成形模具设计中的板料成形数值模拟与试制模具的比较
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49 中文翻译 成形模具设计中的板料成形数值模拟与试制模具的比较 A. , , _ 当今，金属板料成形数值模拟是一种用于预测汽车零部件成形能力的强有力的技巧。与传统的方法比如使用试制模具，金属板料成形数值模拟在模具设计中应用程度的巨大的增加使实体模具在制造之前被测试成为可能。另外一种金属板料成形模拟的优点在于其可利用于工艺设计早期阶段，例如在最初的设计阶段。如今，金属板料成形数值模拟的结果的精确度在很大程度上已足够高，以致于可代替试制模具的使用。在沃尔沃汽车公司，车身部件工厂，该 项研究已经被启动，金属板料成形模拟以集成的模块形式在模具设计与模具生产的工艺中被使用。 1 引言 传统地，试制模具被用于验证某种模具设计能否生产满足要求质量的零件。试制模具通常由比生产用模具更便宜的材料制成。这是一种很省时且节约成本的方式。但是，如今另外一种更为行之有效的技术可以使用 金属板料成形模拟。这种新技术基于成形工艺的数值模拟，并且对于每套实用模具可以降低 10%的成本和 15%的生产时间。金属板料成形数值模拟技术不断的发展，并且模拟的结果越来越精确。在将来，或许可以使用金属板料成形数值模拟用于分析 更多的工艺。如今，金属板料成形数值模拟的结果的精确度在很大程度上已足够高可代替试制模具的使用。 2 方法 该研究的目的在于分析和比较金属板料成形数值模拟和试制模具在成形模具设计中的优缺点。此研究中使用的方法基于专为该研究开发的产品可靠性模板（ (ta001年 )和工艺一致性模板 ( 数）按目录编入不同因素组的模板。然后每种因素（参数）的影响被评定为 0 3等级。基于模板的结果，对产品工艺有最大影响的参数可以被筛选出来，然 后可以制作折中或是最小化这些影响的优先表。 制模具的结果，生产零件的质量 3 设计成形模具的工艺 图 1所示，一种在沃尔沃汽车公司车身部件工厂（ 开发一种成形模具的简化生产工艺流程。 一种成形模具设计的工艺包括试制阶段，该阶段各种不同的模具设计被测试。这是一个在模具设计工艺中很重要的阶段，目的在于验证零件将会满足所要求的质量。预测一种成形操作的结果是很困难的，但是通过使用金属板料成形数值模拟方法使得对成形操作 的结果有价值的预测成为可能。 50 图 1 金属板料成形数值模拟的使用 金属板料成形数值模拟可以被利用到模具设计工艺的几个阶段。 起初设计的早期阶段，能够快速验证汽车元器件设计的不同的方案 预测并且验证成形工艺 改善现有的工艺 金属板料成形数值模拟的需求 数值模拟软件 零件布局的 描述特定金属板料材料的参数 工艺参数 工作站（现今个人计 算机的发展快速的提升以致于个人计算机在将来会成为一种强有力的替代） 一名有能力可以操作该软件并能够分析数值模拟结果的员工 数值模拟软件。现今市场有各种各样的商业软件可供使用。为找到合适的软件，必须分析所使用的领域。考虑到用户界面友好性与软件柔性，软件包是不同的。 在进行该项研究的 种不同的软件包得以使用。一种是用户友好的可快速提供结果的2001）。该软件用于获取合理的模具集合形状的反复的分析工艺。另外一种软件是 2001），被用于验证 使用金属板料成形数值模拟方法分析零件或者模具设计，就需要该零件或者模具的种模型可以在大多数 如，在 同的数值模拟软件需要不同类型的 材料参数。单向拉深实验被用于描述材料参数。同样有必要描述材料内部断裂的风险。描述断裂的数据是通过创建成形极限曲线来获取的。成形极限曲线是一种显示在断裂发生前最大许用应力数值的描绘在基准应力平面上的曲线。更为透彻的描述由 991年提出。 工艺参数。金属板料成形数 值模拟需要核实的工艺参数。 工作站。用于进行金属板料成形数值模拟的模型通常很大以致于为获得核实的运算时间而需要使用工作站。但是，个人计算机技术的发展使几台 有可能会是工作站的替代。 有能力的员工。为读懂金属板料成形数值模拟的结果，能够输入正确的数据并且拥有理解结果的能力是狠必要的。