基于Dynaform的汽车覆盖件成形中拉延筋的设置与数值模拟图文Word格式.docx
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图1 引擎盖内板
收稿日期:
2020206229
简介:
郭敏杰(19862,男,硕士研究生。
40
DieandMouldTechnologyNo.62020
1 拉延筋
1.1 拉延筋的模型
在拉深成形过程中,拉延筋作用下毛坯的受力如图2
所示。
图3 毛坯内径向拉应力σr的分布
真实拉延筋的成本相比而言是较高的。
在Dy2
naform中,采用的是等效拉延筋代替真实拉延
筋的方法,1.拉延筋 2.压边圈 3.坯料 4.凹模
图2 拉延筋作用下毛坯的受力分析
图2中σr的毛坯的径向拉应力,F=F1+F2FFw1+Fw
2.1 划分网格及添加工艺补充面
(1
式中:
F1———F2———凹模压料面与毛坯之间的摩擦力Fy———拉深筋与毛坯之间的摩擦力Fw———毛坯在通过拉深筋时弯曲和反弯
曲的弯曲力总和Fw1、Fw2———分别为拉深筋槽的圆角半径
与毛坯之间的摩擦力式(1中,当不在压料面上设置拉延筋时,只有前两项。
当压边圈压料面与毛坯之间的摩擦因数一定,并且凹模压料面与毛坯之间的摩擦因数也一定时,它们的大小和压边力Q的大小有关。
压料面上毛坯内的径向拉应力σr的分布如图3所示,由图可见拉延筋的存在使毛坯内受到的径向拉应力有很大增加。
1.2 板料成形数值模拟中拉延筋的设置
通过Dynaform的IGES数据接口将文件导入(见图1,然后用曲面网格划分中的Tool
Mesh对其进行网格划分并修改。
在Dynaform中,由于接触判断模型的限制,模具表面单元和坯料单元的大小不能相差太大,否则在模拟过程中,当坯料和模具表面接触时大单元表面可能会穿透小单元表面,使求解失败。
由于该零件深度较浅,曲率较小,为了保证成形后的精度和刚度,通过添加工艺补充面增加拉深深度。
工艺补充面是拉深件不可缺少的组成部分,既是实现拉深的条件,又是增加变形程度和提高零件刚度的必要补充。
工艺补充部分直接影响到拉深成形以及后续的修边、整形、翻边等工序。
因此,在设计拉深件时必须慎重考虑工艺补充部分的设计,这样才能保证拉深出合格的拉深件产品。
2.2 材料参数
由于拉延筋对板料冲压成形的重要性,所
以在板料成形CAE分析软件中,必然要在板料成形分析模型中设置拉延筋。
如果采用真实拉延筋,这将不可避免地要进行建立复杂拉延筋的过程,从而带来数值处理上的困难,同时将花费大量的时间来处理计算仿真过程,
所以采用
引擎盖内板所采用的材料为宝钢的St13,坯料尺寸1150mm×
880mm,其厚度为0.8
mm。
仿真时采用幂指硬化模型,材料的屈服强
度计算公式采用:
nn
σ=kεε=k(0+εp式中:
k———强度系数
n———硬化指数
材料牌号ρ/(kg・m-3
St13
7.85×
103
E/MPa
(2
ε———材料的总应变
ε——初始屈服应变0—
ε——等效塑性应变p—
各项详细参数如表1所示。
表1 仿真材料参数
σs/MPa≤280
σb/MPa
270~410
δs/%≥28
μ
0.28
Knr
2.07×
103520.40.2321.653
2.3 仿真虚拟条件3.1 方案一
Dynaform仿真时采用动力显示算法,而动力
此方案不设置任何拉延筋,设定完各项参数后直接提交LS2dyna求解器进行计算。
模拟结果如图5所示。
从图5中可以看到有大片的拉延不充分的区域存在,这样的结果在现实中是不能接受的
。
显式格式采用中心差分算法进行求解,中心差分是条件稳定的,其时间积分步长由临界时间步长限制,如果采用真实的准静力条件的速度,计算时间会很长。
为提高计算效率,采用虚拟速度的方法,即把凸模的速度放大100倍。
速度放大后,必然引起动力效应的增加,为了减弱这种影响,把质量密度缩小100倍。
计算效率提高了10倍,了动力效应。
mm/
s,虚拟速度一般取m/s2.4 有限元模型
图5 方案一模拟结果
当所有前处理步骤都完成后,模具与坯料有限元仿真模型就如图4所示。
图4中显示的毛坯是通过Dynaform中的MSTEP模块展开的毛坯,外形由曲线组成。
因为任意曲线的毛坯,需要额外增加一套落料模,实际生产的时候
