板料沖壓成形仿真技術(shù)的應(yīng)用研究

鄭 玲

（達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械系，四川 達(dá)州635001）

0 引言

目前，采用柔性工藝生產(chǎn)輕量化產(chǎn)品是制造業(yè)發(fā)展的一個(gè)總趨勢(shì)，為了順應(yīng)這一趨勢(shì)，必須生產(chǎn)出質(zhì)量更輕、精度更高的金屬板料［1］。在生產(chǎn)金屬板料的過程中，板料沖壓成形仿真技術(shù)的運(yùn)用，符合了制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，能夠縮短產(chǎn)品開發(fā)的周期及減低開發(fā)成本，是一種值得推廣應(yīng)用的技術(shù)。本文分析了板料沖壓成形仿真技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀以及應(yīng)用前景，旨在完善板料制造技術(shù)和沖壓成形工藝，提高仿真技術(shù)的應(yīng)用水平，為相關(guān)的作業(yè)人員及研究人員提供有價(jià)值的參考。

1 板料沖壓成形技術(shù)分析及其仿真技術(shù)產(chǎn)生的背景

沖壓成形是一種塑性變形加工工藝，在沖壓成形過程中，金屬板料容易出現(xiàn)破裂、起皺及回彈現(xiàn)象，這對(duì)板料的實(shí)際使用極為不利。此外，在沖壓成形過程中，難以預(yù)知模具與金屬板料發(fā)生接觸時(shí)的接觸力、接觸面積等相關(guān)參數(shù)，一般時(shí)間不同時(shí)，參數(shù)也將不相同，這就加大了預(yù)估板料成形情況的難度，在設(shè)計(jì)模具時(shí)也難以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在運(yùn)用該技術(shù)時(shí)，設(shè)計(jì)和制造模具的工作難以做到一次性成功，只能在反復(fù)實(shí)踐中對(duì)模具加以改進(jìn)，但是在不斷修改的過程中，可能導(dǎo)致原來(lái)的模具不再具有使用價(jià)值，這不僅延長(zhǎng)了產(chǎn)品的開發(fā)周期，還增加了設(shè)計(jì)和制造模具的成本［2］。不過，采用板料沖壓成形仿真技術(shù)能夠很好地解決以上難題。在沖壓成形仿真技術(shù)中，采用計(jì)算機(jī)模擬沖壓成形過程，能夠有效進(jìn)行試模，并且可以多次修改模具設(shè)計(jì)以及沖壓成形的工藝。同時(shí)，在仿真循環(huán)過程中，可以找出沖壓成形和模具設(shè)計(jì)中存在的缺陷，從而通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)沖壓技術(shù)進(jìn)行完善。運(yùn)用仿真技術(shù)可以減少物理式試模次數(shù)，避免在物理試模中出現(xiàn)模具損壞的現(xiàn)象，減少修模的次數(shù)。因此，將仿真技術(shù)應(yīng)用于沖壓成形技術(shù)中，能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，提升其競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

2 板料沖壓成形仿真技術(shù)的應(yīng)用分析

2．1 應(yīng)用概況

目前，在國(guó)外板料成形方面的仿真軟件已經(jīng)變得相對(duì)完善，通過這些仿真軟件能夠有效模擬多種板料成形的工藝，如液壓脹形、切邊、拉深以及工位成形等。同時(shí)，這類軟件還能夠完善模面設(shè)計(jì)、快速排樣以及快速估算坯料。因此，在成形模具的設(shè)計(jì)和金屬材料的選型方面，該技術(shù)得到了廣泛運(yùn)用。目前，板料沖壓成形方面的仿真軟件主要為DYNAFORM，該仿真軟件由2部分組成，即求解器和后處理器，其中求解器可以較好地模擬動(dòng)力沖擊，如高速爆炸、高速碰撞等，確保模擬結(jié)果的可靠性［3］。此外，該仿真軟件應(yīng)用的網(wǎng)格技術(shù)為自適應(yīng)技術(shù)，坯料在初始狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)格較粗，在沖壓成形中，網(wǎng)格逐漸變細(xì)，因此模擬的精確度大幅度提高，同時(shí)也較好地解決了計(jì)算效率與分析精度之間存在的矛盾，平衡了精度要求和時(shí)間要求。

2．2 板料沖壓成形仿真技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例分析

在沖壓成形過程中，應(yīng)用仿真技術(shù)能夠顯著提高生產(chǎn)效率，下面筆者以DYNAFORM仿真軟件為例，舉例說明板料沖壓成形仿真技術(shù)的應(yīng)用方法。

應(yīng)用實(shí)例1：采用沖壓成形工藝制造的金屬零件被廣泛用于家電產(chǎn)品中，此類金屬零件的特點(diǎn)是材料流動(dòng)性不強(qiáng)、形狀簡(jiǎn)單、拉伸程度不大。由于在塑性變形工序中，回彈控制程度難以控制，因此，這類零件常出現(xiàn)變形不充分的問題。在分析某一零件的沖壓成形結(jié)果時(shí)，發(fā)現(xiàn)并未發(fā)生明顯起皺現(xiàn)象，但是在小凸臺(tái)處出現(xiàn)變薄現(xiàn)象，變薄量約為20%，這對(duì)成形質(zhì)量的影響不大。但是，通過進(jìn)一步的隱式分析，可以發(fā)現(xiàn)零件回彈變形的程度較大，導(dǎo)致沖壓成形質(zhì)量存在較大的問題，影響了零件的正常使用。因此，應(yīng)用仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)模具的方法進(jìn)行修改，將能夠提高成形后的板料質(zhì)量。