这就需要有能力的员工。这种能力应该包括成形知识和数值模拟知识这由于考虑到生产零件 /工艺最初的设计 零件 设计 硬质模具 /工艺设计 试制 模具 金属板料成形数值模拟 51 工艺与翻译结果二者的联系。 表 1 壁厚 (拉 强度极限 (n 值 (平均值 ) R 值 (平均值 ) 40 320 金属板料成形数值模拟的结果 金属板料成形数值模拟式如下的研究成为可能： 壁厚的分配 断裂的几率 拉深线 起皱 拉深 /冲孔的压力 表面缺陷 表面的稳定性 弹性回复 材料行为 工艺监测 内部拉深 成形视窗 力（凸模、冲孔） 图 2 壁厚的分配蓝色区域显示变薄 20%，红色 10% 为验证可能的结果对 于该种汽车元器件的材料是一种有着良好成形能力的中碳钢 (V 1158)。材料的参数如表 1所示。 壁厚的分配。 金属板料成形数值模拟可以为部件壁厚的分配提供一个良好的近似值。在汽车工业对于考虑到壁厚减少的最大的许用量有要求，以确保在碰撞事故中的安全区域。 裂的几率 成形工艺过程中可以使用成形极限曲线的方法评定断裂的几率，该几率已在此部分的最初时间被描述好。 52 图 3 断裂的几率。 图中，裂纹以红色显示。右侧黑线代表成形极限曲线。同样显示数值模拟的结果（蓝色点） 图 4 图中的深蓝色线显示材料在成形操作时的流动情况。 如果材料流过圆角，零件 上就会出现拉深线。如果拉深线出现在外观零件的可见表面，该零件就会因质量原因而废掉。 深线 拉深线发生于当一个可见的零件外部区域通过圆角滑入当成形时。零件表面一点流动方式的曲线在数值模拟器件即出现这些线。拉深线在外部零件的可见表面是不应该出现的。 在描述成形能力的图 5，有足够应变的表面可以看到。通过共同研究这些使预测这些表面的稳定性成为可能。这是一种简化的分写。一种更为细致分析将会包括最终零件的应力与应变的联系。 53 图 5该图显示对工艺监测的一个实例。很容易理解成形工艺期间起皱的扩展情况 起皱 可见的起皱在零件上市不允许的。这些可以通过金属板料成形数值模拟来监测。 力 为以一种精确的方法测量工艺，必须要知道哪些力对成形该零件是必要的。这些力的数据可以从金属板料成形数值模拟的结果中获取。 表面缺陷 汽车外部零件对可能发生于成形期间的表面的翘曲很敏感。这些翘曲可能很小但是零件喷涂后仍然可54 见，这就意味着这个零件必须被废弃。这种缺陷可以通过人工检查到当它在表面轻微移动的时候。金属板料成形数值模拟通过对盈利应变分配的分析可以被用于监测危险区域 面的稳定性 稳定的表面的获得 目的为增大零件的刚度以阻止零件的不稳定和振动。金属板料成形数值模拟可以通过对应变分配的分析用于监测危险区域。 图 6 上图显示成形能力。上图中的灰色区域暗指不稳定的区域，粉红色区域则为起皱区域。 在下图中指示受压小约束表面标记为蓝色。如果这些区域位于外观零件的可见表面，则存在产生不稳定区域的可能性。 弹性回复 弹性回复可以被用于描述在制件被取出成形模具后发生的一种几何形状的变化。这种几何形状的变化导致该零件与其他零件进行装配式的不匹配。 工艺监测 在金属板料成形数值模拟中， 这种工艺可以通过动画的方式细致地而执行。 拉深 为使材料的消耗最小，优化毛坯的外形是很重要的。金属板料成形数值模拟可以通过分析内拉深工艺最大程度的充分利用坯料。 成形视窗 成形视窗可以被描述为工艺参数的许用变动范围。目的在于保证生产零件的质量。 55 试制模具的使用 试制模具当工艺方法设计需要验证时被使用（如图 1）。基于这种设计试制模具用锌合金铸造。例如，快速原型零件从这种试制模具中生产出来。试制模具与生产模具制件有几点不同。因此，在试制模具中生产如此多的零件是不可能的。 另外一点不同在于试制模具比生产模具要便宜更多。但是，由于两种形式模具件的区别的存在，对于在这两种形式模具中生产处的零件有同样的质量没有保证。 图 7 蓝绿色线显示坯料闭合后的板料位置。拉深线即可以通过与底部区域的线的比较测量。 4 产品可靠性模板 (样使确定某种影响的程度成为可能。这就为对大多数极其困难的问题提供了数值上的帮助。这些极困难的问题就特别的有趣当他们被解决的时候因为他们是最降低效率的。