板料沖壓成形工藝參數(shù)的計(jì)算機(jī)優(yōu)化

王濤+劉鋒

摘 要：隨著市場經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與變化，飛機(jī)制造、汽車制造等高科技制造行業(yè)也開展了更多樣化的發(fā)展道路，就為板料成形技術(shù)提出更高的要求。通過將CAE技術(shù)與CAD/CAM技術(shù)相結(jié)合，能夠優(yōu)化板料沖壓成形的拉延筋、毛坯形狀、毛坯位置、壓邊力等工藝參數(shù)。進(jìn)而節(jié)省試模毛坯材料，并提高試模成功率。

關(guān)鍵詞：板料；沖壓成形；工藝參數(shù)；計(jì)算機(jī)優(yōu)化

1 板料成形概述

板料成形技術(shù)廣泛的應(yīng)用于飛機(jī)制造、汽車制造等高科技制造行業(yè)。但是隨著市場經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與變化，對(duì)于產(chǎn)品的需求也從產(chǎn)量化轉(zhuǎn)變?yōu)楦鄻踊＿@就為板料成形的工藝參數(shù)的選擇提出了更高的要求，不僅開模和試模的時(shí)間被進(jìn)一步的縮短，還需要提升對(duì)毛坯形狀預(yù)測的速度與準(zhǔn)確性。通過加大對(duì)板料成形技術(shù)的資金投入，并引進(jìn)更先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，以降低開發(fā)新產(chǎn)品的費(fèi)用成本與時(shí)間成本。但在實(shí)踐的過程中，仍然存在許多的問題，比如板料成形的技術(shù)僅限于CAD/CAM，而缺乏CAE。導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)仍然停留在傳統(tǒng)的模式內(nèi)，工藝參數(shù)的優(yōu)化效果不明顯，開模與試模的時(shí)間不能減少等。所以，將CAE與CAD/CAM相結(jié)合的技術(shù)，才是解決當(dāng)前問題的主要手段。

2 CAE技術(shù)的應(yīng)用方案

2.1 建立計(jì)算機(jī)仿真模型

首先通過CAD軟件生成曲面模型，再導(dǎo)入CAE中，并建立仿真模型。

2.2 建立有限元網(wǎng)格模型

對(duì)模型進(jìn)行合理的劃分，以此確定計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度，在劃分的過程中，對(duì)于彎曲變形較大的曲面模型可盡量劃分的盡量密集，而彎曲變形較小的曲面模型則可以稀疏的進(jìn)行劃分。

2.3 對(duì)邊界條件進(jìn)行定義

邊界條件包括動(dòng)模的運(yùn)動(dòng)曲線、模具的壓邊圈以及壓邊圈的曲線、材料的性能等參數(shù)，通過對(duì)相關(guān)參數(shù)的分析，以進(jìn)行對(duì)邊界條件的定義，進(jìn)而啟動(dòng)運(yùn)算器，為仿真模型的建立提供參數(shù)數(shù)據(jù)。

2.4 后置的處理

對(duì)運(yùn)算分析的結(jié)果進(jìn)行讀取與分析，對(duì)不同的成形情況和目標(biāo)參數(shù)的變化情況進(jìn)行掌握。

3 有限元法介紹

板料成形的仿真模型參數(shù)數(shù)值的計(jì)算非常復(fù)雜，經(jīng)過多年的發(fā)展，對(duì)板料成形的數(shù)值計(jì)算也取得了一定的發(fā)展，能夠有效的對(duì)工件的回彈、應(yīng)力和應(yīng)變的分布、工件的殘余應(yīng)力、工件的變形等進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)不同的積分方式，可分為動(dòng)力顯式算法、動(dòng)力隱式算法、靜力隱式算法。

其中，動(dòng)力隱式算法與動(dòng)力顯式算法在應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算、材料本構(gòu)模型的確定以及單元類型的選擇上相同，二者的差異主要來自于回彈計(jì)算、接觸的處理、時(shí)間步長的選取以及求解方程中。在運(yùn)行時(shí)間上，整體模型系數(shù)矩陣帶寬與動(dòng)力隱式算法成正比。而動(dòng)力顯式算法則與有限元分析問題的規(guī)模的平方成正比。從這一點(diǎn)來看，動(dòng)力顯式算法更具優(yōu)勢。

