锻压技术：数值模拟计算机仿真技术在工艺与模具设计中的应用

HEATS · 发表于 2010-9-12 09:07:34

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　　计算机仿真技术是从冲压成型过程的实际物理规律出发，借助计算机真实地反映模具与板料的相互作用关系及板料实际变形的全过程，这就决定了冲压成型过程的计算机仿真技术，可以用来观察板料实际变形过程中发生的任一特定现象，或用来计算与板料实际变形过程有关的任一特定几何量或物理量，如预测起皱、拉裂；计算毛坯尺寸、压边力和工作回弹；优化润滑方案；估计模具磨损等。这就为冲压模具和冲压工艺设计提供了十分有用的工具，为缩短新产品模具开发周期，提高模具及冲压件的品质和寿命创造了条件。计算机仿真技术在冲压模具与工艺设计中的应用如下。

　　1.起皱的预测与消除

　　起皱是薄板冲压成型中常见的失效形式之一。轻微的起皱将破坏冲压零件的光顺性和影响零件的几何尺寸精度，起皱严重到一定程度将使零件报废。计算机仿真技术能较好地预测给定条件下工件可能产生的起皱，并通过修改模具或工艺参数予以消除。一典型冲压件的起皱实体。将同样的冲压过程建立成计算机仿真模型并进行仿真计算，可得到所示的起皱模式。由于起皱本身是一种失稳现象，仿真结果很难从细观上与实际的情况完全一致。但比较知仿真结果能比较真实地反映成型件起皱的趋势，已具有有很高的工程实用价值。

　　a)实际冲压结果；

　　b)计算机仿真结果；

　　c)计算机仿真得到零件变形状态光照模型式

　　当计算机仿真结果显示有起皱现象时，就必须对原有的工艺方案甚至模具作一定的修改，然后再进行仿真。这样一个修改、仿真的过程重复进行直到起皱完全消失为止。应当指出，当工件只发生轻微起皱时，用肉眼是难观察得到的。这时只有通过计算工作的局部失稳判据才能得出起皱是否已经开始的结论。控制起皱最直接的方法是增加压边力。在其他条件给定时，压边力必须足够大才能避免起皱。但压边力也不能过大，否则容易产生拉裂现象。

　　2.拉裂的预测和消除

　　拉裂是冲压工艺失效的另一种形式，它同样导致产品的报废。拉裂严重时肉眼便可看出，但在冲压成型中可能产出肉眼看不到的微裂纹。无论是微裂纹还是明显拉裂都将影响产品的正常工作。避免拉裂通常是设计深冲件模具和工艺的一大难题。采用计算机仿真技术能够较为准确地计算材料在冲压成型中的流动状况。因而准确地得出应变分布和板料壁厚减薄的情况。这就为判断给定模具和工艺方案产生拉裂的可能性提供了科学可靠的依据。

　　一旦计算机仿真结果表明局部应变分布接近材料的成形极限，模具或工艺方案就应予以修改，并将修改后的方案再次进行仿真检验。这样一个修改、仿真的检验过程不断重复，直至计算机仿真结果表明拉裂的可能性已消除。现在引入另一个实例来讨论计算机仿真技术的应用。板料的有限元网格普遍较细，也较均匀，这主要是为了精确地描述板料在冲压过程中可能产生的变形梯度。压板网格最粗，因为它是刚体且几何形状简单。上模和下模网格粗细不均，这主要是从精确描述模具表面形状的角度来考虑的。当然还可以从计算机仿真得到其他许多有关板料变形的详细情况，如应变分量云图、等效应力云图等等。通过这样一些计算结果和材料的有关成形特性，便可估计冲压成型中产生拉裂的可能性。

　　应当指出的是在目前情况下准确地计算冲压成型过程中的裂纹扩展情况还有很多困难，因些在计算机仿真过程中即使工件开始产生裂纹，计算仍将按无裂纹的状况进行。这会使最后计算结果与实际不符。但这并不影响计算机仿真技术在冲压成型中的有效运用，因为从模具设计和工艺分析的角度讲，一旦裂纹开始产生，整个设计方案就算失效，必须修改方案直至裂纹不会产生。另外，模具设计和冲压工艺方案还应留有一定的安全系数，也就是让冲压成型中的应变分布离裂纹开始产生的状态有一定的距离。这一方面是设计常规，另一方面也是考虑到计算机仿真结果所包含的计算误差。计算所得的应变分布和厚度分布尽管与实验值十分相近，但局部误差总是存在的，有时还可能较大。这就要求在使用计算机仿真结果时采取适当的措施计入计算误差的影响。