應(yīng)用實(shí)例2：采用DYNAFORM軟件建立了某汽車翼子板的仿真沖壓成形模型，可以發(fā)現(xiàn)模型的組成部分包括下模面、上模面、壓邊圈以及坯料面，同時(shí)軟件采用網(wǎng)格對(duì)這些部分進(jìn)行了劃分，并定義了加載曲線、速度曲線以及特性參數(shù)等。在參數(shù)定義后，便可以計(jì)算出成形參數(shù)，隨后DYNAFORM軟件以極限圖的方式給出分析結(jié)果。在極限圖中，可以清楚地顯示起皺現(xiàn)象。此外，DYNAFORM還可以得出板厚變化的趨勢(shì)圖，在該翼子板沖壓成形的分析圖中，總變薄量低于5%，最大變薄量為25%。通過分析發(fā)現(xiàn)，沖壓誤差不會(huì)對(duì)成形質(zhì)量造成影響，且該成形工藝及模具設(shè)計(jì)方法可以在板料制造中使用。如果采用仿真軟件進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)成形狀況不符合標(biāo)準(zhǔn)，則可以通過仿真軟件找出問題，并對(duì)模具進(jìn)行修改，然后再重新評(píng)估和計(jì)算。

3 板料沖壓成形仿真技術(shù)的應(yīng)用前景分析

3．1 計(jì)算效率需要變得更高

目前，仿真軟件已經(jīng)得到了不斷的完善。在計(jì)算沖壓成形方面的數(shù)值時(shí)，仿真軟件能夠同時(shí)處理接觸問題和非線性問題等，尤其是能夠準(zhǔn)確分析收斂問題和回彈問題，并且能夠計(jì)算高難度的參數(shù)及大量的數(shù)據(jù)。當(dāng)前，需要做好的工作是提高仿真軟件在計(jì)算沖壓成形參數(shù)時(shí)的精確性，以促進(jìn)該技術(shù)的普及。而為了提高仿真技術(shù)的運(yùn)算效率和運(yùn)算精度，需要探索更符合實(shí)際的算法，同時(shí)還要注意發(fā)展有限元技術(shù)。另外，還應(yīng)注意引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的仿真技術(shù)，根據(jù)板料沖壓工藝的實(shí)際發(fā)展情況，對(duì)國(guó)外的仿真技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使仿真軟件的實(shí)用價(jià)值不斷加強(qiáng)。

3．2 計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試模結(jié)果需要變得更接近

在仿真技術(shù)中，判斷板料破裂、起皺及其他性能參數(shù)所需的分析數(shù)據(jù)，均由仿真試驗(yàn)中獲得，這些數(shù)據(jù)是否具有準(zhǔn)確性和真實(shí)性，將對(duì)仿真分析結(jié)果造成很大的影響，特別是在分析一些新型板料時(shí)，其分析結(jié)果的可靠性及精度都會(huì)受到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。因此，為了使仿真技術(shù)在板料沖壓成形工藝中得到更好的運(yùn)用，應(yīng)該強(qiáng)化研究相關(guān)實(shí)驗(yàn)理論以及基礎(chǔ)工藝的理論，使仿真軟件可以獲得更為詳盡豐富的、準(zhǔn)確的素材庫(kù)，從而使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試模結(jié)果更接近。另外，零件在沖壓成形后，容易發(fā)生回彈現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，不僅會(huì)對(duì)板料制造的最終精度造成影響，同時(shí)還會(huì)影響到?jīng)_壓成形后的形狀。因此，為了使分析結(jié)果與實(shí)際試模結(jié)果更接近，還應(yīng)重視回彈問題的仿真設(shè)計(jì)與研究，并采取相應(yīng)的技術(shù)來(lái)補(bǔ)償回彈后的模面形狀，提高仿真軟件的計(jì)算精度和補(bǔ)償能力。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，板料沖壓成形仿真技術(shù)，是一種較為先進(jìn)的技術(shù)，在制造板料的過程中運(yùn)用該技術(shù)能夠有效提高生產(chǎn)效率。仿真技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的不斷完善而變得更完善。因此為了使沖壓成形仿真技術(shù)得到更為廣泛的應(yīng)用，應(yīng)該設(shè)計(jì)好軟件系統(tǒng)，并根據(jù)實(shí)際沖壓成形的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)仿真技術(shù)的分析系統(tǒng)進(jìn)行完善，以提高該技術(shù)分析的精確性及效率，從而提高板料沖壓成形的質(zhì)量。

［1］李強(qiáng)，張波，徐濟(jì)聲，等．沖壓成形仿真和傳統(tǒng)沖壓工藝經(jīng)驗(yàn)在某汽車零件中的應(yīng)用［J］．鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009（2）

［2］厲呈臣，潘曉輝，韓秀清．板料沖壓成形的彈塑性有限元仿真分析方法［J］．長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007（4）

［3］包向軍，陶宏之，何丹農(nóng)，等．金屬薄板沖壓成形數(shù)值模擬的并行計(jì)算［J］．塑性工程學(xué)報(bào)，2000（3）