模具工面快速设计案例八冲压系统CAE介绍板料成形CAE

冲压CAE何军十堰职业技术学院机电系内容纲要(1)•第－部分模具制造流程–传统模具开发–引入冲压CAE数值仿真的模具开发–覆盖件模具制造业的发展–CAE作用•第二部分冲压件的不良缺陷–开裂–起皱–回弹–变形不足–表面缺陷•第三部分冲压成形有限元法简介–有限元法简介–冲压CAE有限元法关键技术–冲压CAE有限元法的计算–冲压成形CAE软件介绍•第四部分板料成形数值模拟有限元基础–成形分析基础–显式算法，隐式算法，一步算法–板料CAE数值仿真技术在工艺与模具设计中所能解决的问题–板料CAE数值仿真技术的实施和作用•第五部分一步成形及其应用案例•第六部分增量法计算及其案列•第七部分模具工艺面的快速设计•第八部分冲压系统CAE介绍–板料成形CAE–模具结构CAE–冲压线运动分析CAE–废料流动分析CAE第一部分模具开发流程传统模具开发产品设计成形仿真(CAE)生产REDESIGN模具设计产品分析REDESIGN调试模具模具设计及加工DieProcessDesignCADBasedHardwareTryout“SKIPPED”引入CAE数值仿真的模具开发模具行业发展开发产品更新快开发日程缩短消费者对产品品质需求日益提高WTO竞争更加激烈模具复杂度及品质要求相对提高降低成本压力模具行业要求缩短日程迈向国际化模具对产品上市时间影响最大开发时模具成本最高板料CAE数值模拟在模具开发中的作用大量降低实际试模时间、次数缩短产品设计到生产的时间允许多种设计优化设计提高产品创新分析数据验证产品设计品质专业知识和经验快速积累数字模具开发板料冲压CAE困难成形问题解决策略研究研究材料对成形影响及采用对策资料数字化方便经验积累传递第二部分板料成形过程的常见缺陷及产生原因•开裂/减薄•起皱/折料•回弹扭曲•变形不足•表面缺陷……开裂/减薄•产生场合–深冲工艺–小半径区域，凸模圆角处（材料的抗拉弯强度）–侧壁中心（材料延展性，塑性失稳）–材料通过拉伸筋进入凹模，流动局部化。•分类——按程度不同分–微观拉裂•工件中已产生肉眼难以看清的裂纹，一部分材料已失效•单纯的拉胀或单纯的弯曲引起局部拉应变过大–宏观拉裂•工件已出现肉眼可见的裂纹或断裂•通常主要由薄板平面内的过度拉胀引起局部拉应变过大开裂原因•在拉伸的过程中，应变超过其极限，而形成的失稳。开裂/减薄应对措施•解决办法–改变法向接触力和切向摩擦力的分布，降低拉裂区的拉应变值•调整压边力•改善润滑条件•增加辅助工序（改变产品圆弧或斜度，增加整形）•调整拉延筋•变换材料或者调整板料尺寸•多步拉延起皱和叠料•产生原因–由于局部压应力过大导致薄板失稳所致，正好与拉裂的产生原因相反–两种应力状态容易起皱•环向应力:法向起皱与侧壁起皱失稳当冲压件的周长不断减少,此时只要板料中未受支撑区域的长度与厚度之比较大就会起皱.•后果–影响零件的精度和美观性–影响下一道工序的正常进行起皱和叠料一般解决方法•解决办法–增加起皱处的法向接触力（有导致其他部位被拉裂的危险）–准确预测材料的流动情况–产品形状和模具形状–增大压边力–增加拉延筋数量或者增加高度5kN50kN10kN回弹及扭曲•产生原因–二维纯弯曲回弹计算公式–弹性回弹:屈服应力,模具间隙,板料厚度–塑性回弹：塑性变形区释放残余应力的卸载过程—成形后，冲压材料由于弹性卸载，导致局部或整体发生变形。