基于dynaflm的板料成形过程数值模拟

基于dynaflm的板料成形过程数值模拟

1ae/cad/最佳生产技术随着工程技术和先进制造技术的快速发展，对制造业信息的研究越来越受到重视。它已成为制造业的重要支柱行业的原型制造信息管理的应用。复杂形状零件的成形过程分析、工艺与模具设计及模具零件加工有非常紧密的联系,研究复杂形状拉深件的CAE/CAD/CAM一体化有重要的意义。板料拉深过程的计算机数值模拟技术实质上就是在计算机上进行虚拟板料拉深成形过程,通过输入各种给定虚拟条件和一些实际实验参数,分析板料在拉深成形过程中,各种缺陷产生的位置和分布程度,从而精确断定缺陷产生的具体原因以及找出相对应的解决策略来。模具制造由技能化逐步向科学化方向发展,原来依靠绘制图形和主模型制造大型覆盖件模具的传统方法,也逐步由CAD/CAM系统以数字描述覆盖件形状并转化为加工轨迹的方法所取代。用CAD数据生成刀具的加工轨迹,能自动加工出用于成形覆盖件等大型制件的冲压模具。本文以高速列车某拉深件为研究对象(图1),研究其成形工艺与模具,选择最佳成形参数和工艺方案,并确定模具结构,进行数控加工,以保证模具设计制造的成功及拉深件的质量可靠。2拉深过程的数值模拟2.1拉深成型件的质量影响因素在板材拉深过程中,主要成形缺陷是起皱和拉裂。压边力是影响板材成形质量的重要工艺因素,压边力过大,制件易被拉裂;压边力过小,制件易起皱。在拉深件的成形过程中,毛坯的受力大部分来源于压料面作用力,而压料面作用力的大小主要由拉深筋决定。因此,在覆盖件的拉深过程中,拉深筋起着举足轻重的作用。在模具上合理设置拉深筋,可以有效地阻止薄板在冲压成形过程中发生起皱缺陷,使薄板的塑性流动更趋均匀,从而允许薄板发生更大的塑性应变,提高成形件的刚度和强度。凸、凹模圆角半径的大小对于能否获得理想的拉深件有很重要的作用。当凸模圆角半径过小时,容易拉裂;凹模圆角半径过小时,引起总拉深力的增大和模具寿命的降低。凸模或凹模圆角半径过大,则板料的变形阻力小,金属流动性好,但相应的也会减少压边的有效面积,使制件容易起皱。另外,坯料的形状、尺寸和拉深材料力学性能等因素,对拉深成形件的质量都有很大的影响。本零件材料奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti,板料厚度1.5mm。1Cr18Ni9Ti的耐蚀性能、强度和塑性均较高,具有很强的加工硬化能力和变形强化能力,适合于覆盖件的拉深。总之,影响板料拉深成形质量的因素很多。这些因素往往相互耦合、相互制约,因而在模拟过程中要经过多次试模拟和多次修正才能确定。2.2拉深筋参数调整方案方案一:从节省板料的角度,选用坯料形状、尺寸如图2所示,不设拉深筋,凸、凹模圆角半径分别为10mm、8mm,压边力取180kN。分析:后处理得到结果,板料尺寸选的过小,板料边缘被拉入凹模中;成形件的起皱及起皱倾向的范围也比较大。结合本方案出现的问题,从改善起皱问题的角度,对易起皱的覆盖件,应通过工艺补充改善其工艺性能。还可以预测出因压边力过小,会导致起皱。对于该零件的拉深,设置拉深筋已成为必需条件,它能抑制起皱现象,显著提高覆盖件的成形质量。结论:本方案出现的主要问题是由于没有设置拉深筋而导致起皱和板料不足。方案二:选择的坯料形状尺寸如图3所示,尺寸适当增加,凹模上设置拉深筋(图4),压边力适当增加,取200kN,凸、凹模圆角半径不变。分析:在后处理中,有起皱倾向,但厚度增厚不大,起皱不是主要问题。而在设置拉深筋后,出现了拉深件另一个缺陷———拉裂问题。针对在零件底部和上边缘部分出现拉裂现象,分析认为,拉深毛坯实际受到的力与拉深筋的参数有着很大的关系:拉深筋高度过高,拉深筋的圆弧半径过小,筋与压料面间的过渡圆角半径过小,都会使得毛坯受到的径向拉应力增加。这里采用了半圆形筋,当拉深筋的形式定下来之后,在冲压生产中,拉深筋阻力的进一步调整则需要以调整拉深筋参数为主。结论:此方案出现拉裂问题主要原因是拉深筋参数设置的不合理,使拉深筋阻力增大,而导致拉裂。方案三:相比方案二,除了改变拉深筋参数,其他的条件都相同。