封蓋的落料拉深沖孔復(fù)合模具設(shè)計(jì)-沖壓模含NX三維及18張CAD圖

封蓋的落料拉深沖孔復(fù)合模具設(shè)計(jì)-沖壓模含NX三維及18張CAD圖,落料拉深,沖孔,復(fù)合,模具設(shè)計(jì),沖壓,nx,三維,18,cad 中文翻譯 成形模具設(shè)計(jì)中的板料成形數(shù)值模擬與試制模具的比較 A. ANDERSSON? , ? , _ 當(dāng)今，金屬板料成形數(shù)值模擬是一種用于預(yù)測汽車零部件成形能力的強(qiáng)有力的技巧。與傳統(tǒng)的方法比如使用試制模具，金屬板料成形數(shù)值模擬在模具設(shè)計(jì)中應(yīng)用程度的巨大的增加使實(shí)體模具在制造之前被測試成為可能。另外一種金屬板料成形模擬的優(yōu)點(diǎn)在于其可利用于工藝設(shè)計(jì)早期階段，例如在最初的設(shè)計(jì)階段。如今，金屬板料成形數(shù)值模擬的結(jié)果的精確度在很大程度上已足夠高，以致于可代替試制模具的使用。在沃爾沃汽車公司，車身部件工廠，該項(xiàng)研究已經(jīng)被啟動(dòng)，金屬板料成形模擬以集成的模塊形式在模具設(shè)計(jì)與模具生產(chǎn)的工藝中被使用。 1 引言 傳統(tǒng)地，試制模具被用于驗(yàn)證某種模具設(shè)計(jì)能否生產(chǎn)滿足要求質(zhì)量的零件。試制模具通常由比生產(chǎn)用模具更便宜的材料制成。這是一種很省時(shí)且節(jié)約成本的方式。但是，如今另外一種更為行之有效的技術(shù)可以使用——金屬板料成形模擬。這種新技術(shù)基于成形工藝的數(shù)值模擬，并且對(duì)于每套實(shí)用模具可以降低10%的成本和15%的生產(chǎn)時(shí)間。金屬板料成形數(shù)值模擬技術(shù)不斷的發(fā)展，并且模擬的結(jié)果越來越精確。在將來，或許可以使用金屬板料成形數(shù)值模擬用于分析更多的工藝。如今，金屬板料成形數(shù)值模擬的結(jié)果的精確度在很大程度上已足夠高可代替試制模具的使用。 2 方法 該研究的目的在于分析和比較金屬板料成形數(shù)值模擬和試制模具在成形模具設(shè)計(jì)中的優(yōu)缺點(diǎn)。此研究中使用的方法基于專為該研究開發(fā)的產(chǎn)品可靠性模板（PSM) (Rundqvist and Sta°hl 2001年)和工藝一致性模板 (PCM)。PSM是一種把工藝中的不同因素（參數(shù)）按目錄編入不同因素組的模板。然后每種因素（參數(shù)）的影響被評(píng)定為0—3等級(jí)。基于模板的結(jié)果，對(duì)產(chǎn)品工藝有最大影響的參數(shù)可以被篩選出來，然后可以制作折中或是最小化這些影響的優(yōu)先表。PCM是通過高級(jí)專家測試在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)汽車元器件成形的連續(xù)測試來分析金屬板料成形數(shù)值模擬、試制模具的結(jié)果，生產(chǎn)零件的質(zhì)量 3 設(shè)計(jì)成形模具的工藝 圖1所示，一種在沃爾沃汽車公司車身部件工廠（VCBC）的開發(fā)一種成形模具的簡化生產(chǎn)工藝流程。 一種成形模具設(shè)計(jì)的工藝包括試制階段，該階段各種不同的模具設(shè)計(jì)被測試。這是一個(gè)在模具設(shè)計(jì)工藝中很重要的階段，目的在于驗(yàn)證零件將會(huì)滿足所要求的質(zhì)量。