計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在工藝與模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在工藝與模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用     計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是從沖壓成型過(guò)程的實(shí)際物理規(guī)律出發(fā)，借助計(jì)算機(jī)真實(shí)地反映模具與板料的相互作用關(guān)系及板料實(shí)際變形的全過(guò)程，這就決定了沖壓成型過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，可以用來(lái)觀察板料實(shí)際變形過(guò)程中發(fā)生的任一特定現(xiàn)象，或用來(lái)計(jì)算與板料實(shí)際變形過(guò)程有關(guān)的任一特定幾何量或物理量，如預(yù)測(cè)起皺、拉裂；計(jì)算毛坯尺寸、壓邊力和工作回彈；優(yōu)化潤(rùn)滑方案；估計(jì)模具磨損等。這就為沖壓模具和沖壓工藝設(shè)計(jì)提供了十分有用的工具，為縮短新產(chǎn)品模具開(kāi)發(fā)周期，提高模具及沖壓件的品質(zhì)和壽命創(chuàng)造了條件。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在沖壓模具與工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用如下。  

2、;   1.起皺的預(yù)測(cè)與消除    起皺是薄板沖壓成型中常見(jiàn)的失效形式之一。輕微的起皺將破壞沖壓零件的光順性和影響零件的幾何尺寸精度，起皺嚴(yán)重到一定程度將使零件報(bào)廢。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)能較好地預(yù)測(cè)給定條件下工件可能產(chǎn)生的起皺，并通過(guò)修改模具或工藝參數(shù)予以消除。圖1(a)為一典型沖壓件的起皺實(shí)體。將同樣的沖壓過(guò)程建立成計(jì)算機(jī)仿真模型并進(jìn)行仿真計(jì)算，可得到如圖1(b)所示的起皺模式。由于起皺本身是一種失穩(wěn)現(xiàn)象，仿真結(jié)果很難從細(xì)觀上與實(shí)際的情況完全一致。但比較圖1(a)和圖1(b)可知，仿真結(jié)果能比較真實(shí)地反映成型件起皺的趨勢(shì)，已具有有很高的工程實(shí)用價(jià)值

3、。 (a)實(shí)際沖壓結(jié)果；(b)計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果；(c)計(jì)算機(jī)仿真得到零件變形狀態(tài)光照模型 圖1 一典型薄壁沖壓件的起皺模式    當(dāng)計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果顯示有起皺現(xiàn)象時(shí)，就必須對(duì)原有的工藝方案甚至模具作一定的修改，然后再進(jìn)行仿真。這樣一個(gè)修改、仿真的過(guò)程重復(fù)進(jìn)行直到起皺完全消失為止。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)工件只發(fā)生輕微起皺時(shí)，用肉眼是難觀察得到的。這時(shí)只有通過(guò)計(jì)算工作的局部失穩(wěn)判據(jù)才能得出起皺是否已經(jīng)開(kāi)始的結(jié)論?？刂破鸢欁钪苯拥姆椒ㄊ窃黾訅哼吜?。在其他條件給定時(shí)，壓邊力必須足夠大才能避免起皺。但壓邊力也不能過(guò)大，否則容易產(chǎn)生拉裂現(xiàn)象。     2.拉裂

4、的預(yù)測(cè)和消除    拉裂是沖壓工藝失效的另一種形式，它同樣導(dǎo)致產(chǎn)品的報(bào)廢。拉裂嚴(yán)重時(shí)肉眼便可看出，但在沖壓成型中可能產(chǎn)出肉眼看不到的微裂紋。無(wú)論是微裂紋還是明顯拉裂都將影響產(chǎn)品的正常工作。避免拉裂通常是設(shè)計(jì)深沖件模具和工藝的一大難題。采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算材料在沖壓成型中的流動(dòng)狀況。因而準(zhǔn)確地得出應(yīng)變分布和板料壁厚減薄的情況。這就為判斷給定模具和工藝方案產(chǎn)生拉裂的可能性提供了科學(xué)可靠的依據(jù)。       圖2        

5、0;         圖3                   圖4 圖2 一汽車殼體零件外形圖圖3 汽車殼體零件沖壓成型過(guò)程仿真有限元模型     一旦計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明局部應(yīng)變分布接近材料的成形極限，模具或工藝方案就應(yīng)予以修改，并將修改后的方案再次進(jìn)行仿真檢驗(yàn)。這樣一個(gè)修改、仿真的檢驗(yàn)過(guò)程不斷重復(fù)，直至計(jì)算機(jī)仿真結(jié)

