型 拉延是汽車覆蓋件沖壓模具的首序，客戶發(fā)來的數(shù)模一般是產(chǎn)品造型，需要進(jìn)一步的添加零件的工藝補充方能實現(xiàn)零件的加工，即需要進(jìn)一步造型。在常用的UG、Catia 等三維軟件里建立其工藝數(shù)模速度慢、工藝合理性很難保證，在Autoform、Dynaform 等板料成形仿真軟件有幾何構(gòu)型模塊，具有快速生成較合理的工藝補充面功能，可以迅速造出凸模、凹模、壓邊圈、余肉等 [8]。該系列軟件通常采用參數(shù)驅(qū)動的模式，可以針對數(shù)模中不合理部位局部快速進(jìn)行修正。2）全工序數(shù)值模擬沖壓過程汽車覆蓋件產(chǎn)品成形需要一般需要三到四個工序，常見的主要成形工序有：拉延、修邊、整形、沖孔等四種工序 [12]。在沖壓數(shù)值模擬成形 CAE 軟件中均可對各工序進(jìn)行模擬仿真，此外還可以對任意一序的回彈量進(jìn)行仿真及做回彈補償。此外，目前不但可以進(jìn)行冷沖壓數(shù)值模擬，而且沖壓熱成形技術(shù)也逐步走向成熟，在國內(nèi)一些知名模具公司已經(jīng)開始探索性應(yīng)用。3）板料成形缺陷的預(yù)測和消除板料成形質(zhì)量缺陷主要有開裂、起皺、回彈、沖擊線、滑移線、剛度不足等，其中開裂、起皺、回彈和剛度不足缺陷均可在數(shù)值模擬后處理云圖中進(jìn)行測量，同時由云圖的色彩直觀的表示出來 [1316]。沖擊線和滑移線可以通過在后處理中添加基準(zhǔn)線，計算機可在短時間內(nèi)計算出其值的方向，同時可以測出各個部位對應(yīng)的各種質(zhì)量缺陷的數(shù)值大小 [7]。預(yù)知這些缺陷，可以在工藝數(shù)模下發(fā)之前從工藝上或結(jié)構(gòu)上針對性的對數(shù)模進(jìn)行優(yōu)化，避免不必要的人力、物力等資源浪費，加速汽車開發(fā)進(jìn)程。 4）板料成形性能的評價金屬板料成形性能是評價汽車覆蓋件沖壓產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，其成形質(zhì)量涉及沖壓成形板料是否有開裂，起皺高度是否在公差許用范圍內(nèi)，回彈量和剛度是否滿足精度要求。其中，沖壓后板料剛度與塑性變形過程中材料的流入量多少直接相關(guān)，以往是憑靠經(jīng)驗值來調(diào)節(jié)板料流入模具型腔的量，人工無法準(zhǔn)確確定沖壓件的剛度大小，數(shù)值模擬中板料流入量可以準(zhǔn)確測量出來，且在后處理的成形性能圖中可以直觀清晰的看到各個部位剛度的好與差 [5]。 沖壓模具 CAE 數(shù)值模擬分析的目的金屬板料沖壓成形是一個大撓度、大變形的塑性變形過程，涉及金屬板料在拉深和拉延的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的塑性流動、塑性強化，以及其引起的起皺、開裂和回彈等問題。同時，沖壓過程也是一個非常復(fù)雜的多體接觸力學(xué)分析問題，其具有材料非線性、幾何非線性和狀態(tài)非線性等較強的非線性 [9]。因此單憑經(jīng)驗很難預(yù)先估計成形質(zhì)3 / 70量合格與否，往往要等到模具加工后試模時才能暴露出來，給模具調(diào)試造成極大困難，甚至導(dǎo)致模具報廢。CAE 參數(shù)設(shè)置不合理，板料就會出現(xiàn)起皺、開裂和超過可接受范圍的回彈，這些缺陷的存在說明生產(chǎn)現(xiàn)場極大的存在這種可能性，如果不給予解決，模具生產(chǎn)制造將面臨較大的工作量、較低的效率、和較大的投入的問題。通過 CAE 分析優(yōu)化覆蓋件沖壓成形工藝設(shè)計，改善沖壓成形技術(shù)，進(jìn)而其控制成形過程是當(dāng)今的研究熱點，也是板料成形技術(shù)發(fā)展的必然趨勢 [16][20]。目前，國內(nèi)沖壓模具 CAE 數(shù)值模擬分析，還主要依賴與經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)置，然后用試錯法進(jìn)行調(diào)試，機時耗費較長，而且參數(shù)設(shè)置合理性很難保證；由于 CAE 分析準(zhǔn)確度不足，導(dǎo)致一套模具都需要三到四輪的整改，而每輪整改的費用高達(dá)上萬元，因此如何快速準(zhǔn)確的設(shè)置 CAE 分析參數(shù)是汽車覆蓋件模具行業(yè)亟待解決的問題，人們對此已展開了大量的研究 [2023]。本課題選題的目的就是如何找到合理的最佳工藝參數(shù)組合，通過優(yōu)化 CAE 數(shù)值模擬分析參數(shù)，從而達(dá)到減少現(xiàn)場整改次數(shù)，降低生產(chǎn)成本，縮短設(shè)計周期，降低工人的勞動強度，推動整車的開發(fā)進(jìn)程。 Autoform 軟件簡介當(dāng)隨著計算機技術(shù)的普及和不斷提高，CAE 系統(tǒng)的功能和計算精度都有很大提高，各種基于產(chǎn)品數(shù)字建模的 CAE 系統(tǒng)應(yīng)運而生，并已成為 PXX 車型側(cè)圍外板結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要工具，它在設(shè)計階段對其進(jìn)行模擬預(yù)測分析，一定程度上保證設(shè)計方案的可行性，使其達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)，其中 Autoform 軟件在這方面尤為突出?