钣金模具设计及集成工艺模拟.doc

J成形国际组织(2008).增刊1:185 -188 33数字对象标识符10.1007 / s12289-008-0022-32008年ESAFORM # Springer/钣金模具设计及集成工艺模拟M. Tisza1, Zs. Lukcs2, G. Gl31米什科尔茨大学 -米什科尔茨- Egyetemvros H - 3515，匈牙利网址: www.met.uni-miskolc.hu电子邮件: tisza.miklosuni-miskolc.hu2米什科尔茨MTA ME 技术研究小组-米什科尔茨- Egyetemvros H-3515，匈牙利网址: www.met.uni-miskolc.hu 电子邮件: lzsoltkugli.met.uni-miskolc.hu3澳门大学二甲醚金属成型部 -米什科尔茨- Egyetemvros H - 3515，匈牙利网址: www.met.uni-miskolc.hu电子邮件: metgalga uni-miskolc.hu摘要: 在最近10-15年，计算机辅助工艺规划及模具设计演变板材作为最重要的工程工具之一，尤其是在形成汽车行业。这一新兴的作用是非常强调的有限元计算模型的迅速发展。在此提出了一种由米什科尔茨大学开发，机械工程学系将推出的综合的过程模拟及模具设计系统。拟议的综合解决方案，具有很大的现实意义，以改善钣金成形的全球竞争力。本文介绍的这个概念在工艺规划和模具设计工程中有特殊的价值。关键词：工艺规划，模具设计，集成有限元模拟 1 简介在全球竞争要求制造业 - 除了上述的技能和在实践中积累的经验 - 应越来越多地利用包括已确立的技术和快速的数值模拟及成本效益的工艺设计和模具制造模型在内的电脑辅助工程。我国计算机应用各种方法辅助工程已成为制造业中最重要的课题之一，特别是在汽车行业1。CAE技术的各种技术应用几乎涵盖了从通过概念产品设计过程规划完整的产品开发周期，模具设计到生产制造阶段。 CAE的技术被广泛应用于金属板材成形，例如，预测成形性，确定类型和制造工艺及其参数序列，设计成型工具等2。CAE工具的应用重要性和零部件的制造变得越来越重要一样变得越来越复合化，因为日趋复杂的计算机辅助设计软件包提供几乎无限的可能性去实现设计师们的创意。为广泛应用的CAE技术的必要是由全球竞争力的需求来驱动的，因此，一个强大和简化工艺及模具设计工程（PDDE）变得越来越重要3。在本文中，各种CAE的技术的集成与技术仿真系统（KSBS）将通过钣金成形的例子来说明。过去几十年金属板材成形技术成形模拟4及其工业应用，极大地影响了汽车钣金产品设计，模具开发，模具结构和试模，生产。在今天的模具和冲压行业，对模具的生产前试验验证的发展虚拟仿真是产品设计与实际生产间相隔的时间缩短，成本降低和质量改进的关键业务5。全球竞争驱动着更高的质量要求，降低成本，缩短交货时间。所有这些新的趋势创造冲压仿真和生产应用的新挑战。2 简短的历史回顾金属板材成形是在制造业应用最广泛的制造工艺之一。从金属板制成的部件可以提供适当的设计，具有同重量比上的高强度。他们越来越多地用于汽车产业中各种目的的大型飞机结构的小电器元件。尽管钣金件的应用越来越多，但是在现有的技术资料里设计信息数量少得惊人。大多数公司零件设计使用的是以几何形状及在这特定的公司所用材料的经验为基础的内部指引6。虽然这样的设计是非常有用的指引和实践，他们考虑的不一定是选择一个给定的设计细节的根本原因。因此，当引入一个新的部分，新材料，或新的进程时以经验为基础的整套设计准则必须重新评估和修改。因此，有必要发展基于通用设计方法在金属成形分析和系统的实验研究。这种趋势可以清楚地在各种知识为基础的钣金零件设计系统的开发和规划的过程中观察到的形成过程7。正如在许多其他金属成型应用，流程规划和实施成形的模具设计可以受益于一个以知识为基础的系统和过程建模的联合应用。最近，许多公司正在应用以CAD / CAM技术和知识为基础的专家系统，以改善和部分自动化模具设计与制造功能8。米什科尔茨大学机械工程学系详细阐述了几个关于金属成形进程的程序包。其中，基于级进模的钣金成形进行流程规划的一般系统应该被提到 9。在这个系统中，过程规划与模具设计的功能集成在一个以知识为基础的专家系统。它是一个模块化结构，每一个模块有明确的任务，各种模块之间提供简化的数据和信息流。它包括用于创建的几何模块，对象几何形状的出口和进口，确定一个最佳的形状，大小的空白模块，嵌套的空白，一个基于经验规则和技术参数工艺设计的工艺设计模块，一个用于设计工具和选择标准尺寸刀具设计模块和有关刀具元素的数控制造准备程序的数控/加工中心后续处理模块。在过去数十年金属板材成形技术及其工业应用成形模拟，极大地影响了汽车钣金产品设计，模具开发，模具结构和试模，冲压和生产 10。它起到了显着的进步，不仅从根本上了解金属薄板成形性能，形成机理，数值方法，而且还在广泛的工业生产中有富有成果的工业应用 11。汽车模具和冲压行业最受惠于冲压模拟。在汽车冲压模具开发中，技术进步加快，从一个试用的实践研讨历史性地过渡到一个以科学为基础，以技术为驱动的工程解决方案。其应用和效益可归纳如下12：冲压仿真用作可制造性设计（DFM）的工具来评估和验证产品造型曲面设计，以确保成型的板材产品设计; 它可能被用作在冲压模具工程的发展中的模具设计的工具，它可作为一个尝试，以缩短生产模具试模，从而大大降低模具成本和交货时间。