預(yù)測一種成形操作的結(jié)果是很困難的，但是通過使用金屬板料成形數(shù)值模擬方法使得對(duì)成形操作的結(jié)果有價(jià)值的預(yù)測成為可能。 零件/工藝最初的設(shè)計(jì) 零件 設(shè)計(jì) 硬質(zhì)模具/工藝設(shè)計(jì) 試制 模具 金屬板料成形數(shù)值模擬 圖1 VCBC設(shè)計(jì)成形模具的工藝方法 3.1 金屬板料成形數(shù)值模擬的使用 金屬板料成形數(shù)值模擬可以被利用到模具設(shè)計(jì)工藝的幾個(gè)階段。 ● 起初設(shè)計(jì)的早期階段，能夠快速驗(yàn)證汽車元器件設(shè)計(jì)的不同的方案 ● 預(yù)測并且驗(yàn)證成形工藝 ● 改善現(xiàn)有的工藝 3.1.1 金屬板料成形數(shù)值模擬的需求 ● 數(shù)值模擬軟件 ● 零件布局的CAD模型或模具成形表面的CAD模型 ● 描述特定金屬板料材料的參數(shù) ● 工藝參數(shù) ● 工作站（現(xiàn)今個(gè)人計(jì)算機(jī)的發(fā)展快速的提升以致于個(gè)人計(jì)算機(jī)在將來會(huì)成為一種強(qiáng)有力的替代） ● 一名有能力可以操作該軟件并能夠分析數(shù)值模擬結(jié)果的員工 數(shù)值模擬軟件?，F(xiàn)今市場有各種各樣的商業(yè)軟件可供使用。為找到合適的軟件，必須分析所使用的領(lǐng)域。考慮到用戶界面友好性與軟件柔性，軟件包是不同的。 在進(jìn)行該項(xiàng)研究的VCBC，兩種不同的軟件包得以使用。一種是用戶友好的可快速提供結(jié)果的AUTOFORM（2001）。該軟件用于獲取合理的模具集合形狀的反復(fù)的分析工藝。另外一種軟件是LS—DYNA（2001），被用于驗(yàn)證AUTOFORM的結(jié)果。 ● CAD模型。為使用金屬板料成形數(shù)值模擬方法分析零件或者模具設(shè)計(jì)，就需要該零件或者模具的CAD模型。這種模型可以在大多數(shù)CAD軟件中構(gòu)造。例如，在VCBC使用的CATIA軟件。不同的數(shù)值模擬軟件需要不同類型的CAD模型。 ● 材料參數(shù)。單向拉深實(shí)驗(yàn)被用于描述材料參數(shù)。同樣有必要描述材料內(nèi)部斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。描述斷裂的數(shù)據(jù)是通過創(chuàng)建成形極限曲線來獲取的。成形極限曲線是一種顯示在斷裂發(fā)生前最大許用應(yīng)力數(shù)值的描繪在基準(zhǔn)應(yīng)力平面上的曲線。更為透徹的描述由Pearce于1991年提出。 ● 工藝參數(shù)。金屬板料成形數(shù)值模擬需要核實(shí)的工藝參數(shù)。 ● 工作站。用于進(jìn)行金屬板料成形數(shù)值模擬的模型通常很大以致于為獲得核實(shí)的運(yùn)算時(shí)間而需要使用工作站。但是，個(gè)人計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使幾臺(tái)PC聯(lián)網(wǎng)成為可能，這有可能會(huì)是工作站的替代。 ● 有能力的員工。為讀懂金屬板料成形數(shù)值模擬的結(jié)果，能夠輸入正確的數(shù)據(jù)并且擁有理解結(jié)果的能力是狠必要的。這就需要有能力的員工。這種能力應(yīng)該包括成形知識(shí)和數(shù)值模擬知識(shí)這由于考慮到生產(chǎn)工藝與翻譯結(jié)果二者的聯(lián)系。 