塑性成形中的CAE应用
——CAE 在汽车冲压件生产工艺中的优化应用
摘要:汽车冲压件在设计过程中采用快速冲压可行性分析,结合有限元软件和CAD 软件的造型功能,通过合理地分析、排样, 达到节省材料、降低生产成本的目的, 采用一步成形法有限元技术与增量有限元技术相结合的方法,分析设计出合理的工艺方案,并在生产实际中得到有效应用。
关键词:排样;冲压可行性;生成成本;CAE 技术
汽车是国民经济和现代生活中不可缺少的一种交通工具,汽车工业是一个国家工业化水平的代表性产业,它的兴衰成败又决定和影响着一大批工业产业的发展。
以CAD和CAE为代表的计算机技术的出现使汽车的设计过程和设计理念也有了革命性的变化。
钣金冲压件在卡车中总重量超过1/ 2 ,在轿车中达到3/ 4。
随着经济全球化和一体化的不断发展, 汽车制造企业之间的竞争日趋激烈, 汽车冲压件更新换代的步伐不断加快。
汽车冲压件设计制造中焦点问题是如何在保证质量的前提下达到成本最低; 同时进一步缩短冲压件的开发周期,也是汽车冲压件成为竞争取胜的决定因素。
随着计算机技术的不断发展, CAE(计算机辅助工程) 技术目前已经在各大汽车模具厂广泛用于产品模拟分析、冲压件成形过程分析。
通过提前对产品可能出现的成形缺陷进行研究, 预示汽车冲压件成形的可行性。
通过计算机数值模拟技术, 达到在设计阶段对冲压件质量进行预测, 控制成本, 提高产品工艺设计的合理性, 减少因为
设计的错误而造成返修。
应用于汽车冲压件分析的主流软件是增量求解软件, 由于增量求解软件在前处理阶段花费大量的时间,计算速度相对较长,它非常适合冲压工艺最后验证阶段使用。
一步成形技术可以在冲压件设计和早期工艺设计阶段发挥设置简单、求解速度快的优势,如果把一步成形法和增量求解法相结合,就能达到兼顾精度、提高效率的目的,目前这类方法在汽车工业界被广泛地采用。
2 降低成本措施及可行性分析
2. 1 降低成本
降低汽车冲压件生产制造成本包括降低材料成本、生产成本、人力成本等, 其中降低生产成本和降低人力成本的空间已经很小, 现在对于材料成本的控制显得更为迫切。
冲压件在最初设计阶段采用CAD 和CAE 相结合技术, 根据CAE 的成本计算结果,调整几何形状,使冲压件展开后的外轮廓面积最小, 结合FormingSuite 软件的Costoptimizer 优化软件包,对汽车冲压件的仿真工艺设计过程进行分析,通过降低材料等级、厚度和增大冲压件设计的圆角半径及修剪冲压件的边缘各项措施, 达到降低材料成本的目的。
2. 2 冲压可行性分析
在钣金冲压件和工艺设计阶段, 对于已有的冲压件, 并不能预先知道坯料的几何形状。
不同的冲压件形状和工艺条件会生成不同的坯料形状和尺寸。
采用不成熟的技术时, 会造成冲压件不合格甚至报废。
为了缩短设计过程和降低整个成本, 快速分析技术显得非常重要。
有限元方法提供一个工具, 能够把试验和不成熟的方法从昂贵的
现场搬到相对便宜的计算机模拟。
现结合拉延件产生起皱的状况, 通过快速冲压CAE 分析, 找到合理的拉延成形条件,加速冲压件开发进度。
2 冲压件成形工艺分析
2.1 冲压件产品特征分析
图1为一款液晶电视的底板，它
将要支撑20kg以上的整机重
量，四周通过螺丝孔固定橡胶
垫支撑底座，中心的圆盘为支
撑整机接触面，其上面装配旋
转立柱。
本文结合发散式的设计思想和钣金塑性成形原理，设计了此
款产品，其零件的机械性能、
整机的机械强度和稳定性得到
了很好的改善。
2.2 冲压件成形有限元模型
如图2所示为冲压件有限元模
型图，根据实际冲压成形工艺及材料拉伸试验得到相关参数，如表1
所示。
其中，模具间隙取0.1倍的壁
厚，即0.15mm，工件接触摩
擦系数取0.1。
2.3 经验法设计结果及对比分析
图3、图4分别为依据经验法
设计得到的试冲样件和有限
元仿真得到的成形极限图
-FLD。
从图3和图4对比分析，
产品破裂的区域和产品翘曲
的区域几乎是一致的，可以
得出仿真的结果和实际冲压
结果非常接近，换句话说，如
果能在设计之初引进有限元
仿真成形质量结果分析，就可
以大大提高设计开发的效率，
使得产品设计更科学、更高
效。
3.产品结构设计优化
根据图4结果分析，产品结构设计优化有以下几点：
（1）加大破裂区域的圆角。
（2）圆角采用变倒圆角的方式，拉伸高度高的地方增加圆角半径。
（3）降低顶面到底面过渡区域坡度，使拉伸深度一致，并均匀过渡。
（4）翘曲部分区域可通过压边加拉延筋等途径改善。
图4为优化设计后得到产品实际冲压结果，产品的成形质量较高，通过CAE分析辅助产品结构设计大大提高了产品设计开发的效率。
图
图4 结构设计优化后实冲零件
4 结束语
结合有限元软件,通过计算机模拟、分析冲压件的冲压可行性,
设计阶段利用各种降低成本的措施,达到了大大降低生产成本的目的, 分析结果指导制定合理的冲压工艺。
对于汽车零件, 若表面质量要求不高, 起皱部位无需严格控制; 若冲压件对表面质量要求较高时,则
可通过适当增大压边力、添加拉延筋等工艺措施消除起皱,满足控制
冲压件外观质量的要求。
以有限元法为基础的冲压成形过程中计算机仿真技术或数值模拟技术,为模具设计、冲压过程设计与工艺参数优
化提供了科学的新途径, 将是解决复杂冲压过程设计和模具设计的
最有效手段。
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