对 2001年提出。一个 991年提出，在该例子中在 5 结果 使用试制模具的技巧已经与金属板料成形数值模拟的技巧从两个方面进行了比较。第一方面是预测生产工艺不同的参数的能力，在第 3部分已经提到。第二方面是验证哪个工艺参数应该加以研究的能力。 预测工艺与生产工艺一致性的研究 2显示应用的不同领域不同的技巧与能力预测在生产工艺中的行为。 表 2 的数值已经通过与高级成形专家深入的研究而确定。 表 2中，使用到下面的等级 5 结果显示与生产工艺非常一致。 4 4 结果显示与生产工艺良好的一致。个别地方可能有分歧。 3 结果显示与生产工艺在大多数地方较好的一致。 2 结果显示与生产工艺在某些地方较好的一致。需要对结果进行间接地理解。 1 结果显示与生产工艺完全没有一致性。它不能被用于工艺预测或者是检验。 对于表 2的结论包括如下 断裂的几率与实际断裂间的差异在于断裂几率显示区域没有发生裂纹而是缩颈出现的地方。 参数“材料特点”指的是预测零件质量 的能力依赖于材料质量的波动。 工艺监测使控制在工艺过程中不同参数的如何改变成为可能。 成形视窗对于监测工艺对波动的敏感程度是一个辅助工具。 模具冲裁力的数值基于可以测量试制模具中的成形力的假设。 56 表 2 工艺一致性模板（ 产品工艺的一致性 参数 工艺 壁厚分配 断裂几率 断裂 拉深线 起皱 表面缺陷 表面的稳定性 弹性回复 材料性能 工艺监测 内部拉深 凸模冲压力 拉深量 冲裁力 成形视窗 数值模拟 4 4 4 4 4 2 2 2 4 4 4 3 2 2 4 试制模具 3 3 4 3 4 4 4 3 2 3 4 3 4 3 3 对于生产工艺中何种因素可以分析的研究 依据 对生产工艺有特殊性的不同因素分成不同因素组的放啊已经被运用在此次研究中。在先前的研究中 (et 1999年 )，关于这两种铝成形的技巧的不同因素已经被研究了。在这项研究中为方便的比较这两种技巧由于预测和验证被考虑这项工作得以修正。 在表 3中，使用到下面的等级 3 结果显示对生产工艺极好的预见性。 2 结果显示对生产工艺直接的预见性。 1 结果显示对生产工艺间接地 预见性。 0 结果根本不能预测生产工艺。 测试能力的局限 /扩大 对表 2和表 3的分析显示出在模具设计工艺过程中使用金属板料成形数值模拟的几个优点。然而，金属板料成形数值模拟的最大优点之一在于其使对不同零件、模具或是工艺的设计的测试成为可能，从而潜在的节省了时间和金钱。在这个方面，试制模具更为局限和昂贵，这就意味着仅有极少数量的试制模具被生产出来。试制模具的使用对测试有助于可能性的局限，然而，金属板料成形数值模拟的使用有助于测试可行性范围的扩大。 表 3 利用 数）的比 较的可能性考虑试制模具中的测量力的可能性 因素分组 金属板料成形数值模拟 试制模具 A 模具 具几何外形 2 2 观形状 /表面 0 1 深筋 1 2 B 材料 厚分配 2 2 裂的几率 2 2 深线 2 2 皱 2 2 面缺陷 1 2 面稳定性 1 2 性回复 1 2 料性能 2 2 部拉深 2 2 面粗糙度、擦损 0 2 C 工艺 压速度 1 2 57 度 0 1 滑 1 2 模冲压力 2 2 孔冲压力 2 2 形视窗 2 2 D 人为因素 制 1 2 换频率 1 2 E 维护 压力维护 1 1 F 特殊因素 具洁净成素 0 2 G 进口设备 控设备 1 3 6 结论 金属板料成形数值模拟的使用与试制模具的使用相比可极大地减少金钱和时间的花费。要点在于研究的数值模拟与实际生产工艺参数之间的良好的一致性。金属板料成形数值模拟对于 预测和验证成形工艺也要比试制模具高级。 当开始使用金属板料成形数值模拟时，所需投入相对较小。投入工作站和软件是很必要的，这些大概花费 500， 000外，拥有有能力胜任金属板料成形模拟工作的员工同样是比不可少的。与投资一套试制模具（每套 50， 000比，如果在合适的时候使用金属板料成形数值模拟在降低金钱和时间消耗方面的益处是很明显的。 正如起初是所提到的，现今金属板料成形数值模拟结果的精确性已足够高可以在很大程度上代替试制模具的使用。