6、果表明拉裂的可能性已消除?，F(xiàn)在引入另一個(gè)實(shí)例來(lái)討論計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用。圖2是一個(gè)汽車上的殼體零件外形圖。由于零件的對(duì)稱性，我們可用圖3所示的有限元模型，來(lái)對(duì)該零件的沖壓成型過(guò)程進(jìn)行仿真。從圖3可知板料的有限元網(wǎng)格普遍較細(xì)，也較均勻，這主要是為了精確地描述板料在沖壓過(guò)程中可能產(chǎn)生的變形梯度。壓板網(wǎng)格最粗，因?yàn)樗莿傮w且?guī)缀涡螤詈?jiǎn)單。上模和下模網(wǎng)格粗細(xì)不均，這主要是從精確描述模具表面形狀的角度來(lái)考慮的。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，可以得出如圖3.12所示的板料變形輪廓圖。圖3為板料變形的俯視平面圖；圖4為等效塑性應(yīng)變分布云圖；圖8為壁厚分布云圖。當(dāng)然還可以從計(jì)算機(jī)仿真得到其他許多有關(guān)板料變形的詳細(xì)情況，如應(yīng)

7、變分量云圖、等效應(yīng)力云圖等等。通過(guò)這樣一些計(jì)算結(jié)果和材料的有關(guān)成形特性，便可估計(jì)沖壓成型中產(chǎn)生拉裂的可能性。 5            6圖5 計(jì)算機(jī)仿真所得汽車殼體零件變形輪廓圖 圖6 計(jì)算機(jī)仿真所得汽車殼體零件初始和變形終止?fàn)顟B(tài)俯視平面圖 圖7 計(jì)算機(jī)仿真所得汽車殼體零體等效塑性應(yīng)變分布云圖 圖8 計(jì)算機(jī)仿真所得汽車殼體零件壁厚分布云圖     應(yīng)當(dāng)指出的是在目前情況下準(zhǔn)確地計(jì)算沖壓成型過(guò)程中的裂紋擴(kuò)展情況還有很多困難，因些在計(jì)算機(jī)仿真過(guò)程中即使工件開(kāi)

8、始產(chǎn)生裂紋，計(jì)算仍將按無(wú)裂紋的狀況進(jìn)行。這會(huì)使最后計(jì)算結(jié)果與實(shí)際不符。但這并不影響計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在沖壓成型中的有效運(yùn)用，因?yàn)閺哪＞咴O(shè)計(jì)和工藝分析的角度講，一旦裂紋開(kāi)始產(chǎn)生，整個(gè)設(shè)計(jì)方案就算失效，必須修改方案直至裂紋不會(huì)產(chǎn)生。另外，模具設(shè)計(jì)和沖壓工藝方案還應(yīng)留有一定的安全系數(shù)，也就是讓沖壓成型中的應(yīng)變分布離裂紋開(kāi)始產(chǎn)生的狀態(tài)有一定的距離。這一方面是設(shè)計(jì)常規(guī)，另一方面也是考慮到計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果所包含的計(jì)算誤差。圖9是圖3.10所示汽車殼體零件對(duì)稱中線上的應(yīng)變分量的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較，圖10是該零件對(duì)稱中線處的厚度的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較。從圖中可知，計(jì)算所得的應(yīng)變分布和厚度分布盡管與實(shí)驗(yàn)值十分相近，

9、但局部誤差總是存在的，有時(shí)還可能較大。這就要求在使用計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果時(shí)采取適當(dāng)?shù)拇胧┯?jì)入計(jì)算誤差的影響。 圖9 汽車殼體零件對(duì)稱中心線上計(jì)算應(yīng)變和實(shí)驗(yàn)值的比較  (a)x應(yīng)變分量； (b)y應(yīng)變分量 圖10 汽車殼體零件對(duì)稱中心線上厚度分布的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較     3.回彈的計(jì)算    沖壓成型件在卸載后的回彈是不可避免的物理現(xiàn)象。由于回彈現(xiàn)象的存在，模具型腔表面的形狀與工件表面的設(shè)計(jì)形狀應(yīng)當(dāng)不同，以補(bǔ)償回彈引起的工件尺寸的變化。但如何精確地計(jì)算給定工件可能產(chǎn)生的回彈是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，也是傳統(tǒng)的沖壓成型設(shè)計(jì)方法無(wú)法解決