表1 V-1158.的材料數(shù)據(jù) 壁厚(mm) Rp0.2屈服強(qiáng)度(Mpa) Rm抗拉強(qiáng)度極限 (MPa) n 值 (平均值) R 值 (平均值) 0.8 140 320 0.243 1.76 3.2 金屬板料成形數(shù)值模擬的結(jié)果 金屬板料成形數(shù)值模擬式如下的研究成為可能： ● 壁厚的分配 ● 斷裂的幾率 ● 拉深線 ● 起皺 ● 拉深/沖孔的壓力 ● 表面缺陷 ● 表面的穩(wěn)定性 ● 彈性回復(fù) ● 材料行為 ● 工藝監(jiān)測 ● 內(nèi)部拉深 ● 成形視窗 ● 力（凸模、沖孔） 圖2 壁厚的分配藍(lán)色區(qū)域顯示變薄20%，紅色10% 為驗(yàn)證可能的結(jié)果對(duì)VolvoS80的車身外側(cè)的數(shù)值模擬進(jìn)行了研究。用于該種汽車元器件的材料是一種有著良好成形能力的中碳鋼(V—1158)。材料的參數(shù)如表1所示。 3.2.1 壁厚的分配。 金屬板料成形數(shù)值模擬可以為部件壁厚的分配提供一個(gè)良好的近似值。在汽車工業(yè)對(duì)于考慮到壁厚減少的最大的許用量有要求，以確保在碰撞事故中的安全區(qū)域。 3.2.2 斷裂的幾率 成形工藝過程中可以使用成形極限曲線的方法評(píng)定斷裂的幾率，該幾率已在此部分的最初時(shí)間被描述好。 圖3 斷裂的幾率。 圖中，裂紋以紅色顯示。右側(cè)黑線代表成形極限曲線。同樣顯示數(shù)值模擬的結(jié)果（藍(lán)色點(diǎn)） 圖4 圖中的深藍(lán)色線顯示材料在成形操作時(shí)的流動(dòng)情況。 如果材料流過圓角，零件上就會(huì)出現(xiàn)拉深線。如果拉深線出現(xiàn)在外觀零件的可見表面，該零件就會(huì)因質(zhì)量原因而廢掉。 3.2.3 拉深線 拉深線發(fā)生于當(dāng)一個(gè)可見的零件外部區(qū)域通過圓角滑入當(dāng)成形時(shí)。零件表面一點(diǎn)流動(dòng)方式的曲線在數(shù)值模擬器件即出現(xiàn)這些線。拉深線在外部零件的可見表面是不應(yīng)該出現(xiàn)的。 在描述成形能力的圖5，有足夠應(yīng)變的表面可以看到。通過共同研究這些使預(yù)測這些表面的穩(wěn)定性成為可能。這是一種簡化的分寫。一種更為細(xì)致分析將會(huì)包括最終零件的應(yīng)力與應(yīng)變的聯(lián)系。 圖5該圖顯示對(duì)工藝監(jiān)測的一個(gè)實(shí)例。很容易理解成形工藝期間起皺的擴(kuò)展情況 3.2.4 起皺 可見的起皺在零件上市不允許的。這些可以通過金屬板料成形數(shù)值模擬來監(jiān)測。 3.2.5 力 為以一種精確的方法測量工藝，必須要知道哪些力對(duì)成形該零件是必要的。這些力的數(shù)據(jù)可以從金屬板料成形數(shù)值模擬的結(jié)果中獲取。 3.2.6 表面缺陷 汽車外部零件對(duì)可能發(fā)生于成形期間的表面的翹曲很敏感。這些翹曲可能很小但是零件噴涂后仍然可見，這就意味著這個(gè)零件必須被廢棄。這種缺陷可以通過人工檢查到當(dāng)它在表面輕微移動(dòng)的時(shí)候。金屬板料成形數(shù)值模擬通過對(duì)盈利應(yīng)變分配的分析可以被用于監(jiān)測危險(xiǎn)區(qū)域 3.2.7 表面的穩(wěn)定性 穩(wěn)定的表面的獲得目的為增大零件的剛度以阻止零件的不穩(wěn)定和振動(dòng)。