　　3.回弹的计算

　　冲压成型件在卸载后的回弹是不可避免的物理现象。由于回弹现象的存在，模具型腔表面的形状与工件表面的设计形状应当不同，以补偿回弹引起的工件尺寸的变化。但如何精确地计算给定工件可能产生的回弹是一个复杂的问题，也是传统的冲压成型设计方法无法解决的问题。计算机仿真技术的诞生为计算复杂冲压件的回弹提供了有效的工具，其原理是简单的。当仿真计算进行到动模到达其冲压的极限位置时，模具对工件的加载过程宣告结束，这时计算机已得出工件加载过程的变形轮廓并存储于计算机中。加载过程完成后，计算便开始对卸载过程进行模拟。在卸载过程中，模具对工件的作用力渐渐减小，工件也就随之回弹，计算机同样对工件回弹中的变形进行计算，并按给定的指令定期存储回弹中的变形状态。模具完全脱离工作后就得到了它的最后形状，并被计算机存储下来。通过比较卸载前工件的形状和卸载后工件的形状，便可得出工件在卸载中产生的回弹总量。

　　在利用计算机仿真技术设计模具时，首先根据给定的零件的形状确定模具的工作表面形状，利用这个初步的模具设计方案便可粗估工件产生的回弹。再根据这个回弹量去修改模具的表面形状，并通过仿真检验卸载后工件的尺寸精度是否到达要求。如果没有达到要求，便继续修改模具，直至仿真得到的结果符合设计要求为止。

　　4.压边力确定

　　压边力确定实际上与起皱和拉裂的预测紧密相关。压边力太小，工作就会起皱，若压边力太大，工件就有被拉裂的危险。当模具基本确定后，可根据经验粗选压边力大小，再用计算机对成型过程进行仿真。若发现起皱，则加大压边力；若发现有拉裂的趋势；则减小压边力，直到一个合适的压边力找到为止。但是实际中可能发生这样一种情况，对一套给定的模具，没有一个压边力值能保证即不拉裂又不起皱。这就说明模具本身存在问题应予修改。由此可知，尽管压边力的确定与起皱和拉裂的预测紧密相关，但两者仍有本质的区别，前者不涉及模具的修改而后者可能涉及。

　　5.毛坯尺寸的计算

　　冲压成型工艺中要解决的另一个问题是零件毛坯尺寸的计算问题。由于薄板冲压成型过程中材料的流动情况一般很复杂，零件毛坯尺寸的计算很困难。采用计算机仿真技术，能够比较准确地掌握一个给定零件在冲压过程中的材料流动的情况，这就为零件毛坯尺寸的精确计算提供了有力的工具。其具体做法可简略归纳如下。当一个给定零件的模具和工艺方案调试好后，就可在计算机中对正式的冲压成型过程进行模拟，这时由仿真得到的零件形状应符合设计要求，但通常有相当一部分与零件形状和工艺补充无关的板料与零件相连，这部分板料就是下料时应当去掉的部分。根据零件的形状和工艺补充的需要，在仿真得到的冲压件的最后形状找出一条边界线，以区分应当保留的部分和可以去掉的部分，再将这条边界线反射到原始毛坯上，就可得到合理的零件毛坯形状和尺寸。当然考虑到实际生产中的各种因素，实际毛坯与理论毛坯不一定完全一样。但按上述方法计算出的理论毛坯却为实际毛坯的确定提供了科学的参考依据。

　　应当注意，理论毛坯的计算不应影响成型方案的有效性。具体地说，就是当去掉多余材料时，压边力的作用面积可能会改变，这一改变不允许影响成型工艺方案的可行性，如导致回弹补偿还不合理，甚至导致拉裂或起皱等。

　　6.润滑方案的优化

　　在冲压成型中采用润滑技术是改变材料流动状况的有效方法。确定润滑方案尽管与防止材料被拉裂有直接关系，但两者显然不是一回事，因为一种不合理的模具设计可使任何实际可能的润滑方案都无法避免零件被拉裂。由于采用计算机仿真技术可以较为方便地比较两种不同的润滑方案对成型过程的影响，因此它可用来优化冲压成型中的润滑方案。