不推荐,
所以仿真时采用矩形毛坯。
3.2 方案二
根据方案一的模拟结果,想到可以通过设置拉延筋来解决此问题。
故在方案二中设置一条均匀分布的等效拉延筋(见图6
并将拉延筋锁定到压边圈上。
1.凸模 2.压边圈 3.毛坯 4.凹模
图6 方案二的拉延筋分布
图4 有限元模型
由仿真结果(见图7看到,拉延不充分的现象已经基本得到解决,但又出现拉裂的现象,这是绝不允许出现的。
分析原因可能是由于拉裂的地方进料阻力太大引起的。
(下转第45页
3 仿真结果
5 结论
对于不提供精车循环的数控系统,完全可以通过编程和优化工艺的手段来实现二次精车的目的。
经实践验证“二次精加工法”编程相对简单,易于掌握,刀具补偿量设置直观,二次精车不重复粗车刀路而是一刀完成,节省加工时间,提高工作效率。
(上接第41页
参考文献:
[1]任国兴.数控车床加工工艺与编程操作[M].北
京:
机械工业出版社,2020.
[2]广东职业技能坚定指导中心.技师论文撰写与答
辩[M].广州:
广东经济出版社,2001.
[3]袁锋.全国数控大赛试题精选[M].北京:
机械
工业出版社,2020.
4 结论
(1类型和结构对控
(,汽车覆盖件冲压成
对实际投入
图7 值。
(3目前CAE的分析结果只能通过人的参
3.3 方案三
(见图8。
在这里设置了6段拉延筋,并且根据
与反馈到CAD设计师手中。
未来CAD/CAE协同设计的发展将进一步地为执行参数化设计、仿真以及优化奠定更好的基础。
不同区域材料流动的难易程度,每段都采用不同的分布密度。
由仿真结果(见图9看到,拉裂的现象已经不存在,说明此方案合理可行
[1]崔令江.汽车覆盖件冲压成形技术[M].北京:
机
械工业出版社,2003.
[2]李金燕.基于数值模拟的等效拉延筋设计与优化
[J].塑性工程学报,2020,14(5:
14217.
[3]陈文亮.板料成形CAE分析教程[M].北京:
械工业出版社,2020.
[4]WANGM.Amathematicalmodleofdrawbead
forcesinsheetmetalforming[J].JournalofAp2pliedMetalWorking,1982,2(3:
1932199.[5]雷正保.汽车覆盖件冲压成形CAE技术[M].长
沙:
国防科技大学出版社,2003.
[6]TISZAM.Numericalmodelingandsimulationin
sheetmetalforming[J].JournalofMaterialPro2cessingTechnology,2004,151:
58262.
[7]NINEHD.Drawbeadforcesinsheetmetalforming
[M].NewYork:
PlenumPress,1978.
模具技术2020.No.639文章编号:
1001-4934(2020)06-0039-03
基于Dynaform的汽车覆盖件成形中拉延筋的
郭敏杰,曾珊琪
(陕西科技大学机电工程学院,陕西西安710021)
摘要:
使用ETA公司的CAE软件Dynaform,通过求解器LS-Dyna计算,利用ETA/Post-processor来模拟某轿车引擎盖内板的拉深成形。
通过模拟结果的比较,最终确定拉延筋的最佳布置方案及拉延筋的优化形式等。
缩短了模具设计周期,降低了设计成本,提高车身质量。
Dynaform;
拉延筋;
汽车覆盖件;
数值模拟
中图分类号:
TP391.9文献标识码:
B
Abstract:
ByusingincrementsimulationsoftwareETA/Dynaform,theformingprocessofacarengineinnerpanalwascalculatedbyLS-DynaandsimulatedbyETA/Post-processor.Theoptimalsettingandshapeofdrawbeadweredeterminedbycomparingthesimulationre-sults.Theimproveddesigncouldshortenthedevelopmentcycleofdie,reducedesigncostandimprovethequalityofcarbody.
