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          沖壓成形CAE分析技術的應用、存在的不足及未來發展方向

          日期: 2022-04-26
          瀏覽次數: 10093

          近幾年,隨著計算機技術和模擬分析軟件的迅速發展,沖壓CAE分析技術已經得到廣泛應用,從產品開發、產品沖壓工藝性分析、DL圖設計、模具調試,一直到沖壓生產性問題的解決。通過模擬分析、虛擬制造,對整個過程進行分析,提前發現問題,分析原因,提出解決方案,進一步改善產品、優化工藝方案,創新工藝方案。因此避免了大量的設計、制造缺陷,提高了產品質量,節省了大量的時間,降低了開發成本。沖壓CAE方面的軟件是比較多的,目前常用的專用軟件有Autoform、Dynaform、Pam stamp。通用性軟件有:MSC.MARC、ABAQUS、ANSYS-DYNA系列等。本文通過一些具體的案例,運用Autoform軟件,介紹CAE分析技術的應用,存在的不足及未來發展方向。


          同步工程


          產品沖壓工藝性分析


          通過CAE分析判定零件的開裂、起皺、沖壓負角、滑移線等缺陷狀態,進一步優化產品。⑴零件不能有開裂、起皺現象(圖1),否則需要更改產品。⑵產品不能存在沖壓負角,需要優化。確定沖壓方向后,軟件自動計算出哪些地方存在沖壓負角,并通過顏色顯示出來。圖2所示的紅色區域存在沖壓負角。⑶某車型發罩外板拉延件的棱線在拉延過程中有5mm的滑移線,但沒有滑出圓角,滿足工藝要求,如圖3所示。


          沖壓工藝方案規劃


          通過全流程的CAE分析,確定工藝方案,包括拉延、翻邊、整形、修邊和沖孔方向、回彈等,通過優化產品,縮短工序,減少模具數量,降低模具投資。


          材料成本控制


          ⑴確定材料牌號。選擇不同的材料,進行CAE分析,對結果進行分析、判斷,確定產品合適的材料牌號,降低材料成本。

          沖壓成形CAE分析技術的應用、存在的不足及未來發展方向


          圖1 CAE分析判定零件的開裂、起皺

          圖2沖壓零件存在負角

          圖3某車型發罩外板拉延件棱線滑移

          圖4沖壓工藝方案規劃


          ⑵優化板料排樣。通過CAE分析,優化排樣,提升材料利用率,降低成本。某產品的拉延毛坯,料片是凹形形狀,采用矩形板料落料工藝,該產品材料利用率為40.4%;現采用無廢料排樣落料工藝,該產品材料利用率提升到53.7%。


          ⑶廢料利用。圖5(a)為某車型全景天窗頂蓋,圖5(b)為拉延件修邊后產生的天窗口廢料,圖5(c)為頂蓋后橫梁,圖5(d)為頂蓋后橫梁拉延件,用天窗口廢料作為板料。從模擬分析可以看出,此方案可行,頂蓋的材料利用率由43%提升到50%。


          沖壓設備選擇


          ⑴確定板料尺寸。通過CAE分析,確定板料形狀和尺寸,計算出模具大小,判斷壓機工作臺尺寸是否滿足要求。


          以上通過一些實際的案例,介紹了CAE分析技術在模具制造中的應用,我們可以看到,應用范圍已經十分廣泛,為模具行業的快速發展,起到了關鍵的作用。國內大型汽車覆蓋件模具設計已經100%進行CAE分析,優化工藝設計,提前規避風險,使調試問題越來越少,縮短了模具制造周期,提高了模具質量。隨著汽車輕量化的要求,高強板、鋁合金板的應用越來越多,如何解決回彈問題,已經是制約模具制造的瓶頸,如何克服這一難關,已經是擺在我們技術人員面前的一道難關。CAE分析技術向著精確計算的方向發展,結合現場的成功經驗,指導模具設計加工制造,仍是未來幾年的發展方向。


          ⑶通過全流程的CAE分析,確定工序數量,選擇合適的壓力機生產線。


          CAE分析技術在沖壓工藝設計中的應用


          全流程的CAE分析技術


          圖6為某車型背門內板CAE分析過程,對成形過程進行詳細分析。分析拉延是否存在缺陷并進行優化,合理布置拉延筋,確定板料尺寸;判斷修邊沖孔方向是否合理;選擇合理的翻邊沖壓方向;分析回彈狀態等。


          沖壓工藝方案的創新


          同一個產品可以有不同的沖壓工藝方案,之間的差別十分顯著。如果采用常規工藝方案,沒有風險;如果采用創新的工藝方案,效益顯著,但可能帶來巨大的風險。此時非常需要進行CAE模擬分析,對沖壓工藝方案進行判斷。