10、的問(wèn)題。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的誕生為計(jì)算復(fù)雜沖壓件的回彈提供了有效的工具，其原理是簡(jiǎn)單的。當(dāng)仿真計(jì)算進(jìn)行到動(dòng)模到達(dá)其沖壓的極限位置時(shí)，模具對(duì)工件的加載過(guò)程宣告結(jié)束，這時(shí)計(jì)算機(jī)已得出工件加載過(guò)程的變形輪廓并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中。加載過(guò)程完成后，計(jì)算便開(kāi)始對(duì)卸載過(guò)程進(jìn)行模擬。在卸載過(guò)程中，模具對(duì)工件的作用力漸漸減小，工件也就隨之回彈，計(jì)算機(jī)同樣對(duì)工件回彈中的變形進(jìn)行計(jì)算，并按給定的指令定期存儲(chǔ)回彈中的變形狀態(tài)。模具完全脫離工作后就得到了它的最后形狀，并被計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)下來(lái)。通過(guò)比較卸載前工件的形狀和卸載后工件的形狀，便可得出工件在卸載中產(chǎn)生的回彈總量。    在利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)設(shè)計(jì)

11、模具時(shí)，首先根據(jù)給定的零件的形狀確定模具的工作表面形狀，利用這個(gè)初步的模具設(shè)計(jì)方案便可粗估工件產(chǎn)生的回彈。再根據(jù)這個(gè)回彈量去修改模具的表面形狀，并通過(guò)仿真檢驗(yàn)卸載后工件的尺寸精度是否到達(dá)要求。如果沒(méi)有達(dá)到要求，便繼續(xù)修改模具，直至仿真得到的結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求為止。     4.壓邊力確定  壓邊力確定實(shí)際上與起皺和拉裂的預(yù)測(cè)緊密相關(guān)。壓邊力太小，工作就會(huì)起皺，若壓邊力太大，工件就有被拉裂的危險(xiǎn)。當(dāng)模具基本確定后，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)粗選壓邊力大小，再用計(jì)算機(jī)對(duì)成型過(guò)程進(jìn)行仿真。若發(fā)現(xiàn)起皺，則加大壓邊力；若發(fā)現(xiàn)有拉裂的趨勢(shì)；則減小壓邊力，直到一個(gè)合適的壓邊力找到為止。

12、但是實(shí)際中可能發(fā)生這樣一種情況，對(duì)一套給定的模具，沒(méi)有一個(gè)壓邊力值能保證即不拉裂又不起皺。這就說(shuō)明模具本身存在問(wèn)題應(yīng)予修改。由此可知，盡管壓邊力的確定與起皺和拉裂的預(yù)測(cè)緊密相關(guān)，但兩者仍有本質(zhì)的區(qū)別，前者不涉及模具的修改而后者可能涉及。     5.毛坯尺寸的計(jì)算    沖壓成型工藝中要解決的另一個(gè)問(wèn)題是零件毛坯尺寸的計(jì)算問(wèn)題。由于薄板沖壓成型過(guò)程中材料的流動(dòng)情況一般很復(fù)雜，零件毛坯尺寸的計(jì)算很困難。采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，能夠比較準(zhǔn)確地掌握一個(gè)給定零件在沖壓過(guò)程中的材料流動(dòng)的情況，這就為零件毛坯尺寸的精確計(jì)算提供了有力的工具。其具體做法

13、可簡(jiǎn)略歸納如下。當(dāng)一個(gè)給定零件的模具和工藝方案調(diào)試好后，就可在計(jì)算機(jī)中對(duì)正式的沖壓成型過(guò)程進(jìn)行模擬，這時(shí)由仿真得到的零件形狀應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，但通常有相當(dāng)一部分與零件形狀和工藝補(bǔ)充無(wú)關(guān)的板料與零件相連，這部分板料就是下料時(shí)應(yīng)當(dāng)去掉的部分。根據(jù)零件的形狀和工藝補(bǔ)充的需要，在仿真得到的沖壓件的最后形狀找出一條邊界線，以區(qū)分應(yīng)當(dāng)保留的部分和可以去掉的部分，再將這條邊界線反射到原始毛坯上，就可得到合理的零件毛坯形狀和尺寸。當(dāng)然考慮到實(shí)際生產(chǎn)中的各種因素，實(shí)際毛坯與理論毛坯不一定完全一樣。但按上述方法計(jì)算出的理論毛坯卻為實(shí)際毛坯的確定提供了科學(xué)的參考依據(jù)。    應(yīng)當(dāng)注意，理

14、論毛坯的計(jì)算不應(yīng)影響成型方案的有效性。具體地說(shuō)，就是當(dāng)去掉多余材料時(shí)，壓邊力的作用面積可能會(huì)改變，這一改變不允許影響成型工藝方案的可行性，如導(dǎo)致回彈補(bǔ)償還不合理，甚至導(dǎo)致拉裂或起皺等。     6.潤(rùn)滑方案的優(yōu)化    在沖壓成型中采用潤(rùn)滑技術(shù)是改變材料流動(dòng)狀況的有效方法。確定潤(rùn)滑方案盡管與防止材料被拉裂有直接關(guān)系，但兩者顯然不是一回事，因?yàn)橐环N不合理的模具設(shè)計(jì)可使任何實(shí)際可能的潤(rùn)滑方案都無(wú)法避免零件被拉裂。由于采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以較為方便地比較兩種不同的潤(rùn)滑方案對(duì)成型過(guò)程的影響，因此它可用來(lái)優(yōu)化沖壓成型中的潤(rùn)滑方案。  