Keywords:
drawbead;
automobilecover;
numericalsimulation
0引言
拉深件的质量在很大程度上受材料流动的
影响。
在汽车引擎盖内板(见图1)拉深成形中,
广泛采用的拉延筋是调节和控制材料流动的一
种最有效和实用的方法,在拉深过程中起着重
要作用。
但由于汽车覆盖件大多是三维空间型
面、质量要求高,冲压成形中的变形复杂,变形
规律不易掌握,影响质量问题的原因错综复杂,
很难定量地给出工艺设计和模具设计的参数,
设计人员要大量地依靠设计经验进行工作。
拉
延筋的设置一般也由物理实验或工艺人员的经
验确定。
20世纪50年代后期,有限元法的提出促进了板料成形CAE软件的诞生,使工艺人员能够通过数值模拟技术来分析、研究拉延筋结构及布局对材料流动的影响,评价模具设计的正确性。
图1引擎盖内板
2020-06-29
郭敏杰(1986-),男,硕士研究生。
40DieandMouldTechnologyNo.62020
1拉延筋
1.1拉延筋的模型
在拉深成形过程中,拉延筋作用下毛坯的受力如图2
图3毛坯内径向拉应力Rr的分布
在Dy-naform中,采用的是等效拉延筋代替真实拉延筋的方法,即拉延筋是用一系列编号连续的节
1.拉延筋2.压边圈3.坯料4.凹模图2拉延筋作用下毛坯的受力分析
点所组成的线来表示的,从而为软件的开发和应用带来了极大的方便。
图2中Rr为凹模内的毛坯作用于压料面上的毛坯的径向拉应力,压料面作用力的总和为:
F=F1+F2+Fy+Fw1+Fw2+Fw
(1)式中:
F1)))压边圈压料面与毛坯之间的摩擦力
F2)))凹模压料面与毛坯之间的摩擦力Fy)))拉深筋与毛坯之间的摩擦力
Fw)))毛坯在通过拉深筋时弯曲和反弯
曲的弯曲力总和Fw1、Fw2)))分别为拉深筋槽的圆角半径
与毛坯之间的摩擦力式
(1)中,当不在压料面上设置拉延筋时,只有前两项。
当压边圈压料面与毛坯之间的摩擦因数一定,并且凹模压料面与毛坯之间的摩擦因数也一定时,它们的大小和压边力Q的大小有关。
压料面上毛坯内的径向拉应力Rr的分布如图3所示,由图可见拉延筋的存在使毛坯内受到的径向拉应力有很大增加。
1.2板料成形数值模拟中拉延筋的设置
2有限元模型
2.1划分网格及添加工艺补充面
通过Dynaform的IGES数据接口将文件导入(见图1),然后用曲面网格划分中的ToolMesh对其进行网格划分并修改。
在Dynaform中,由于接触判断模型的限制,模具表面单元和坯料单元的大小不能相差太大,否则在模拟过程中,当坯料和模具表面接触时大单元表面可能会穿透小单元表面,使求解失败。
由于该零件深度较浅,曲率较小,为了保证成形后的精度和刚度,通过添加工艺补充面增加拉深深度。
工艺补充面是拉深件不可缺少的组成部分,既是实现拉深的条件,又是增加变形程度和提高零件刚度的必要补充。
因此,在设计拉深件时必须慎重考虑工艺补充部分的设计,这样才能保证拉深出合格的拉深件产品。
2.2材料参数
由于拉延筋对板料冲压成形的重要性,所以在板料成形CAE分析软件中,必然要在板料成形分析模型中设置拉延筋。
如果采用真实拉延筋,这将不可避免地要进行建立复杂拉延筋的过程,从而带来数值处理上的困难,同时将花
引擎盖内板所采用的材料为宝钢的St13,坯料尺寸1150mm@880mm,其厚度为0.8,