它可能被用来作为解决疑难排解重现制造问题，并为过程控制的改进提供解决方案的问题解决工具。它可能被用来作为模拟为基础的制造业指导，使用模拟输出，将推动模具工程，模具结构的一致性和冲压生产。3 集成化工艺规划与压铸成型的钣金设计由于全球竞争 - 这是特别适用于汽车行业 - 有一个总体需求，以改善双方的工艺设计和模具设计阶段的效率，以及减少产品开发时间和成本，缩短交货时间。它要求从产品开发的最早阶段，有效利用模拟技术，用最少的反馈成本，使每个步骤进行必要的修正和改进。这一原则体现在工艺设计的仿真技术及模具设计原理图，流程图如图1所示。图. 1. 基于工作流过程的仿真规划及模具设计通过这种方法，冲压缺陷会更少，甚至在模具实际施工阶段之前淘汰。如果任何更正或重新设计是必要的，这是可以立即用很短的反馈时间做到，从而导致了更平滑的非常必要的试模，并显著缩短交货时间，少了开发成本。然而，即使使用这种方法，在模具设计过程中仍有一些不足，因为进一步的模拟程序不提供足够的细节模具结构，而这些细节结构是可以很容易地在最常用的CAD系统来完成的模具设计任务 。这种短缺可能被整合了CAD和有限元交换系统克服，通过一个特殊的接口模块，它可以在设计过程中的两个重要组成部分之间提供一个平滑，连续，可靠的数据。该解决方案将介绍汽车板材使用的Unigraphics NX作为CAD系统（版本4.0）组件和AutoForm 4.05为有限元包的例子，不过，在这里用这些原则，也可以采用其他方案 13。该组件的CAD模型是由一个产品设计工程师在UG NX CAD系统中创建了实体模型。然而，有限元系统专用的金属板材成形通常需要表面模型。因此，在出口的部分的表面模型应该被创建。此功能齐全，支持大多数CAD系统。根据模拟的要求，我们甚至可以决定哪个表面（顶部，中部或底部）将出口到表面模型。在大多数情况下，工艺规划工程师想知道，在一开始组件是否可制造的可成形性及可操作性。因此，在进口的输入与AutoForm输入组件表面模型进入生成器后，首先应该做的是快速的可行性研究。该AutoForm有一个用于此目的非常适合的模块：所谓的单步仿真模块，这个成形性分析可以做到，即使我们没有任何成形的工具或只有少数的信息。使用此一步仿真程序，如果任何部分内容的修改是必要的，可快速的决定。除了在这个产品开发的早期阶段成形性的验证，进而重要可能性被提到，在这部分包括对轻微修改分析模块，研究替代材料类型和档次，或不同厚度，材料的成本估算和优化等。即使一步法模拟成形性良好的结果，对整个过程实现的最终决定后，才可以作出一个详细的执行，特别是有关增量建模形成的关键步骤。为此，我们需要详细的模拟的工具和工艺参数方面的详细知识。以前，大多数模具的表面被创造在通用CAD系统内，这是一个耗时的过程，通过这种方式几乎是不可能的整合到自动化模拟和优化设计过程的几何修改。但是，AutoForm链接与Unigraphics的CAD系统自动产生联想提供了一个连接。这种集成不仅大大提高了工艺设计和模具设计的速度和效率，而且也大大提高了数据的一致性。有了这个整合，成型刀具的有效表面可以源自于组建的输入时的表面模型，利用许多被AF模具设计模块提供的有益的可能性去创建压边圈和辅助表面，以及所谓的参考面，即那些可用于快速得出凸凹模表面。这些表面是使用一个参数化的方法，它提供了一个数量级，为了比传统CAD系统更快的模具表面产生。参数化的应用还可以结合使表面生成优化算法，以确定各种工艺参数的最佳模表面了。这个优化的主要目标是提高产品的质量和形成过程的可靠性（稳健性）。在这种优化里，最重要的标准如下：1）裂纹的标准（即无裂缝应该发生），2）细化标准（即间伐不应超过一定值），3）起皱的标准（即无皱纹，可能会发生） 4）延伸标准（即最低应该达到整体拉伸）。这些标准主要是基于板材成形极限图的评估。确定了设计变量，对它们的形成过程和模具表面上的最佳效果可于一体的综合仿真环境中研究。通过这一整合的解决方案，影响力和工艺和设计参数的敏感性分析，可以很容易导致改进工艺诀窍，强大和更优化和模具成型工艺，再加上缩短开发时间，更好的产品质量，减少废料。4 结论有着各种各样的应用方式的计算机辅助工程，在金属板材成形关于整个产品开发周期的最新发展中扮演着至关重要的核心角色。有着各种方法和活动的CAE技术的应用形成了重大的发展：以前基于现场实习的反复试验法已经源源不断地转变为以科学为基础和以技术驱动的工程解决方案。在本文中提出了一种对知识的系统和有限元模拟中的应用集成方法介绍。运用这种知识，基于整个产品开发周期仿真的概念 - 在整个过程从概念设计到过程规划，及模具设计作为一体的综合CAE工具- 提供了在设计和制造阶段的显著优势。金属板材成形模拟结果今天已经足够可靠和准确的，甚至试用的工具和耗费时间的试用过程可能会被淘汰，或至少大大减少。因此，本文介绍的集成解决方案结果大大缩短了交货时间，产品质量更好，其是个设计和生产成本效益更好的结果。致 谢这项研究工作在财政上受到了匈牙利科学院在国家科学基金会的资助（OTKA的NI - 61724），在这里深表谢意。参考文献1.C. 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