1、鍛壓技術：數值模擬計算機仿真技術在工藝與模具設計中的應用時間：2009-5-28 12:02:05 中國廢舊物資網 免費注冊贏積分 分享到： | 更多 計算機仿真技術是從沖壓成型過程的實際物理規律出發，借助計算機真實地反映模具與板料的相互作用關系及板料實際變形的全過程，這就決定了沖壓成型過程的計算機仿真技術，可以用來觀察板料實際變形過程中發生的任一特定現象，或用來計算與板料實際變形過程有關的任一特定幾何量或物理量，如預測起皺、拉裂；計算毛坯尺寸、壓邊力和工作回彈；優化潤滑方案；估計模具磨損等。這就為沖壓模具和沖壓工藝設計提供了十分有用的工具，為縮短新產品模具開發周期，提高模

2、具及沖壓件的品質和壽命創造了條件。計算機仿真技術在沖壓模具與工藝設計中的應用如下。 1.起皺的預測與消除起皺是薄板沖壓成型中常見的失效形式之一。輕微的起皺將破壞沖壓零件的光順性和影響零件的幾何尺寸精度，起皺嚴重到一定程度將使零件報廢。計算機仿真技術能較好地預測給定條件下工件可能產生的起皺，并通過修改模具或工藝參數予以消除。一典型沖壓件的起皺實體。將同樣的沖壓過程建立成計算機仿真模型并進行仿真計算，可得到所示的起皺模式。由于起皺本身是一種失穩現象，仿真結果很難從細觀上與實際的情況完全一致。但比較知仿真結果能比較真實地反映成型件起皺的趨勢，已具有有很高的工程實用價值。a)實際沖壓結果；b)計算機仿

3、真結果；c)計算機仿真得到零件變形狀態光照模型式當計算機仿真結果顯示有起皺現象時，就必須對原有的工藝方案甚至模具作一定的修改，然后再進行仿真。這樣一個修改、仿真的過程重復進行直到起皺完全消失為止。應當指出，當工件只發生輕微起皺時，用肉眼是難觀察得到的。這時只有通過計算工作的局部失穩判據才能得出起皺是否已經開始的結論。控制起皺最直接的方法是增加壓邊力。在其他條件給定時，壓邊力必須足夠大才能避免起皺。但壓邊力也不能過大，否則容易產生拉裂現象。2.拉裂的預測和消除拉裂是沖壓工藝失效的另一種形式，它同樣導致產品的報廢。拉裂嚴重時肉眼便可看出，但在沖壓成型中可能產出肉眼看不到的微裂紋。無論是微裂紋還是明

4、顯拉裂都將影響產品的正常工作。避免拉裂通常是設計深沖件模具和工藝的一大難題。采用計算機仿真技術能夠較為準確地計算材料在沖壓成型中的流動狀況。因而準確地得出應變分布和板料壁厚減薄的情況。這就為判斷給定模具和工藝方案產生拉裂的可能性提供了科學可靠的依據。一旦計算機仿真結果表明局部應變分布接近材料的成形極限，模具或工藝方案就應予以修改，并將修改后的方案再次進行仿真檢驗。這樣一個修改、仿真的檢驗過程不斷重復，直至計算機仿真結果表明拉裂的可能性已消除。現在引入另一個實例來討論計算機仿真技術的應用。板料的有限元網格普遍較細，也較均勻，這主要是為了精確地描述板料在沖壓過程中可能產生的變形梯度。壓板網格最粗，

5、因為它是剛體且幾何形狀簡單。上模和下模網格粗細不均，這主要是從精確描述模具表面形狀的角度來考慮的。當然還可以從計算機仿真得到其他許多有關板料變形的詳細情況，如應變分量云圖、等效應力云圖等等。通過這樣一些計算結果和材料的有關成形特性，便可估計沖壓成型中產生拉裂的可能性。應當指出的是在目前情況下準確地計算沖壓成型過程中的裂紋擴展情況還有很多困難，因些在計算機仿真過程中即使工件開始產生裂紋，計算仍將按無裂紋的狀況進行。這會使最后計算結果與實際不符。但這并不影響計算機仿真技術在沖壓成型中的有效運用，因為從模具設計和工藝分析的角度講，一旦裂紋開始產生，整個設計方案就算失效，必須修改方案直至裂紋不會產生。