          用成形工藝代替拉延工藝


          ⑴左/右連接板,形狀對稱,材料DC52D+Z-60/60,料厚1.4mm,常規沖壓工藝方案,左右件對接,一模雙件,拉延工藝。五道工序,分別為:拉延、修邊沖孔、修邊沖孔、翻邊、側翻切開。創新工藝方案,左右件對接,一模雙件,成形工藝,三道工序,分別為:落料沖孔、成形、修邊沖孔切開,如圖7所示。

          沖壓成形CAE分析技術的應用、存在的不足及未來發展方向


          圖5廢料利用

          圖6某車型背門內板CAE分析過程

          圖7創新工藝方案

          圖8 CAE模擬圖和實際成形圖


          對成形工藝進行CAE分析,主要針對成形工序進行分析,如圖8所示,沒有起皺開裂的現象發生,圖8右圖所示為實際生產的成形件,成形工藝方案取得了成功。采用新工藝,節省兩套模具,模具結構也很簡單,產品質量好,而且材料利用率提升6%。提高了產品質量,降低了模具投資,減少了材料成本、生產成本,效果十分顯著。


          ⑵轎車背門外板上部、下部對接拉延工藝。背門外板上部、下部常規工藝方案,不在同一套模具加工,每個產品一般為4道工序。為了降低投資,提高效率,創造性的提出轎車背門外板上部、下部對接拉延工藝,采用一張板料,4道工序。圖9(a)為背門外板上部、下部產品形狀,圖9(b)為背門外板上部、下部對接拉延件造型。通過CAE分析,可以看到,沒有產生起皺開裂的缺陷,滑移線在合理的范圍內,沒有產生沖擊線,因此方案可行,已經批量生產。

          沖壓成形CAE分析技術的應用、存在的不足及未來發展方向


          圖9轎車背門外板上部、下部對接拉延工藝


          ⑶汽車外表面件型面補償技術。板材在成形后,一般都要發生回彈,特別是外表面件,由于形狀平緩,結構強度弱,變形不充分,發生回彈。高強度板零件、鋁合金板材成形后,回彈也比較大,尺寸超差嚴重,造成模具多次整改,成本很高。現在模具廠家試圖通過CAE分析進行回彈預測,通過回彈補償技術解決這一難題,也有不少成功的案例。某轎車頂蓋回彈補償值和CAE分析結果,實際結果與分析結果比較接近,試模一次成功。


          影響回彈的因素很多,有工藝、材料、凸凹模間隙、設備噸位、產品形狀、模具制造精度等,型面補償技術,目前多數模具廠家采用CAE模擬分析和經驗相結合的方式進行,還不夠成熟,還沒有完全改變多次試模的狀態。


          CAE技術在模具調試中的應用


          前門內板角部起皺問題的解決


          圖10(a)為前門內板起皺區域,(b)為產品加筋位置形狀。角部拉延起皺,增大進料阻力,則開裂。最后確定更改產品,加筋吃皺、形狀尺寸位置,既要考慮將皺吃掉,又要滿足造型美觀的要求。經過詳細的CAE分析,確定了產品加筋的形狀位置,并且一次更改成功。

          沖壓成形CAE分析技術的應用、存在的不足及未來發展方向


          圖10前門內板角部起皺問題


          某車型左右地板連接板成形起皺問題


          該產品左右件不完全對稱,左右件對接拉延成形后,在中間切開,圖11所示區域起皺明顯。在中間工藝補充部分增加一條筋,經過CAE分析,起皺消除。采用該方案,模具更改一次成功。

          沖壓成形CAE分析技術的應用、存在的不足及未來發展方向

          圖11左右底板連接板成形起皺


          CAE分析技術在內高壓成形工藝中的應用


          圖12(a)為某轎車前副車架主管的產品形狀,(b)為工藝流程圖,(c)為CAE分析的成形性,(d)為CAE分析的管的壁厚分布。調試過程中出現的問題,與分析過程很接近,通過調整工藝參數,得到合格的產品零件,模具調試比較順利,已經批量生產。


          沖壓成形CAE分析技術的應用、存在的不足及未來發展方向


          CAE分析技術在熱沖壓成形中的應用


          圖13(a)為某車型前底板中通道,鋼板厚度為0.9mm,材料為USIBOR1500P,(b)為CAE分析模型,其中包括上模、下模和板料。(c)為CAE分析的壁厚分布,(d)為熱成形零件(激光切割前)。該零件在調試期間并沒有出現開裂和起皺缺陷,調試過程比較順利,已經批量生產。

          沖壓成形CAE分析技術的應用、存在的不足及未來發展方向




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