nn
=kE=k(E0+Ep)
E)))材料的总应变
(2)
E0)))初始屈服应变Ep)))等效塑性应变
表1仿真材料参数
E/MPa2.07@103
Rs/MPa[280
Rb/MPa270~410
Ds/%\28
L0.28
K520.4
n0.232
r1.653
k)))强度系数
n)))硬化指数
材料牌号St13
Q/(kg#m-3)7.85@103
2.3仿真虚拟条件3.1方案一
Dynaform仿真时采用动力显示算法,而动力显式格式采用中心差分算法进行求解,中心差分是
条件稳定的,其时间积分步长由临界时间步长限制,如果采用真实的准静力条件的速度,计算时间会很长。
为提高计算效率,采用虚拟速度的方法,即把凸模的速度放大100倍。
速度放大后,必然引起动力效应的增加,为了减弱这种影响,把质量密度缩小100倍。
采用虚拟速度和虚拟密度后,总的计算效率提高了10倍,并因缩小质量密度而抑制了动力效应。
实际工艺速度比较低,大约100mm/s,虚拟速度一般取1~10m/s。
2.4有限元模型
此方案不设置任何拉延筋,设定完各项参数后直接提交LS-dyna求解器进行计算。
从图5中可以看到有大片的拉延不充分的区域存在,这样的结果在现实中
是不能接受的。
图5方案一模拟结果
当所有前处理步骤都完成后,模具与坯料有限元仿真模型就如图4所示。
图4中显示的毛坯是通过Dynaform中的MSTEP模块展开的毛坯,外形由曲线组成。
因为任意曲线的毛坯,需要额外增加一套落料模,实际生产的时候不推荐,
3.2方案二
根据方案一的模拟结果,想到可以通过设置拉延筋来解决此问题。
故在方案二中设置一条均匀分布的等效拉延筋(见图6),并将拉延筋
锁定到压边圈上。
1.凸模2.压边圈3.毛坯4.凹模
图4有限元模型
图6方案二的拉延筋分布
由仿真结果(见图7)看到,拉延不充分的现象已经基本得到解决,但又出现拉裂的现象,这是绝不允许出现的。
(45)
3仿真结果
5结论
对于不提供精车循环的数控系统,完全可以通过编程和优化工艺的手段来实现二次精车的目的。
经实践验证/二次精加工法0编程相对简单,易于掌握,刀具补偿量设置直观,二次精车不重复粗车刀路而是一刀完成,节省加工时间,提高工作效率。
)
[1]任国兴.数控车床加工工艺与编程操作[M].北
[2]广东职业技能坚定指导中心.技师论文撰写与答
[3]袁锋.全国数控大赛试题精选[M].北京:
4结论
(1)拉延筋的布局、数量、类型和结构对控制拉深件的质量有显著的调节作用。
(2)数值模拟结果表明,汽车覆盖件冲压成形仿真可替代实际的试模和修模,对实际投入
图7方案二模拟结果
3.3方案三
模具制造前工艺路线的制定具有重要的参考价值。
(3)目前CAE的分析结果只能通过人的参与反馈到CAD设计师手中。
未来CAD/CAE协同设计的发展将进一步地为执行参数化设计、仿真以及优化奠定更好的基础。
由方案二的结果,继续改进拉延筋的设置(见图8)。
在这里设置了6段拉延筋,并且根据
不同区域材料流动的难易程度,每段都采用不同的分布密度。
由仿真结果(见图9)看到,拉裂的现象已经不存在,
说明此方案合理可行。
[1]崔令江.汽车覆盖件冲压成形技术[M].北京:
[2]李金燕.基于数值模拟的等效拉延筋设计与优化
[J].塑性工程学报,2020,14(5):
14-17.