6、另外，模具設計和沖壓工藝方案還應留有一定的安全系數，也就是讓沖壓成型中的應變分布離裂紋開始產生的狀態有一定的距離。這一方面是設計常規，另一方面也是考慮到計算機仿真結果所包含的計算誤差。計算所得的應變分布和厚度分布盡管與實驗值十分相近，但局部誤差總是存在的，有時還可能較大。這就要求在使用計算機仿真結果時采取適當的措施計入計算誤差的影響。3.回彈的計算沖壓成型件在卸載后的回彈是不可避免的物理現象。由于回彈現象的存在，模具型腔表面的形狀與工件表面的設計形狀應當不同，以補償回彈引起的工件尺寸的變化。但如何精確地計算給定工件可能產生的回彈是一個復雜的問題，也是傳統的沖壓成型設計方法無法解決的問題。計算機

7、仿真技術的誕生為計算復雜沖壓件的回彈提供了有效的工具，其原理是簡單的。當仿真計算進行到動模到達其沖壓的極限位置時，模具對工件的加載過程宣告結束，這時計算機已得出工件加載過程的變形輪廓并存儲于計算機中。加載過程完成后，計算便開始對卸載過程進行模擬。在卸載過程中，模具對工件的作用力漸漸減小，工件也就隨之回彈，計算機同樣對工件回彈中的變形進行計算，并按給定的指令定期存儲回彈中的變形狀態。模具完全脫離工作后就得到了它的最后形狀，并被計算機存儲下來。通過比較卸載前工件的形狀和卸載后工件的形狀，便可得出工件在卸載中產生的回彈總量。在利用計算機仿真技術設計模具時，首先根據給定的零件的形狀確定模具的工作表面形

8、狀，利用這個初步的模具設計方案便可粗估工件產生的回彈。再根據這個回彈量去修改模具的表面形狀，并通過仿真檢驗卸載后工件的尺寸精度是否到達要求。如果沒有達到要求，便繼續修改模具，直至仿真得到的結果符合設計要求為止。4.壓邊力確定壓邊力確定實際上與起皺和拉裂的預測緊密相關。壓邊力太小，工作就會起皺，若壓邊力太大，工件就有被拉裂的危險。當模具基本確定后，可根據經驗粗選壓邊力大小，再用計算機對成型過程進行仿真。若發現起皺，則加大壓邊力；若發現有拉裂的趨勢；則減小壓邊力，直到一個合適的壓邊力找到為止。但是實際中可能發生這樣一種情況，對一套給定的模具，沒有一個壓邊力值能保證即不拉裂又不起皺。這就說明模具本身

9、存在問題應予修改。由此可知，盡管壓邊力的確定與起皺和拉裂的預測緊密相關，但兩者仍有本質的區別，前者不涉及模具的修改而后者可能涉及。5.毛坯尺寸的計算沖壓成型工藝中要解決的另一個問題是零件毛坯尺寸的計算問題。由于薄板沖壓成型過程中材料的流動情況一般很復雜，零件毛坯尺寸的計算很困難。采用計算機仿真技術，能夠比較準確地掌握一個給定零件在沖壓過程中的材料流動的情況，這就為零件毛坯尺寸的精確計算提供了有力的工具。其具體做法可簡略歸納如下。當一個給定零件的模具和工藝方案調試好后，就可在計算機中對正式的沖壓成型過程進行模擬，這時由仿真得到的零件形狀應符合設計要求，但通常有相當一部分與零件形狀和工藝補充無關的

10、板料與零件相連，這部分板料就是下料時應當去掉的部分。根據零件的形狀和工藝補充的需要，在仿真得到的沖壓件的最后形狀找出一條邊界線，以區分應當保留的部分和可以去掉的部分，再將這條邊界線反射到原始毛坯上，就可得到合理的零件毛坯形狀和尺寸。當然考慮到實際生產中的各種因素，實際毛坯與理論毛坯不一定完全一樣。但按上述方法計算出的理論毛坯卻為實際毛坯的確定提供了科學的參考依據。應當注意，理論毛坯的計算不應影響成型方案的有效性。具體地說，就是當去掉多余材料時，壓邊力的作用面積可能會改變，這一改變不允許影響成型工藝方案的可行性，如導致回彈補償還不合理，甚至導致拉裂或起皺等。6.潤滑方案的優化在沖壓成型中采用潤滑