金屬板料成形數(shù)值模擬可以通過對(duì)應(yīng)變分配的分析用于監(jiān)測危險(xiǎn)區(qū)域。 圖6 上圖顯示成形能力。上圖中的灰色區(qū)域暗指不穩(wěn)定的區(qū)域，粉紅色區(qū)域則為起皺區(qū)域。 在下圖中指示受壓小約束表面標(biāo)記為藍(lán)色。如果這些區(qū)域位于外觀零件的可見表面，則存在產(chǎn)生不穩(wěn)定區(qū)域的可能性。 3.2.8 彈性回復(fù) 彈性回復(fù)可以被用于描述在制件被取出成形模具后發(fā)生的一種幾何形狀的變化。這種幾何形狀的變化導(dǎo)致該零件與其他零件進(jìn)行裝配式的不匹配。 3.2.9 工藝監(jiān)測 在金屬板料成形數(shù)值模擬中，這種工藝可以通過動(dòng)畫的方式細(xì)致地而執(zhí)行。 3.2.10 拉深 為使材料的消耗最小，優(yōu)化毛坯的外形是很重要的。金屬板料成形數(shù)值模擬可以通過分析內(nèi)拉深工藝最大程度的充分利用坯料。 3.2.11 成形視窗 成形視窗可以被描述為工藝參數(shù)的許用變動(dòng)范圍。目的在于保證生產(chǎn)零件的質(zhì)量。 3.3 試制模具的使用 試制模具當(dāng)工藝方法設(shè)計(jì)需要驗(yàn)證時(shí)被使用（如圖1）?；谶@種設(shè)計(jì)試制模具用鋅合金鑄造。例如，快速原型零件從這種試制模具中生產(chǎn)出來。試制模具與生產(chǎn)模具制件有幾點(diǎn)不同。因此，在試制模具中生產(chǎn)如此多的零件是不可能的。另外一點(diǎn)不同在于試制模具比生產(chǎn)模具要便宜更多。但是，由于兩種形式模具件的區(qū)別的存在，對(duì)于在這兩種形式模具中生產(chǎn)處的零件有同樣的質(zhì)量沒有保證。 圖7 藍(lán)綠色線顯示坯料閉合后的板料位置。拉深線即可以通過與底部區(qū)域的線的比較測量。 4 產(chǎn)品可靠性模板(PSM) PSM可以用于確定哪個(gè)參數(shù)對(duì)工藝的穩(wěn)定性有巨大的影響。同樣使確定某種影響的程度成為可能。這就為對(duì)大多數(shù)極其困難的問題提供了數(shù)值上的幫助。這些極困難的問題就特別的有趣當(dāng)他們被解決的時(shí)候因?yàn)樗麄兪亲罱档托实?。?duì)PSM更為細(xì)致的描述由Rundqvist 和 Sta°hl 于2001年提出。一個(gè)PSM被使用的例子由. Pettersson于1991年提出，在該例子中在VCBCPSM被用于分析不同的工藝。 5 結(jié)果 使用試制模具的技巧已經(jīng)與金屬板料成形數(shù)值模擬的技巧從兩個(gè)方面進(jìn)行了比較。第一方面是預(yù)測生產(chǎn)工藝不同的參數(shù)的能力，在第3部分已經(jīng)提到。第二方面是驗(yàn)證哪個(gè)工藝參數(shù)應(yīng)該加以研究的能力。 5.1 預(yù)測工藝與生產(chǎn)工藝一致性的研究 PCM提供試制模具與數(shù)值模擬考慮生產(chǎn)工藝的相關(guān)性透徹的比較。表2顯示應(yīng)用的不同領(lǐng)域不同的技巧與能力預(yù)測在生產(chǎn)工藝中的行為。表2 的數(shù)值已經(jīng)通過與高級(jí)成形專家深入的研究而確定。 表2中，使用到下面的等級(jí) 5 結(jié)果顯示與生產(chǎn)工藝非常一致。4 4 結(jié)果顯示與生產(chǎn)工藝良好的一致。個(gè)別地方可能有分歧。 3 結(jié)果顯示與生產(chǎn)工藝在大多數(shù)地方較好的一致。 