　　7.预测和改善模具磨损

　　模具的磨损受几方面的因素影响，主要包括模具表面接触摩擦力的大小和模具表面耐磨特性。当模具表面受力情况一定时，模具表面耐磨性越好，模具的寿命越长。反之，若模具表面耐磨性一定，模具表面应力峰值越小，模具寿命越长。要提高模具的使用寿命，改善模具材料和表面热处理技术是一个有效的途径，另一方面尽可能降低模具表面应力峰值。通过对冲压成型过程进行计算机仿真，可以较精确地计算模具与工件间的接触和摩擦力，这样就能得出模具表面所受应力峰值的位置，从而判断模具磨损敏感位置。掌握了模具表面化应力峰值位置后，至少可以开展两方面的工作来改善模具磨损。第一，可以对模具表面的应力峰值区进行特殊的表面处理以提高该区的表面耐磨性能。第二，可以增加该区域的润滑以减少切向摩擦力。当然这需兼顾其他成型设计方案的要求，因为改变润滑状况会影响材料的流动状况。如果零件的设计还能考虑到制造的需要的话，还可在不影响零件功能的前提下修改零件的形状，以降低零件在冲压成型中作用在模具表面的应力峰值。

　　以上仅例举了计算机仿真技术在冲压成型工艺和模具设计中的几个主要用途。实际上仿真技术还可用来解决其他与成型过程有关的问题如计算成型力的大小等。

　　无论是用仿真技术来解决哪类问题，都有一个重复修改模具或工艺方案，再进行计算机仿真这样一个过程。这个过程实际上对应于传统方法上的修模和试模的过程。但在计算机实现修模和试模有许多独特的优点，主要包括如下几个方面：

　　(1)节省时间。一旦给定零件的仿真模型建好，修改起来就较方便，只要计算机功能足够强，计算起来也可以很快。而实际的修模与试模需要的时间较长。更重要的是，一旦修模过度就需要补模甚至使模具报废，这就更增加了时间。另外，仿真还可在无人干涉情况下自动进行，这就可以充分利用晚上或节假日的时间。

　　(2)节省费用。用计算机仿真技术可减少实际的修模次数，从而减少模具设计和制造费用。减少模具报废率也是节省费用的一个方面。

　　(3)提高模具品质和使用寿命。通过对冲压过程进行仿真和优化设计，使模具具备最合理的结构和受力状态，从而提高工件的精度和模具的使用寿命。

　　(4)提高工件的品质和使用性能。通过计算机仿真，不仅可较好地保证工件的形状和尺寸精度，还可有效地控制成型中材料的塑性变形程度，从而控制材料的塑性硬化程度，改善工件在使用中的力学性能。

　　(5)减少工件的废品率。计算机仿真技术用来优化工艺方案和模具设计后就可减少生产中的废品率，从而是提高生产效益。

　　(6)减少原材料浪费。用计算机仿真技术进行毛坯尺寸的准确计算，可减少不必要的原材料浪费，从而降低生产成本。

　　(7)支持新产品的并行工程。通过对制造过程的计算机仿真，帮助优化产品设计，从而使产品获得最佳经济效益和社会效益。

　　应当指出，尽管计算机仿真技术现在可以帮助解决许多复杂的冲压成型模具与工艺设计问题，但它并不是万能的。如果金属材料在塑性变形时的特性超出了现在的本构关系理论所能描述的范围，或者说材料表面摩擦特性超出了现有摩擦理论所能描述的范围，那么计算机仿真的结果就会离实际情况相差甚远。即使计算机仿真理论和方法完全正确，仿真程序完全可靠，也不能保证仿真一定能在冲压成型模具和工艺设计中得到成功的应用。那是因为仿真模型的建立和仿真结果的合理解释也对仿具技术的成功应用有决定性影响。一个不合理的模型输入到再完善的仿真软件中，也不可能得出正确的结果。因此使用计算机仿真软件的人员一定要具备足够的背景知识，主要包括与冲压成型过程有关的基础力学知识、计算力学知识、有限元方法知识及计算机应用知识等。

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