一、概述

　　板料成形是利用模具對(duì)金屬板料的沖壓加工，獲得質(zhì)量輕、表面光滑、造型美觀的沖壓件，具有節(jié)省材料、效率高和低成本等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、航空、模具等行業(yè)中占據(jù)著重要地位。由于板料成形是利用板材的變形得到所需的形狀的，長(zhǎng)期以來(lái)，困擾廣大模具設(shè)計(jì)人員的主要問(wèn)題就是較長(zhǎng)的模具開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)周期，特別是對(duì)于復(fù)雜的板料成形零件無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)成形的結(jié)果，難以預(yù)防缺陷的產(chǎn)生，只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)或類似零件的現(xiàn)有工藝資料，通過(guò)不斷的試模、修模，才能成功。某些特殊復(fù)雜的板料成形零件甚至制約了整個(gè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)度。

　　板料成形CAE市場(chǎng)技術(shù)及分析軟件，可以在產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)階段進(jìn)行工件坯料形狀預(yù)示、產(chǎn)品可成形性分析以及工藝方案優(yōu)化，從而有效地縮短模具設(shè)計(jì)周期，大大減少試模時(shí)間，幫助企業(yè)改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，從根本上提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

　　通過(guò)比較，就可發(fā)現(xiàn)板料成形CAE技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)。

　　(1)通過(guò)對(duì)工件的可成形工藝性分析，做出工件是否可制造的早期判斷；通過(guò)對(duì)模具方案和沖壓方案的模擬分析，及時(shí)調(diào)整修改模具結(jié)構(gòu)，減少實(shí)際試模次數(shù)，縮短開(kāi)發(fā)周期。

　　(2)通過(guò)缺陷預(yù)測(cè)來(lái)制定缺陷預(yù)防措施，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)，增強(qiáng)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及沖壓方案的可靠性，從而減少生產(chǎn)成本。

　　(3)通過(guò)CAE市場(chǎng)分析應(yīng)用不僅可以彌補(bǔ)工藝人員在經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)用工藝資料方面的不足，還可通過(guò)虛擬的沖壓模擬，提高提高工藝人員的經(jīng)驗(yàn)。

　　二、板料成形需要解決的問(wèn)題

　　板料成形通過(guò)模具對(duì)板料施加壓力，使板料產(chǎn)生永久性的塑性變形，以獲得預(yù)期的產(chǎn)品形狀。在這個(gè)過(guò)程中影響板材變形的因素非常多，要控制好變形的形狀也非常困難。首先，金屬受外力作用會(huì)發(fā)生變形，變形可分為彈性變形和塑性變形，彈性變形是可逆的，外力去除后變形體就會(huì)恢復(fù)成原來(lái)的形狀；第二，材料的成分和組織對(duì)變形影響很大；第三，塑性變形有多種方式，再結(jié)晶溫度下的塑性變形有晶內(nèi)滑移和孿動(dòng)、位錯(cuò)(位錯(cuò)分多種形式)，再結(jié)晶溫度上的塑性變形有晶間滑移、多晶體擴(kuò)散和相變變形等；第四，變形溫度、變形速度的影響；第五，變形體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的影響；第六，摩擦與潤(rùn)滑的影響；第七，材料塑性變形后，當(dāng)變形體內(nèi)部各部分變形不一致時(shí)，物體內(nèi)部產(chǎn)生相互牽制和自相平衡的負(fù)應(yīng)力。

　　由于在板料沖壓成型過(guò)程中，模具的剛性通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于板料的剛性，因此模具的變形相對(duì)板料的變形來(lái)說(shuō)極小，可以忽略不計(jì)。

　　在沖壓成形過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真中應(yīng)考慮的問(wèn)題歸結(jié)為如下幾個(gè)方面：

　　(1)板料的大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)和大應(yīng)變條件下的彈塑性變形的描述和計(jì)算。

　　(2)板料與模具間法向接觸力的計(jì)算。

　　(3)板料與模具接觸面間摩擦的描述及摩擦力的計(jì)算。

　　(4)模具的幾何描述和運(yùn)動(dòng)計(jì)算。

　　(5)壓力機(jī)加載過(guò)程的描述和模擬。

　　板料成形的工藝主要有沖壓工藝設(shè)計(jì)(包括毛坯尺寸計(jì)算、分步成形計(jì)算等)、模具設(shè)計(jì)、沖壓設(shè)備選擇和成形缺陷預(yù)測(cè)與消除等。

　　板料成形需要解決的主要問(wèn)題包括缺陷(起皺、拉裂、回彈)預(yù)防、壓邊力確定、模具磨損的影響、潤(rùn)滑方案確定、成形力確定、毛坯尺寸確定和壓延筋布置等。

　　基本的板料成形有圓筒件拉伸、凸緣圓筒件拉伸、盒形件拉伸、局部成型、彎曲成型、翻邊成型和脹型等。基本的板料成形，有一些經(jīng)驗(yàn)公式和類似零件作為參考。但對(duì)于復(fù)雜的板料成形，其各部位是連在一起的，相互牽聯(lián)和制約，故不要把變形性質(zhì)不同的部分孤立地看待，要考慮不同部位的相互影響，才不會(huì)造成失誤。

　　三、板料成形CAE市場(chǎng)軟件簡(jiǎn)介

　　較多的公司都推出了非常適合于模具設(shè)計(jì)工程師使用的板料成形數(shù)值模擬軟件。國(guó)外比較有名的商業(yè)化板料成形數(shù)值模擬軟件有ESI公司的PAM-STAMP、美國(guó)ETA公司的DYNAFORM和瑞士ETH公司的AUTOFORM等。

