汽車覆蓋件模具全工序沖壓模擬技術開發(fā)與應用

2017-07-08 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

模具是基礎裝備制造業(yè)的重要組成部分,是制造業(yè)各有關行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級和技術進步的重要保障之一。隨著時代的進步和科技的發(fā)展,過去長期依賴鉗工、以鉗工為核心的粗放型作坊式的生產(chǎn)管理模式,正逐漸被以技術為依托、以設計為中心的集約型現(xiàn)代化生產(chǎn)管理模式所替代。模具制造過程的前移,使調(diào)試問題被提前到加工數(shù)模設計乃至沖壓工藝設計階段解決,已經(jīng)成為當前被廣泛應用的模式。

目前,國際模具領先行業(yè)已廣泛采用CAE 模擬仿真技術,通過前期的仿真模擬,提高模具設計質(zhì)量,減少返工返修時間,提高裝配、調(diào)試的效率,最終縮短調(diào)試周期,降低調(diào)試成本。其模具設計和調(diào)試過程,已經(jīng)真正形成了一個閉環(huán)制造系統(tǒng)。

東風模具是業(yè)界處于領先地位的模具制造商,率先在國內(nèi)對模具全工序沖壓模擬技術做了系統(tǒng)的、全面的開發(fā)與應用,從技術上逐漸縮小與發(fā)達國家模具制造水平的差距,更好地滿足國內(nèi)汽車工業(yè)對高端覆蓋件模具的需求。

一、總體思路

(1)應用虛擬沖壓調(diào)試技術,在沖壓工藝設計階段實現(xiàn)虛擬調(diào)試,提升工藝設計水平,縮短調(diào)試周期。

(2)研究基于AUTOFORM 全工序模擬分析(SIM-MP-TB)技術,改進現(xiàn)有的SIM 工作流程;建立全工序沖壓模擬及回彈補償?shù)募夹g標準(評價標準、經(jīng)驗值、標準作業(yè)書)。

(3)掌握精細化模面修正技術(A 級曲面、間隙和撓度的修正),解決轎車覆蓋件的外觀缺陷。建立外板表面缺陷的判斷基準,建立表面缺陷的歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù),積累經(jīng)驗,減少調(diào)試人員的工作量。

二、主要內(nèi)容及技術方案

1、全工序成形模擬技術

目前,東風模具使用的AUTOFORM是一款由瑞士開發(fā)的專業(yè)薄板成形快速模擬軟件,它采用靜力隱式算法進行求解,采用了全拉格朗日理論,由于對殼單元面內(nèi)和橫向剛度都進行了解耦,消除了剛度矩陣的病態(tài),保證了計算的收斂性,求解速度很快。該軟件可自動進行網(wǎng)格剖分,自動生成和交互修改壓料面、工藝補充部分、拉伸筋、凹模入口線、板坯材料等網(wǎng)格,可以自由選擇調(diào)整沖壓方向,產(chǎn)生工藝切口,模擬重力作用、壓邊、成形、修邊、回彈等全工序或工藝過程。

圖1 Autoform 全工序成形模擬過程

在沖壓工藝設計中應用AUTOFORM軟件仿真模擬,一般分為三個階段:

第一階段是快速模面設計。在沖壓工藝設計初期,用CAE軟件中的快速模面設計模塊設計并調(diào)整拉延工藝補充面,根據(jù)模擬結果,設計者可以很方便地對工藝補充面進行調(diào)整,直到模擬結果滿足設計要求。

在前期工藝設計階段能夠改善的工藝參數(shù)有以下幾點:

(1)調(diào)整沖壓方向,改善缺陷處的拔模角。

(2)調(diào)整壓料面的高低,以及局部的光順性。

(3)通過改善工藝補充的型面,來控制材料的流動方向。

(4)通過改變拉延筋的阻力,來調(diào)整材料的流入量。

(5)通過改變板料的形狀,以及增加刺口和切角等手段來控制材料流入。

(6)通過改變板料的材料性能,來解決缺陷問題,此方法需要得到產(chǎn)品設計人員的認可。

第二階段是拉延型面的精細化仿真模擬。由于快速設計是建立在曲面的粗略構造上,曲面面片本身以及曲面面片之間的連續(xù)并非十分光順,不能夠直接用于模具表面的加工,但是對于模擬精度的影響卻不是很大。因此要將第一階段分析構造的曲面和Profile 以中性數(shù)據(jù)格式IGS 或VDA輸出,在CAD 軟件中進行曲面重構,得到機加工可以使用的拉延工序模具數(shù)模并進行模擬分析。此階段的模擬分析結果直接反映出覆蓋件的成形過程及產(chǎn)生的缺陷。工藝設計人員可以根據(jù)模擬分析過程及結果,分析缺陷產(chǎn)生的原因,找到解決問題的方法。