而靜力隱式算法顯示積分方法則是通過對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的中心差的利用，以實(shí)現(xiàn)模擬三維板料成形，具體的算法為：

設(shè)時(shí)間為n，則：Man=Pn-Fn+Hn

當(dāng)時(shí)間增加，由n變?yōu)閚+1時(shí)，通過中間差分法對(duì)時(shí)間增量進(jìn)行處理：

an=M-1（PN-FN+HN）

vn+1/2=vn+1/2+anΔtn

un+1=un+vn+1/2Δtn+1/2

則：Δtn+1/2=（Δtn+Δtn+1）/2

由此可知新的集合位置：xn+1=x0+un+1

其穩(wěn)定條件為：Δt=Lcrit/c

其中：M：質(zhì)量對(duì)角化矩陣；P：外力；F：內(nèi)應(yīng)力；H：抑制HourglassMode（沙漏型變形）而產(chǎn)生的力；v：節(jié)點(diǎn)速度向量；u：節(jié)點(diǎn)位移向量；c：應(yīng)力波速；Lcrit：單元長度。

4 油底殼一次成形CAE工藝參數(shù)優(yōu)化

4.1 有限元模型及初始條件

通過采用油底殼一次成形，進(jìn)行CAE的仿真模型，能夠?qū)_壓成形的工藝參數(shù)（主要包括了：（1）拉延筋的設(shè)置；（2）壓邊力的大小；（3）毛坯的定位位置；（4）毛坯的形狀尺寸；等。）進(jìn)行優(yōu)化。而有限元模型的初始條件有：1）毛坯形狀為切去四個(gè)角的方形坯；2）壓邊力初始化為80kN；3）不設(shè)置拉延筋；4）毛坯材料的強(qiáng)度控制在320M Pa，料厚1.5mm，厚向異性指數(shù)0.95，硬化指數(shù)0.22。

4.2 拉延筋

油底殼的底部深淺差異性較大，導(dǎo)致了在拉深之后，導(dǎo)致深度變化較大的底部和側(cè)壁出現(xiàn)更多的扭曲。有效的解決措施是，加一段拉延筋在深度較淺的外側(cè)，以此使的網(wǎng)格變形均勻。進(jìn)而對(duì)沖壓成形進(jìn)行工藝優(yōu)化。

4.3 毛坯形狀

在進(jìn)行仿真模型的過程中，將方形坯的四角切去后，在外圈仍然堆積了大量的多余材料，增大了底部的破裂區(qū)與變薄區(qū)。通過將毛坯形狀切成橢圓形，有效的改善了底部成形的情況，破裂區(qū)與變薄區(qū)的范圍也能夠大幅度的下降。

4.4 毛坯位置

在沖壓成形以往的工藝參數(shù)里，毛坯的左下部與左側(cè)的材料都能夠在凹模中，而上部與右側(cè)的材料則有更多剩余，造成毛坯材料的浪費(fèi)。有效的優(yōu)化措施就是，將毛坯的位置向下移動(dòng)8mm，以及相左移動(dòng)5mm。由此，在經(jīng)過沖壓后，材料的寬度能夠更為均勻的成形。

4.5 壓邊力

通過以上步驟對(duì)沖壓成形的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，能夠有效地改善沖壓成形的效果。但仍然還存在著邊緣起皺、寬度較小等問題，有效地改善措施就是，增加壓邊力的強(qiáng)度，當(dāng)壓邊力從80kN增加到100kN后，材料能夠達(dá)到合適的寬度，并且不再產(chǎn)生起皺現(xiàn)象。

5 結(jié)語

企業(yè)通過將CAE技術(shù)與CAD/CAM技術(shù)相結(jié)合，并使用CAE軟件對(duì)板料沖壓成形工藝參數(shù)的優(yōu)化，包括：拉延筋、毛坯形狀、毛坯位置、壓邊力等，可以有效的改善以往板料沖壓成形中存在的問題，進(jìn)而節(jié)省試模的毛坯材料，并且提高試模的成功率。

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