拉深筋参数修改主要是减小筋高、增大筋的圆角半径、增大筋与压料面间的过渡圆角半径。分析:与方案二相比,拉深件仅有零件的上边缘一处拉裂。拉深件底部有拉裂倾向,相比起正常安全区域厚度及板料厚度,拉裂危险倾向区域厚度减薄变化不大,拉深件底部拉深成功;拉深件四周的起皱倾向和方案二基本一致,也不存在起皱问题。分析零件上边缘部分的拉裂问题,原因应是模具参数不合理,使材料流动阻力过大,应修正模具参数(主要是凸、凹模圆角半径,凸、凹模间隙)。结论:拉深筋参数的修改,减小了筋的阻力。而模具参数设置不合理,也会导致拉裂。方案四:除了凹模圆角半径增大到12mm,其他的各个模拟条件均与方案三相同。厚度变化图、成形极限图分别如图5、图6所示。分析:从成形极限图看,在拉裂区没有拉裂问题,在拉裂区和安全区之间的临界区仅有很小一点拉裂危险倾向区域,参照厚度变化图,拉裂危险倾向区域厚度最小为1.11mm,和正常安全区域厚度约1.3mm及板料厚度1.5mm相比,材料厚度减薄变化不大,所以此方案避免了拉裂问题;拉深件边缘虽有起皱倾向,但和方案二、三基本一致,因此不存在起皱问题。凹模圆角半径增大,使板料变形阻力减小,金属流动性好,一定程度上抑制了拉裂现象出现。结论:凸、凹模圆角半径的确定应与工件变形特点、拉深筋等因素综合起来考虑。本方案通过增加凹模圆角半径,结合方案三的拉深筋参数、压边力等条件,抑制了拉裂问题。因此,本方案模拟过程及结果是成功的。方案五:为了寻找最佳方案,增加拉深筋的数量,在拉深件左右两圆周周围设置拉深筋(图7),其他条件和方案四相同。分析:增设拉深筋数量后,在起皱区,成形的拉深件已没有起皱现象;在拉裂区,也不存在拉裂现象;在拉裂区与安全区之间的临界区,拉深件底部存在一些有拉裂危险倾向的区域,参考其厚度变化,拉裂危险倾向区域厚度减薄变化不大,所以不存在拉裂问题。增设拉深筋后,一定程度上也导致了拉裂危险倾向的区域增大。结论:增设拉深筋数量后,抑制了起皱及起皱倾向的发生,相应存在一些有拉裂危险倾向的区域,但不至于拉裂。因此,本方案是成功的。经过上述模拟可以看出方案四、五是成功的。为了选择最优方案,仔细权衡,最终选择方案四。理由:(1)方案四拉深件边缘虽有起皱倾向,但正如方案四分析,不存在起皱问题。(2)方案四拉裂危险倾向区域很小,几乎不存在,方案五拉裂危险倾向区域则显得有点大。(3)方案四中板料最薄厚度为1.11mm,方案五中板料最薄厚度为0.98mm。(4)方案五增加拉深筋数量,增加了加工模具的费用和工时。因此,选用方案四作为设计模具的依据,其模拟结果用于指导工艺方案确定的模具设计。3大型件模具设计根据数值模拟得到的结果,运用CAD软件进行模具总体设计。本拉深属于覆盖件拉深,所以其模具设计属于大型件的模具设计,不同于一般的拉深模设计。本模具采用315双动拉深压力机,压边圈通过压边圈座连接外滑块,上模部分连接内滑块,凸模与压边圈之间、压边圈与凹模之间用导向板导向。模具装配图见图8,三维装配体如图9所示。4模具加工过程本文应用CAXA制造工程师进行数控加工编程。CAXA制造工程师将CAD模型与CAM加工技术无缝集成,可直接对曲面、实体模型进行一致的加工操作。支持高速切削和NURBS插补,大幅度提高加工效率和加工质量。通用后置处理可向任何数控系统输出加工代码。运用CAXA制造工程师实现加工的过程:首先,配置机床,这是正确输出代码的关键;其次,看懂图纸,确定曲线、曲面和实体表达方式;然后,根据工件形状,选择合适的加工方式,生成刀位轨迹;最后,生成G代码,输入机床。现以凸模加工为例,描述模具加工过程。凸模采用实体加工,先进行凸模粗加工。其主要步骤如下:(1)调入凸模CAD模型,如图10所示。(2)进行粗加工参数设置。(3)参数设置完毕后,选择毛坯,加工实体,自动产生加工轨迹。如图11所示。(4)进行轨迹仿真。粗加工后的凸模见图12所示。(5)进行后置处理,生成G代码。然后,利用凸模粗加工后的模型,继续进行凸模精加工。最终得到的精加工后的凸模,如图13所示。最后,生成凸模精加工的G代码。对于其他主要零件(凹模、压边圈、拉深筋),应针对不同加工部分的形状类型,采用不同的加工方式,例如实体加工、曲面轮廓加工、平面