第三階段是全工序沖壓模擬。這個階段主要是考證后序翻邊整形工序是否合理,以及判定回彈的量。如果翻邊時仍產(chǎn)生開裂與起皺,則需要重新調(diào)整工藝,同時對回彈量進行修正補償。

2、回彈與回彈補償技術

起皺、破裂和回彈是薄板成形中三種主要的質(zhì)量缺陷,其中回彈是最難控制的,因為涉及到回彈量的準確預測,且不同材料和不同形狀的沖壓件的回彈規(guī)律差別很大。回彈問題的存在會影響沖壓件的形狀尺寸精度和表面質(zhì)量,進而影響整車裝配。

東風模具從2009 年開始采用Think Design GSM 模塊修正沖壓回彈補償。但當時的應用處于較低的水平,采用的技術方案是:根據(jù)調(diào)試模具實物結果反饋的尺寸,人工修改回彈造型,然后修改模具。這是一種事后的、基于實物手工測量結果的措施,無法從根本上解決反復現(xiàn)場加工調(diào)試的問題。

與Think3 廠家多次技術交流和對需求的了解,針對東風模具的實際需求,提出相應的沖壓件鈑金回彈處理系統(tǒng):TD Compensator,實現(xiàn)回彈補償過程的自動化。此系統(tǒng)能夠在保持原有曲面的質(zhì)量上對模具型面進行修改,修改后的型面保持和原先型面相同的曲面拓補結構和曲面質(zhì)量。該系統(tǒng)通過AUTOFORM 進行全工序模擬分析,利用Think Design 模塊讀取模擬分析MESH 結果,自動進行回彈補償模面設計,獲得最佳曲面質(zhì)量,節(jié)省MP 設計時間40% ~ 80%,實現(xiàn)把回彈補償數(shù)據(jù)加入到NC 加工數(shù)據(jù)中,在模具調(diào)試前對回彈進行預測和補償,減少車間的反復加工、調(diào)試修改。

實施本項目的關鍵是:

(1)所有零件實施了全工序模擬。

(2)采購Think3 的回彈補償模面設計模塊(讀取AUTOFORM MESH 數(shù)據(jù)的方式)。

(3)研究基于AUTOFORM 全工序模擬分析(SIM-MP-TB)技術,改進現(xiàn)有的SIM 工作流程。

(4)建立全工序沖壓模擬及回彈補償?shù)募夹g標準(評價標準、經(jīng)驗值、標準作業(yè)書)。

(5)制定本技術的長期發(fā)展計劃(從內(nèi)表件到外表件,從薄板到厚板和高強度板,從MESH 數(shù)據(jù)到掃描點云數(shù)據(jù))。

3、外板件表面缺陷的CAE 預測

一直以來,我們認為凹陷、滑移與產(chǎn)品設計方案相關,很難從工藝設計、調(diào)試的角度解決,沒有采取有效的技術措施,一旦發(fā)生缺陷,往往依賴現(xiàn)場調(diào)試減輕缺陷,而顧客默認接受缺陷。

為了解決上述問題,近年來,東風模具運用AUTOFORM 模擬分析技術,在門外板、頂蓋等零件上開展了A 面修正技術的嘗試( 見圖2)。以零件為單位,制定零件凹陷部位圖表,通過對凹陷實際數(shù)據(jù)的測量,制定“凹陷過隆”補償標準和“強壓”間隙標準;制定“過隆”補償研磨標準作業(yè)書。用未修正的數(shù)據(jù)做模擬分析找到A面塌陷結果,確定拉延模A 面修正方案。

圖2 修正技術的嘗試

4. 建立沖壓模擬分析標準

(1)為了規(guī)范AUTOFORM 軟件的使用操作,避免由于軟件參數(shù)設置不正確導致的運算結果不一致的情況,我們結合公司的實際情況,完成了《AUTOFORM 軟件使用指令標準作業(yè)書》、《AUTOFORM軟件操作說明書》及《CAE 文件的命名規(guī)范》的編寫。

(2) 為了完善CAE, 建立了《CAE分析檢查表》和《CAE分析典型件常見不良案例》。

(3)制定《CAE 成型品質(zhì)保證單及調(diào)試跟蹤記錄卡》,跟蹤對比CAE 模擬與車間調(diào)試的符合率情況。

(4) 制定合理的CAE 判斷標準及SIM 分析風險(V1V2V3)評價標準,對起皺、變薄、板料厚度、滑移線、表面缺陷等指標作出量化規(guī)定。

(5)CAE 模擬分析材料庫參數(shù)的修訂和調(diào)試板料驗證。

三、應用情況實例

1、D23 項目側圍零件

圖3 為D23 側圍案例,由于在模擬階段忽略了后工序的模擬,后序翻邊的現(xiàn)場調(diào)試時由于多料而出現(xiàn)起皺疊料,我們通過CAE 驗證分析,得到了與現(xiàn)場調(diào)試一樣的結果。通過修改OP40 的整形形狀,改善了此處的起皺問題。