•后果–导致冲压件的尺寸和模具的工作表面尺寸不符REtm312回弹应对措施•解决方法–调整产品设计(圆角等,产品均衡等)–调整模具圆角和尺寸–调整工艺方法(变压边力)–模具结构方法–回弹补偿材料变形不足•产生原因–材料没有足够拉伸，没有达到一定的变形量•后果–回弹–产品刚度不足(软)yuhardeningruptureonsetofneckinge变形不足应对措施•解决办法–调整压边或者拉延筋等，使产品均匀变形–调整拉延模设计（工艺补充面）表面缺陷•产生原因–滑移线：产品或者模具设计不合理，导致材料弯曲滑移，产生滑移线•材料本身：材料单拉应力应变曲线上有屈服点伸长•外部约束–回弹等原因造成产品扭曲，形成凸凹不平•后果(外观零件)–影响产品美观表面缺陷应对措施•解决办法–调整冲压工艺方案，使成形过程中，表面区域的材料滑动和摩擦减小–主要不平度要求部位及相关特征造成的回弹影响第三部分冲压成形有限元法简介•有限元法简介•板料成形FEM简介•冲压有限元法关键技术•冲压有限元法计算•冲压CAE软件介绍有限元法起源•有限元法是随着计算机技术发展而出现的一种基于变分原理来求解骗微分方程的有效数值计算方法。•起源于20世纪40年代的结构力学的矩阵算法。•1960年Clough提出”有限元法“术语。单元数目和节点数目均有限，称为有限元法FEM(FiniteElementMethod)基本思路•把连续体视为离算单元的集合体•”化整为零“，将连续体分解为有限个形态比较简单的”单元“。对这些单元分别进行分析。•”积零为整“，将各个单元重新组合为原来的连续体的简化”模型“，根据变形谐调条件求解得到基本未知量（位移）在若干离算点的数值解。•根据数值解再回到个单元中计算其他物理量（应力、应变、温度等）连续的CAD曲面被分解为离算的有限元单元板料成形FEM简介•板料成形过程，是指利用金属板料在常温固态下的塑性，通过模具的外力作用制成所需零件的一种加工方法。•从力学上来看，板料成形是一个几何、材料和边界接触条件等典型非线性过程，涉及板料在拉深和涨形的复杂应力状态下材料的塑性流动、塑性强化，及起皱、破裂的防止、回弹预测问题。•1973年，S.Kobayashi提出的刚塑性有限元法来模拟冲压成形过程。•1977年，GM公司研讨会上N.M.Wang提出了弹粘塑性有限元法模拟平底圆凸模和半球凸模的拉深过程。•1978年，N.M.Wang和Budiansky基于非线性薄膜理论，应用弹塑性全Largrangian格式分析了任意几何形状模具的冲压问题。•20世纪80年代后期，为了促进板料成形模拟技术的研究和应用，国际上发起了定期召开国际板料成形三维数值模拟会议NUMISHEET。成形CAE有限元的关键技术•单元技术•膜单元、壳单元、实体单元。基于板壳理论的壳单元既能处理弯曲和剪切效应，又不像实体单元需要很长计算时间。•求解格式•冲压成形是一个大变形的非线性力学过程，数值分析以增量法为主。分为静力和动力两大类，其中有显式和隐式之分。•本构关系•复合应力状态下材料如何屈服，以及屈服后如何流动。成形CAE有限元的关键技术•模具几何形状的数字描述•模具几何形状的数字描述有多种方式，目前较常采用的是STL格式。•摩擦边界条件的施加•摩擦与金属的成分、毛坯与模具间的相对滑动速度、温度及润滑条件有关。•接触处理•主要包括计算坯料与模具接触的处理方法•网格划分和重划分技术•在有限元数值模拟中，网格质量对数值求解的稳定性、效率及精度至关重要。成形的计算方法•显式算法•动态显式和静态显式算法•具有较好的稳定性•计算速度快，不存在收敛控制问题•需要的内存也少•隐式算法•计算快-大增量步长•精度高-回弹中较多应用•一步法•用线性应变路径的假定，并且忽略接触摩擦过程•速度快，准确性低偏微分方程简化的运动方程示意图这个偏微分方程的求解，采用代数的方法，避免对该方程积分，而是采用在相隔时间里转化为代数方程组，求解。显式有限元计算隐式有限元计算板料成形的计算方法比较显式算法隐式算法时间步长小无时间步长限制（静态）循环次数多少逆矩阵对角矩阵、容易每步需对刚度矩阵求逆可靠度使用小的时间步长时，保证可以得到结果通常在没有收敛情况下，可得到结果内存需求少多计算时间较长短板料成形CAE软件介绍•国外•PAMSTAMP-ESI法国•AUTOFORM-ETH,瑞士联邦学院•DYANFORM(前后处理）+LS-DYNA(求解器）-ETA,美国•HYPERMESH(前后处理）+LS-DYNA(求解器）—ALTAIR,美国•国产软件•-KMAS金网格•-FASTAMP华中科大第四部分冲压CAE在成形分析的应用内容•成形分析基础•成形分析的数字化模型•成形分析过程的参数设置•成形分析结果的判断•整改方案成形分析的目的•利用现代计算机技术，使用CAE系统对模具的可制造型进行分析，在模具设计阶段，优化工艺方案，解决潜在问题，确保冲压零件的质量。