　　這些軟件采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，實(shí)現(xiàn)顯隱式無(wú)縫轉(zhuǎn)換，精度較高，用一步法作坯料快速開(kāi)發(fā)，具有較強(qiáng)的模面設(shè)計(jì)功能和焊板成形分析功能。這些公司的的產(chǎn)品較為全面，涵蓋了板料成形模擬的多個(gè)方面，廣泛應(yīng)用于拉伸、切邊、翻邊、彎曲、多工位成形、液壓脹形和彎管等領(lǐng)域。在自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)是在模擬成形過(guò)程中，在坯料遇到比較劇烈變形時(shí)自動(dòng)進(jìn)行局部區(qū)域的網(wǎng)格細(xì)分，以提高這些部位計(jì)算的準(zhǔn)確度。自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)沖壓成形是至關(guān)重要的，因?yàn)槌跏嫉臎_壓板材通常比較平坦、形狀很簡(jiǎn)單，剛開(kāi)始就采用較小的網(wǎng)格，計(jì)算時(shí)間將很長(zhǎng)。到成形后期，板材變的非常復(fù)雜，網(wǎng)格不細(xì)將無(wú)法提高計(jì)算精度，自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)剛好解決了這一問(wèn)題，并在時(shí)間與精度上巧妙地取得了平衡。自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)提高了對(duì)零件的表面質(zhì)量(表面缺陷、擦傷、微皺紋等現(xiàn)象)判斷的準(zhǔn)確性。

　　我國(guó)近幾年也開(kāi)發(fā)了較為成熟的板料成形CAE市場(chǎng)軟件，如華中科技大學(xué)塑性成形模擬及模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的FASTAMP以及元計(jì)算科技發(fā)展有限公司的FELAC等。

　　四、板料成形CAE市場(chǎng)軟件的應(yīng)用要求

　　數(shù)值模擬計(jì)算已經(jīng)與理論分析、試驗(yàn)研究成為科學(xué)技術(shù)探索研究的三個(gè)相互依存、不可缺少的手段。目前的板料成形CAE市場(chǎng)分析軟件已完全適合設(shè)計(jì)及工藝人員使用，完全工藝化的風(fēng)格，使工程師不必去關(guān)心細(xì)節(jié)部分的力學(xué)模型，只按實(shí)際沖壓條件作好網(wǎng)格劃分、約束條件、沖壓條件及邊界條件等預(yù)處理工作。在應(yīng)用中，板料成形CAE軟件的應(yīng)用要求有：

　　(1)掌握網(wǎng)格劃分技術(shù)的指導(dǎo)思想、劃分原則，保證有效性。

　　在現(xiàn)在的板料成形CAE市場(chǎng)分析軟件中，都提供了自動(dòng)劃分網(wǎng)格功能，并且大部分軟件采用了自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，所以網(wǎng)格劃分的操作非常簡(jiǎn)單，但需要分析人員對(duì)網(wǎng)格的有效性進(jìn)行判斷并確認(rèn)，對(duì)細(xì)節(jié)區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行修補(bǔ)或重劃分。

　　(2)要以現(xiàn)實(shí)沖壓條件為基礎(chǔ)，掌握實(shí)際沖壓條件的數(shù)學(xué)描述方法。

　　在板料成形CAE市場(chǎng)分析軟件中，一定要結(jié)合實(shí)際沖壓條件，掌握實(shí)際沖壓條件的數(shù)學(xué)描述方法。否則，CAE市場(chǎng)分析只能成為理論分析，不能應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。要準(zhǔn)確描述實(shí)際沖壓條件，需要進(jìn)行大量的調(diào)查分析。

　　(3)CAE分析與經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)積累同等重要。

　　采用CAE分析的同時(shí)，不可忽視經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)積累。如在歐美多數(shù)采用仿真設(shè)計(jì)，但在日本，模具設(shè)計(jì)師通常更多的是依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)模具。經(jīng)驗(yàn)的重要性體現(xiàn)在：1)在板料成形CAE分析的預(yù)處理過(guò)程中，好的工藝輔助面及拉延筋可以快速達(dá)到預(yù)期的目的；2)在后處理分析發(fā)現(xiàn)成形缺陷時(shí)，通過(guò)什么方法來(lái)改善，需要有豐富的經(jīng)驗(yàn)。

　　(4)CAE分析必須與零件及模具的CAD/CAM并行交互。

　　CAE分析是為零件及模具的設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)優(yōu)化等服務(wù)的，不能將CAE分析孤立，而應(yīng)該更多地滲入零件及模具的設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)，及早地改善模具設(shè)計(jì)，優(yōu)化工藝參數(shù)，甚至改進(jìn)零件設(shè)計(jì)，才能縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。

　　五、結(jié)論

　　板料拉深成形是汽車、航空工業(yè)領(lǐng)域中一種重要的加工方法。板料拉深成形中經(jīng)常產(chǎn)生起皺、破裂、殘余應(yīng)力、回彈等問(wèn)題，這些問(wèn)題主要是受材料的成形性能、壓邊力、毛坯的形狀和尺寸以及模具的幾何形狀等因素的影響。采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法逐一分析各種因素對(duì)板料成形的影響將耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力物力。隨著計(jì)算機(jī)模擬和仿真技術(shù)的發(fā)展，板料拉深成形過(guò)程的分析、缺陷分布等問(wèn)題都可以通過(guò)有限元模擬軟件預(yù)測(cè)分析。

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