，F(xiàn)代汽車和現(xiàn)代模具設(shè)計制造技術(shù)都表明，汽車覆蓋件模具的設(shè)計制造離不開有效的板成形模擬軟件。世界上大的汽車集團，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，國際上的軟件主要有美國 eta 公司的 D，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(nèi)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(xué)的 Vform 等。本文著重探討 Autoform 及其應(yīng)用。Autoform 的特點：一、它提供從產(chǎn)品的概念設(shè)計直至最后的模具設(shè)計的一個完整的解決方案，其主要模塊有 UserInterface(用戶界面 )、 Automesher(自動網(wǎng)格劃分)、Onestep(一步成形)、DieDesigner(模面設(shè)計)、Incremental(增量求解)、Trim(切邊)、Hydro(液壓成形 )，支持 Windows 和 Unix 操作系統(tǒng)。二、特別適合于復(fù)雜的深拉延和拉伸成形模的設(shè)計，沖壓工藝和模面設(shè)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(fù)合板)的評估和優(yōu)化。三、快速易用、有效、 魯棒(robust)和可靠：最新的隱式增量有限元迭代求解技術(shù)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(jié)果；其增量算法比反向算法有更加精確的結(jié)果，且使在 FLC失效分析里非常重要的非線性應(yīng)變路徑變得可行。即使是大型復(fù)雜制件，經(jīng)工業(yè)實踐證實是可行和可靠的。四、Autoform 帶來的競爭優(yōu)勢：因能更快完成求解、友好的用戶界面和易于上手、對復(fù)雜的工程應(yīng)用也有可靠的結(jié)果等，Autoform 能直接由設(shè)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(zhì)量的結(jié)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(zhì)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)勢和市場機遇。在本次設(shè)計中，通過應(yīng)用 CAE 中 Autoform 軟件對 PXX 車型側(cè)圍外板進(jìn)行工藝分析和模擬，建立合理的有限元分析模型。然后對有限元模型進(jìn)行工藝性分析，最后根據(jù)模型與設(shè)計要求，對有限元分析結(jié)果進(jìn)行進(jìn)行判定并設(shè)計合理的方案。在設(shè)計過程中，通過運用 CAE 技術(shù)，可以增加設(shè)計功能，借助計算機分析計算，確保產(chǎn)品設(shè)計的合理性，減少設(shè)計成本。 縮短設(shè)計和分析的循環(huán)周期。 CAE 分析起到的“虛擬樣機”作用在很大程度上替代了傳統(tǒng)設(shè)計中資源消耗極大的“物理樣機驗證設(shè)計” 過程，虛擬樣機作用能預(yù)測產(chǎn)品在整個生命周期內(nèi)的可靠性。 采用優(yōu)化設(shè)計，找出產(chǎn)品設(shè)計最佳方案，降低材料的消耗或成本。 在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題。 模擬各種試驗方案，減少試驗時間和經(jīng)費等。 課題研究的主要內(nèi)容本課題以 Dynaform 作為試驗工具，以某新款車型汽車覆蓋件車門內(nèi)板作為試驗的研究對象，某車型汽車門內(nèi)板 CAD 模型如圖 11 所示，材質(zhì)是 DC06，料厚 。旨在通過軟件模擬該款車門內(nèi)板拉延工序的過程，在沖壓模具圖紙設(shè)計階段，找出模具制造過程中存在的缺陷和不足，提前給予解決，避免不必要的人力和物力的浪費。首先在 Dynaform 中進(jìn)行造型，同時生成必要的工藝補充，設(shè)置拉延成形工藝參數(shù)，采用正交試驗和極差分析，得出拉延成形過程中各工藝參數(shù)分別對汽車車門內(nèi)板各個單一評價指標(biāo)最大變薄率、最大起皺高度和回彈量的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，使用綜合加權(quán)評分對拉延成形進(jìn)行評價，建立目標(biāo)函數(shù)，對實驗結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得拉延工序影響成形質(zhì)量的一組最佳工藝參數(shù)組合；最后實驗與實際對比驗證，找出零件出現(xiàn)問題的原因并給出合理的解決方案。 圖 11 汽車門內(nèi)板零件各章節(jié)主要內(nèi)容如下：第一章、闡述了汽車覆蓋件沖壓模具數(shù)值模擬技術(shù)研究現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢，以及Dynaform 軟件的簡介與本論文的主要內(nèi)容和課題是的研究方案；第二章、論述了某款新型汽車覆蓋件車門內(nèi)板沖壓模具拉延