模具设计工艺中试制模具的使用对于某些时候对于验证某些工艺参数 可能是必要的，但是如下的优点则很紧密的和金属板料成形数值模拟联系在一起。 对于极重要的最初阶段工艺的更为深入的研究 ; 对于零件，模具和工艺设计测试的更高的柔性 ; 对于何时应该采用试制模具，使试制模具更具成效的更为深入的理解 ; 对于更大胆的设计汽车提供更大的潜力 ; 对于应用于汽车零部件的新材料的测试的更为可靠 ; 鉴于更前卫的设计，更低的耗费，和更短的交货时间以得到更强的竞争力。 7 总结 在该项研究得以进行的 属板料成形数值模拟现今已经是模具设计工艺的一个自然的部分。金属板料成形数值模拟自从 1995年起被使用，并且试验一直很好。现如今所有的工艺如此的复杂以致于基于数值模拟的试验选择成形条件是困难的。在 车是第一款全部使用数值模拟技术的汽车项目，当第一次被投入实际生产时在工艺问题上有很大的降低得以完成。 致 谢 作者想要表达对 项工作期间提供大量的数据信息和有趣的讨论。同样的感谢他的导师 ta品与材料工程分院，兰德大学），和他的合作导师 感谢他们的支持以及对该文章的修正。 39 英文资料 of in of a . is a of as of a in of be of is to it at an of in of in is to of to a is as an in of 1 to a of of a in to is a is is on of in a of 0 a of 5 is of In it be to of in is to of to a 2 he of is to of of in of in is on (ta001) a SM is a of in of is to a 3. on of on be a or be CM of in to 0 of in 3 a a of of a of of a a of is a in in to It is to of a by is a to of of be in of a in to of of to an . a A of or a of of of of is so Cs be a in A of is a of on In to of be is to of 1 2001), is is of 2001), is to In to a or a a of or is be in AD is of AD to is a of in by a is a in of A is 1991). in so a in to Cs of be an to In to of a it is to to of a of Rm n R 40 320 of a of of In to a of a a 80 42 is a in . a of a ). In in in to in of a . 0% 0% be by of a in . In in To is by of a of an a A of a on ) on a on an In , to be be By it is to of is a A 43 . in If a a on If on a of an be . an of of It is to on a be 4 ). In to in an it is to to be of a to of be be is be be by as it be of of in to of to be of a A . in In If on a of an is a is a be as a in g it is In be in by of To it is to of of by ). A be as of 5 in to of of of is to be )on in a a is a it is to
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