•通过对冲压模具成形的数字化模拟分析，发现冲压零件在实际生产过程中可能出现的问题，并在模具设计阶段加以解决，避免在模具调试过程中出现问题。成形分析基础材料因素---拉伸试验•拉伸试验–测定材料性能的基本手段原始样本加载样本卸载后样本材料因素---应力/应变(工程)•应力•应变•等效应变e=F__Aoee=l-lolo222122331[()()()]/2材料因素---真实应变•工程应变•真实应变–因为lo是通过无穷多个中间状态，才逐渐变成l。–真实应变（中间无穷多个中间状态，数学积分）n00(l)/elleT=ln(l/lo)=ln(1+ee)ln(1+e)e材料因素---应变三个分量•应变分量(三个主方向)–主应变(主应变是材料的拉伸方向)emaj=(l–lo)/lo–次应变emin=(w-wo)/wo–厚度方向应变ethk=(t-to)/to材料因素---厚向异性系数r2e3e宽度仿效的应变和厚度方向应变之比表示：23r=e/e厚向异性系数（R）轧制生产时，微观晶粒重组变形轧制方向材料延伸，厚度方向材料压缩R是宽度方向应变和厚度应变方向比值R越大，抵抗失稳变薄的能力，深拉延性能越好三个分量：R0，R45，R90，表示平面内各向异性材料因素---厚向异性系数r厚向异性系数（R）轧制生产时，微观晶粒重组变形轧制方向材料延伸，厚度方向材料压缩R是宽度方向应变和厚度应变方向比值R越大，抵抗失稳变薄的能力，深拉延性能越好三个分量：R0，R45，R90，表示平面内各向异性材料因素---应变强化指数n使用指数函数来逼近实际应力曲线。nKeyuhardeningruptureonsetofneckinge材料因素---应力/应变曲线•应力应变曲线–杨氏模量（E）E=/e（弹性阶段）–屈服应力：发生塑性变形时的应力这一点不是精确的，传统测量点是：0.2%应变–抗拉强度（UTS）：最大应力点，均匀塑性变形停止，发生颈缩（屈服和抗拉范围越大，塑性变形区大，有利于深拉伸）–泊松比n：弹性变形时纵向和横向应变比–加工硬化指数或强化指数n来源于应力和应变关系，n越大，失效前均匀变形越大，变形强化明显，增大均匀变形区范围。抵抗颈缩能力越大，适合胀形。试验测得的工程应力应变曲线•平滑处理板料CAE常用材料模型应力应变曲线模型:理想弹塑性模型理想刚塑性模型弹塑性强化模型刚塑性硬化模型材料成形结果判定材料成形结果判定•OA：二向拉伸（两个方向应变相等）–emaj=emin,et=-2emaj；maj=min0,t=0•OC：平面应变–emaj=-etemin=0；majmin0,t=0•OB：单向拉伸–emaj=-2emin=-2etmaj0,min=0,t=0•OD：纯剪切–emaj=-emin,et=0；maj0,min0,t=0•OE：双向压缩–et=emaj=-1/2eminmaj0,min0,andminmaj,t=0典型冲压模结构•正冲(双动)•反冲(单动)•四工具•过拉伸正冲(双动)UpperRingUpperDiepost反冲(单动)UpperDieLowerRingPunch四工具过拉伸模具结构气缸或液压缸下压力垫行程上压力垫行程切边位置拉延槛上压力垫下压力垫下压力垫）成形分析基础•物理世界的模具•凸模•凹模•压料面•拉延筋•其他成形分析基础•数码世界，进行分析时，只抽取模具的型面进行分析成形分析基础（研合）物理世界——模具调试最重要的环节——通过机加工、钳工等手段保证——研合率要求在85%——研合不好会造成调试困难数码世界—