2 結(jié)果顯示與生產(chǎn)工藝在某些地方較好的一致。需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行間接地理解。 1 結(jié)果顯示與生產(chǎn)工藝完全沒有一致性。它不能被用于工藝預(yù)測或者是檢驗(yàn)。 對(duì)于表2的結(jié)論包括如下 ● 斷裂的幾率與實(shí)際斷裂間的差異在于斷裂幾率顯示區(qū)域沒有發(fā)生裂紋而是縮頸出現(xiàn)的地方。 ● 參數(shù)“材料特點(diǎn)”指的是預(yù)測零件質(zhì)量的能力依賴于材料質(zhì)量的波動(dòng)。 ● 工藝監(jiān)測使控制在工藝過程中不同參數(shù)的如何改變成為可能。 ● 成形視窗對(duì)于監(jiān)測工藝對(duì)波動(dòng)的敏感程度是一個(gè)輔助工具。 ● 模具沖裁力的數(shù)值基于可以測量試制模具中的成形力的假設(shè)。 表2 工藝一致性模板（PCM）：產(chǎn)品工藝的一致性 參數(shù) 工藝 壁厚分配 斷裂幾率 斷裂 拉深線 起皺 表面缺陷 表面的穩(wěn)定性 彈性回復(fù) 材料性能 工藝監(jiān)測 內(nèi)部拉深 凸模沖壓力 拉深量 沖裁力 成形視窗 數(shù)值模擬 4 4 4 4 4 2 2 2 4 4 4 3 2 2 4 試制模具 3 3 4 3 4 4 4 3 2 3 4 3 4 3 3 5.2 對(duì)于生產(chǎn)工藝中何種因素可以分析的研究 依據(jù)PSM模型，將對(duì)生產(chǎn)工藝有特殊性的不同因素分成不同因素組的放啊已經(jīng)被運(yùn)用在此次研究中。在先前的研究中(Andersson et al. 1999年)，關(guān)于這兩種鋁成形的技巧的不同因素已經(jīng)被研究了。在這項(xiàng)研究中為方便的比較這兩種技巧由于預(yù)測和驗(yàn)證被考慮這項(xiàng)工作得以修正。 在表3中，使用到下面的等級(jí) 3 結(jié)果顯示對(duì)生產(chǎn)工藝極好的預(yù)見性。 2 結(jié)果顯示對(duì)生產(chǎn)工藝直接的預(yù)見性。 1 結(jié)果顯示對(duì)生產(chǎn)工藝間接地預(yù)見性。 0 結(jié)果根本不能預(yù)測生產(chǎn)工藝。 5.3 測試能力的局限/擴(kuò)大 對(duì)表2和表3的分析顯示出在模具設(shè)計(jì)工藝過程中使用金屬板料成形數(shù)值模擬的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。然而，金屬板料成形數(shù)值模擬的最大優(yōu)點(diǎn)之一在于其使對(duì)不同零件、模具或是工藝的設(shè)計(jì)的測試成為可能，從而潛在的節(jié)省了時(shí)間和金錢。在這個(gè)方面，試制模具更為局限和昂貴，這就意味著僅有極少數(shù)量的試制模具被生產(chǎn)出來。試制模具的使用對(duì)測試有助于可能性的局限，然而，金屬板料成形數(shù)值模擬的使用有助于測試可行性范圍的擴(kuò)大。 