11、技術是改變材料流動狀況的有效方法。確定潤滑方案盡管與防止材料被拉裂有直接關系，但兩者顯然不是一回事，因為一種不合理的模具設計可使任何實際可能的潤滑方案都無法避免零件被拉裂。由于采用計算機仿真技術可以較為方便地比較兩種不同的潤滑方案對成型過程的影響，因此它可用來優化沖壓成型中的潤滑方案。7.預測和改善模具磨損模具的磨損受幾方面的因素影響，主要包括模具表面接觸摩擦力的大小和模具表面耐磨特性。當模具表面受力情況一定時，模具表面耐磨性越好，模具的壽命越長。反之，若模具表面耐磨性一定，模具表面應力峰值越小，模具壽命越長。要提高模具的使用壽命，改善模具材料和表面熱處理技術是一個有效的途徑，另一方面盡可能降

12、低模具表面應力峰值。通過對沖壓成型過程進行計算機仿真，可以較精確地計算模具與工件間的接觸和摩擦力，這樣就能得出模具表面所受應力峰值的位置，從而判斷模具磨損敏感位置。掌握了模具表面化應力峰值位置后，至少可以開展兩方面的工作來改善模具磨損。第一，可以對模具表面的應力峰值區進行特殊的表面處理以提高該區的表面耐磨性能。第二，可以增加該區域的潤滑以減少切向摩擦力。當然這需兼顧其他成型設計方案的要求，因為改變潤滑狀況會影響材料的流動狀況。如果零件的設計還能考慮到制造的需要的話，還可在不影響零件功能的前提下修改零件的形狀，以降低零件在沖壓成型中作用在模具表面的應力峰值。以上僅例舉了計算機仿真技術在沖壓成型工

13、藝和模具設計中的幾個主要用途。實際上仿真技術還可用來解決其他與成型過程有關的問題如計算成型力的大小等。無論是用仿真技術來解決哪類問題，都有一個重復修改模具或工藝方案，再進行計算機仿真這樣一個過程。這個過程實際上對應于傳統方法上的修模和試模的過程。但在計算機實現修模和試模有許多獨特的優點，主要包括如下幾個方面：(1)節省時間。一旦給定零件的仿真模型建好，修改起來就較方便，只要計算機功能足夠強，計算起來也可以很快。而實際的修模與試模需要的時間較長。更重要的是，一旦修模過度就需要補模甚至使模具報廢，這就更增加了時間。另外，仿真還可在無人干涉情況下自動進行，這就可以充分利用晚上或節假日的時間。(2)節

14、省費用。用計算機仿真技術可減少實際的修模次數，從而減少模具設計和制造費用。減少模具報廢率也是節省費用的一個方面。(3)提高模具品質和使用壽命。通過對沖壓過程進行仿真和優化設計，使模具具備最合理的結構和受力狀態，從而提高工件的精度和模具的使用壽命。(4)提高工件的品質和使用性能。通過計算機仿真，不僅可較好地保證工件的形狀和尺寸精度，還可有效地控制成型中材料的塑性變形程度，從而控制材料的塑性硬化程度，改善工件在使用中的力學性能。(5)減少工件的廢品率。計算機仿真技術用來優化工藝方案和模具設計后就可減少生產中的廢品率，從而是提高生產效益。(6)減少原材料浪費。用計算機仿真技術進行毛坯尺寸的準確計算，可減少不必要的原材料浪費，從而降低生產成本。(7)支持新產品的并行工程。通過對制造過程的計算機仿真，幫助優化產品設計，從而使產品獲得最佳經濟效益和社會效益。應當指出，盡管計算機仿真技術現在可以幫助解決許多復雜的沖壓成型模具與工藝設計問題，但它并不是萬能的。如果金屬材料在塑性變形時的特性超出了現在的本構關系理論所能描述的范圍，或者說材料表面摩擦特性超出了現有摩擦理論所