[3]陈文亮.板料成形CAE分析教程[M].北京:
[4]WANGM.Amathematicalmodleofdrawbead
forcesinsheetmetalforming[J].JournalofAp-pliedMetalWorking,1982,2(3):
193-199.[5]雷正保.汽车覆盖件冲压成形CAE技术[M].长
国防科技大学出版社,2003.
[6]TISZAM.Numericalmodelingandsimulationin
sheetmetalforming[J].JournalofMaterialPro-cessingTechnology,2004,151:
58-62.
[7]NINEHD.Drawbeadforcesinsheetmetalforming
[M].NewYork:
PlenumPress,1978.
汽车覆盖件拉延模设计与数值模拟
江苏大学机械工程学院李路娜姜银方来源:
《现代模具》
汽车覆盖件(简称覆盖件)是指覆盖汽车发动机、底盘、构成驾驶室
和车身的薄钢板异形体的表面零件(外覆盖件)和(内部零件),与一般冲压件相比较,具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大、表面质量要求高及生产成本高等特点。
在覆盖件的冲压工艺设计、
模具设计和模具制造工艺上,也具有独自的特点,一般需要经过多道工序(如拉延、冲孔修边、翻边、整形等)才能完成。
在其整个生产中,拉延成形则是一道关键的工序,而决定拉延成败和工件质量的,则是拉延成形的模具。
以前采取单件压制,生产效率、材料利用率和设备利用率均比较低。
将拉延工艺作了改进,采用中心对称一模两件的方法重新设计和制模,大大提高了设备利用率和生产效率[2]。
1冲压工艺分析
(1)Rember冲压工艺Rember
零件的材料为CR340,板料厚度为1mm,抗拉强度750Mpa,延伸率16%。
零件的结构外形如图1所示。
该零件的结构复杂,需要经过多道工序才能完成,根据该工件的工艺分析,工艺路线为:
落料→拉延→冲孔、修边→CAM修边→翻制→冲孔、分离。
具体工序图如图2所示。
该零件局部成形较多,是冲孔、拉延和翻边、修边复合的结果。
在拉延过程中,采用一模两件对称方式进行拉延,为保证能将拉延件的全部空间形状一次拉延出来,不应有凸模接触不到的“死区”,即既要保证凸模能全部进入,尽量使拉延深度差最小,以减小材料流动性和变形分布的不均匀性。
工艺补充是拉延工艺不可缺少的部分,但工艺补充部分应尽量减少,以提高材料的利用率。
工艺补充部分除考虑拉延工艺和压料面的需要外,还要考虑修边和翻边工序的要求。
该工件的工艺补充面和垂直修边线如图3所示:
(2)拉延仿真结果与成形性分析。
拉延仿真选用的材料与上面相同,板坯尺寸为920mm×
200mm,摩擦系数为0.1,压边力初定为95kN,冲头速度5000mm/s,在定义好模具各部分运动和边界条件后,提交工作到LS-DYNA进行计算。
本研究考虑到该覆盖件的变形特点,选用成形极限图和厚度变化图作为评价成形性能主要指标。
等效拉延筋的布置如图4所示,拉延筋的参数见图5,仿真结果见图6所示,从成形极限图可以看出:
板料底部仍有一部分材料的成形效果不理想,压料边仍有起皱现象存在,但压料边最后要被修边裁剪掉,故影响不大。
板料厚度变化图如图7所示,从板料厚度变化图可以看出:
底部圆角某些地方减薄其厚度为0.9814mm,最大变薄量为18.21%,材料减薄不算严重;
在压料边处某些地方板料增厚,其厚度变为1.3132mm,增厚量为9.43%,这属于正常范围。
2拉延模具设计
(1)UG的三维实体建模[3-4]。
通过以上的数值模拟得到的参数,对汽车覆盖件Rember进行建模,型面设计和模具结构设计。
建模时,通过数模及计算所得的冲裁间隙来生成修边的凸凹模。
通过数模上的曲线,利用Curveoperation—offset/project,将所需曲线偏置,然后利用From
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