表3 利用PSM預(yù)測生產(chǎn)工藝中的不同因素（參數(shù)）的比較的可能性考慮試制模具中的測量力的可能性 因素分組 金屬板料成形數(shù)值模擬 試制模具 A 模具 A1 模具幾何外形 2 2 A2 微觀形狀/表面 0 1 A3 拉深筋 1 2 B 材料 B1 壁厚分配 2 2 B2 斷裂的幾率 2 2 B3 拉深線 2 2 B4 起皺 2 2 B5 表面缺陷 1 2 B7 表面穩(wěn)定性 1 2 B8 彈性回復(fù) 1 2 B9 材料性能 2 2 B10 內(nèi)部拉深 2 2 B11 表面粗糙度、擦損 0 2 C 工藝 C1 沖壓速度 1 2 C2 溫度 0 1 C3 潤滑 1 2 C4 凸模沖壓力 2 2 C5 沖孔沖壓力 2 2 C8 成形視窗 2 2 D 人為因素 D1 控制 1 2 D2 變換頻率 1 2 E 維護(hù) E2 沖壓力維護(hù) 1 1 F 特殊因素 F1 模具潔凈成素 0 2 G 進(jìn)口設(shè)備 G1 操控設(shè)備 1 3 6 結(jié)論 金屬板料成形數(shù)值模擬的使用與試制模具的使用相比可極大地減少金錢和時(shí)間的花費(fèi)。要點(diǎn)在于研究的數(shù)值模擬與實(shí)際生產(chǎn)工藝參數(shù)之間的良好的一致性。金屬板料成形數(shù)值模擬對(duì)于預(yù)測和驗(yàn)證成形工藝也要比試制模具高級(jí)。 當(dāng)開始使用金屬板料成形數(shù)值模擬時(shí)，所需投入相對(duì)較小。投入工作站和軟件是很必要的，這些大概花費(fèi)500，000SEK。此外，擁有有能力勝任金屬板料成形模擬工作的員工同樣是比不可少的。與投資一套試制模具（每套50，000SEK）相比，如果在合適的時(shí)候使用金屬板料成形數(shù)值模擬在降低金錢和時(shí)間消耗方面的益處是很明顯的。 正如起初是所提到的，現(xiàn)今金屬板料成形數(shù)值模擬結(jié)果的精確性已足夠高可以在很大程度上代替試制模具的使用。模具設(shè)計(jì)工藝中試制模具的使用對(duì)于某些時(shí)候?qū)τ隍?yàn)證某些工藝參數(shù)可能是必要的，但是如下的優(yōu)點(diǎn)則很緊密的和金屬板料成形數(shù)值模擬聯(lián)系在一起。 對(duì)于極重要的最初階段工藝的更為深入的研究; 對(duì)于零件，模具和工藝設(shè)計(jì)測試的更高的柔性; 對(duì)于何時(shí)應(yīng)該采用試制模具，使試制模具更具成效的更為深入的理解; 對(duì)于更大膽的設(shè)計(jì)汽車提供更大的潛力; 對(duì)于應(yīng)用于汽車零部件的新材料的測試的更為可靠; 鑒于更前衛(wèi)的設(shè)計(jì)，更低的耗費(fèi)，和更短的交貨時(shí)間以得到更強(qiáng)的競爭力。 7 總結(jié) 在該項(xiàng)研究得以進(jìn)行的VCBC，金屬板料成形數(shù)值模擬現(xiàn)今已經(jīng)是模具設(shè)計(jì)工藝的一個(gè)自然的部分。金屬板料成形數(shù)值模擬自從1995年起被使用，并且試驗(yàn)一直很好?，F(xiàn)如今所有的工藝如此的復(fù)雜以致于基于數(shù)值模擬的試驗(yàn)選擇成形條件是困難的。在VolvoS80開發(fā)期間，該車是第一款全部使用數(shù)值模擬技術(shù)的汽車項(xiàng)目，當(dāng)?shù)谝淮伪煌度雽?shí)際生產(chǎn)時(shí)在工藝問題上有很大的降低得以完成。 致 謝 作者想要表達(dá)對(duì)VCBC的同事，此項(xiàng)工作期間提供大量的數(shù)據(jù)信息和有趣的討論。同樣的感謝他的導(dǎo)師Jan-Eric Sta°hl教授（產(chǎn)品與材料工程分院，蘭德大學(xué)），和他的合作導(dǎo)師Kjell Mattiasson教授（Chalmers University of Technology)，感謝他們的支持以及對(duì)該文章的修正。 57