汽車覆蓋件模具全工序沖壓模擬技術開發(fā)與應用autoform培訓的效果圖片3

圖3 CAE 分析示例1

2. Z982 項目側圍零件

圖4 為Z982 側圍零件案例。

汽車覆蓋件模具全工序沖壓模擬技術開發(fā)與應用autoform培訓的效果圖片4

圖4 CAE 分析示例2

(1)CAE 分析有開裂起皺風險,現(xiàn)場調(diào)試與CAE 一致,加筋,但未徹底解決問題(見圖5)。

汽車覆蓋件模具全工序沖壓模擬技術開發(fā)與應用autoform培訓的效果圖片5

圖5

(2)CAE 分析有起皺風險,現(xiàn)場調(diào)試與CAE 一致,改筋,增加阻力(見圖6)。

汽車覆蓋件模具全工序沖壓模擬技術開發(fā)與應用autoform培訓的效果圖片6

圖6

(3)CAE 分析有起皺風險,現(xiàn)場調(diào)試與CAE 模擬一致,沒有對策。

(4)下死點5mm 處時有起皺風險,調(diào)試時拉延模此處有皺,產(chǎn)品此處有皺( 見圖7)。

汽車覆蓋件模具全工序沖壓模擬技術開發(fā)與應用autoform鈑金分析圖片7

圖7

(5)CAE 分析6、7 處有滑移,通過外壓料圈降筋增加流入量解決( 見圖8)。

汽車覆蓋件模具全工序沖壓模擬技術開發(fā)與應用autoform鈑金分析圖片8

圖8

3. 門外板凹陷預測及改善對策

CAE 模擬結果三處有凹陷——V1 缺陷,對策是參考CAE 分析結果,結合現(xiàn)場調(diào)試數(shù)據(jù),根據(jù)零件類型制定TB 補償方案( 見圖9)。

汽車覆蓋件模具全工序沖壓模擬技術開發(fā)與應用autoform鈑金分析圖片9

圖9 凹陷預測及改善案例

4. 左/ 右前縱梁下加強板進行全工序模擬后回彈補償

圖10 是我們對左/ 右前縱梁下加強板進行全工序模擬后回彈補償?shù)陌咐?

采用AUTOFORM 分析,提供原始數(shù)模、原始網(wǎng)格和成型網(wǎng)格,導入Think Design Compensator 自動回彈補償修改時間:32min(其中條件設定:25min,回彈計算:7min),整改回彈的過程需30min。

汽車覆蓋件模具全工序沖壓模擬技術開發(fā)與應用autoform鈑金分析圖片10

圖10 左/ 右前縱梁下加強板回彈補償案例

效益評估:

(1)曲面連續(xù)性可達到G2 連續(xù),達到A 級曲面要求,保證了原有曲面的拓撲關系和曲面數(shù)量。

(2)之前處理類似工件需要3 ~4h,現(xiàn)在的設計時間可以節(jié)省65% ~ 79%,效率提高了2 ~ 4 倍。

(3)減少了反復修改的重復勞動。

四、效益分析

通過CAE 技術的應用,縮短了調(diào)試周期40% ~ 50%。更重要的是,汽車覆蓋件的質(zhì)量得到了大大的提高,其意義超過了縮短制造周期本身。

自動進行回彈補償模面設計,獲得最佳曲面質(zhì)量,節(jié)省MP設計時間65% ~ 79%,效率提高2 ~ 4 倍。實現(xiàn)了把回彈補償數(shù)據(jù)加入到NC 加工數(shù)據(jù)中,在模具調(diào)試前對回彈進行預測和補償,減少車間的反復加工、調(diào)試和修改。不良率得到降低,保守估計在5% 以上,部分項目可減少試模1 ~ 2次,節(jié)省了直接成本。

該項目成功應用于轎車覆蓋件模具的開發(fā)和制造,通過全工序模擬,提前預測和解決模具調(diào)試階段可能出現(xiàn)的各類缺陷,縮短了模具制造周期,提高了零件品質(zhì),具有良好的經(jīng)濟效益。

五、總結與展望

東風模具率先在國內(nèi)針對模具設計模擬技術進行了系統(tǒng)性的研究,并開發(fā)了一整套模具設計模擬的技術規(guī)范和流程,成功地應用于公司各個項目的模具設計和模具制造,使得模具設計質(zhì)量得以提高,制造周期有效縮短,鉗工、調(diào)試人員的勞動強度明顯降低,東風模具的設計能力、制造能力和模具品質(zhì)得到顯著提升,產(chǎn)生了巨大的社會效益,在國內(nèi)汽車模具行業(yè)具有極強的推廣應用價值。

來源:《中國模具信息》雜志

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