15、   7.預(yù)測(cè)和改善模具磨損    模具的磨損受幾方面的因素影響，主要包括模具表面接觸摩擦力的大小和模具表面耐磨特性。當(dāng)模具表面受力情況一定時(shí)，模具表面耐磨性越好，模具的壽命越長(zhǎng)。反之，若模具表面耐磨性一定，模具表面應(yīng)力峰值越小，模具壽命越長(zhǎng)。要提高模具的使用壽命，改善模具材料和表面熱處理技術(shù)是一個(gè)有效的途徑，另一方面盡可能降低模具表面應(yīng)力峰值。通過(guò)對(duì)沖壓成型過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，可以較精確地計(jì)算模具與工件間的接觸和摩擦力，這樣就能得出模具表面所受應(yīng)力峰值的位置，從而判斷模具磨損敏感位置。掌握了模具表面化應(yīng)力峰值位置后，至少可以開(kāi)展兩方面的工作來(lái)

16、改善模具磨損。第一，可以對(duì)模具表面的應(yīng)力峰值區(qū)進(jìn)行特殊的表面處理以提高該區(qū)的表面耐磨性能。第二，可以增加該區(qū)域的潤(rùn)滑以減少切向摩擦力。當(dāng)然這需兼顧其他成型設(shè)計(jì)方案的要求，因?yàn)楦淖儩?rùn)滑狀況會(huì)影響材料的流動(dòng)狀況。如果零件的設(shè)計(jì)還能考慮到制造的需要的話，還可在不影響零件功能的前提下修改零件的形狀，以降低零件在沖壓成型中作用在模具表面的應(yīng)力峰值。    以上僅例舉了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在沖壓成型工藝和模具設(shè)計(jì)中的幾個(gè)主要用途。實(shí)際上仿真技術(shù)還可用來(lái)解決其他與成型過(guò)程有關(guān)的問(wèn)題如計(jì)算成型力的大小等。    無(wú)論是用仿真技術(shù)來(lái)解決哪類問(wèn)題，都有一個(gè)重復(fù)

17、修改模具或工藝方案，再進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真這樣一個(gè)過(guò)程。這個(gè)過(guò)程實(shí)際上對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)方法上的修模和試模的過(guò)程。但在計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)修模和試模有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，主要包括如下幾個(gè)方面：    （1）節(jié)省時(shí)間。一旦給定零件的仿真模型建好，修改起來(lái)就較方便，只要計(jì)算機(jī)功能足夠強(qiáng)，計(jì)算起來(lái)也可以很快。而實(shí)際的修模與試模需要的時(shí)間較長(zhǎng)。更重要的是，一旦修模過(guò)度就需要補(bǔ)模甚至使模具報(bào)廢，這就更增加了時(shí)間。另外，仿真還可在無(wú)人干涉情況下自動(dòng)進(jìn)行，這就可以充分利用晚上或節(jié)假日的時(shí)間。    （2）節(jié)省費(fèi)用。用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可減少實(shí)際的修模次數(shù)，從而減少模具設(shè)計(jì)和制造費(fèi)

18、用。減少模具報(bào)廢率也是節(jié)省費(fèi)用的一個(gè)方面。    （3）提高模具品質(zhì)和使用壽命。通過(guò)對(duì)沖壓過(guò)程進(jìn)行仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，使模具具備最合理的結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)，從而提高工件的精度和模具的使用壽命。    （4）提高工件的品質(zhì)和使用性能。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，不僅可較好地保證工件的形狀和尺寸精度，還可有效地控制成型中材料的塑性變形程度，從而控制材料的塑性硬化程度，改善工件在使用中的力學(xué)性能。    （5）減少工件的廢品率。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)用來(lái)優(yōu)化工藝方案和模具設(shè)計(jì)后就可減少生產(chǎn)中的廢品率，從而是提高生產(chǎn)效益。    （6）減少原材料浪費(fèi)。用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行毛坯尺寸的準(zhǔn)確計(jì)算，可減少不必要的原材料浪費(fèi)，從而降低生產(chǎn)成本。    （7）支持新產(chǎn)品的并行工程。通過(guò)對(duì)制造過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真，幫助優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從而使產(chǎn)品獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。    應(yīng)當(dāng)指出，盡管計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)現(xiàn)在可以幫助解決許多復(fù)雜的沖壓成型模具與工藝設(shè)計(jì)問(wèn)題，但它并不