注塑成型CAE是用計算機(jī)數(shù)值模擬塑料成型過程的技術(shù)，其數(shù)值計算結(jié)果將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。如何將這些數(shù)據(jù)所蘊(yùn)涵的物理意義以圖形的方式直觀的表示出來——即結(jié)果的可視化，是注塑成型CAE技術(shù)的一個重要環(huán)節(jié)。

隨著非線形理論、有限元方法和計算機(jī)軟硬件的迅速發(fā)展，薄板沖壓成型過程的CAE分析技術(shù)日漸成熟，并在沖壓模具與工藝設(shè)計中發(fā)揮了重要的作用。目前的金屬板料成形CAE系統(tǒng)已能提供以下分析和模擬結(jié)果：材料的流動、厚度的變化、破壞、起皺、回彈，以及殘余應(yīng)力和應(yīng)變，用以預(yù)測產(chǎn)品設(shè)計和加工工藝的合理性。其應(yīng)用可以貫穿產(chǎn)品和模具開發(fā)的全過程，比如：可以在產(chǎn)品設(shè)計階段對設(shè)計師提出產(chǎn)品沖壓可行性分析；可以在模具設(shè)計階段對設(shè)計師的設(shè)計方案進(jìn)行模擬和驗證；還可以在修模過程中提供直觀形象的指導(dǎo)。

沖壓成型過程的CAE分析實質(zhì)上是在計算機(jī)上模擬板料變形的全過程，從而判斷沖壓工藝方案的合理性。由于每次模擬就相當(dāng)于一次試模過程。因此在沖壓成型過程中應(yīng)用CAE模擬技術(shù)，可以顯著地減少試模次數(shù)，縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，并降低開發(fā)成本。

一、PAM-STAMP 2G在模具設(shè)計中的應(yīng)用

PAM-STAMP 2G是法國ESI公司開發(fā)的板金成形過程的有限元計算機(jī)模擬求解方案。它整合了從模具設(shè)計的可行性、快速模面生成與修改到?jīng)_壓過程的模擬等環(huán)節(jié)。它包含三個主要功能模塊：

◇ DIEMAKER：用于快速生成壓料面及工藝補(bǔ)充面；

◇ QUIKSTAMP：用于快速評估成型模具；

◇ AUTOSTAMP：用于精確評估成型模具。

各功能模塊在模具開發(fā)中的應(yīng)用流程如圖1所示。

圖1 PAM-STAMP 2G的應(yīng)用流程

在汽車覆蓋件的拉延模設(shè)計中，合理設(shè)計工藝壓料面和工藝補(bǔ)充及壓延筋可以在很大程度上避免起皺、拉裂以及拉伸不足等制造缺陷。利用PAM-STAMP可以建立多個方案進(jìn)行計算，優(yōu)選出或優(yōu)化得到較為滿意的模面和壓延筋，作為模具設(shè)計的參考和依據(jù)。而使用AUTOSTAMP中的展平(Flattening) 功能得到的板材優(yōu)化曲線，可以用來作為壓料面的外邊界參考。對于拉延模設(shè)計來說，有了模面和拉延筋，其余的就只是常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計了。

二、實例

1.產(chǎn)品形狀和特點

產(chǎn)品形狀和特點如圖2所示，該件屬于汽車外表面件，搭接面較多，表面質(zhì)量要求高，不允許有波紋、皺紋、破裂等影響產(chǎn)品質(zhì)量的缺陷。該件形狀不規(guī)則，長 485mm，深150mm，高380mm。該產(chǎn)品的另一個主要特點為左右件，且左右件完全對稱。根據(jù)該件的特點，沖壓方案定為一模雙件，工藝為拉延、修邊沖孔、整形修邊切開和翻邊。

圖2 左/右前圍側(cè)板產(chǎn)品圖

圖3 DIEMAKER生成的沖壓模型

2.對零件拉延工序進(jìn)行有限元模擬分析

（1）直接導(dǎo)入零件的.igs文件，劃分網(wǎng)格并進(jìn)入DIEMAKER模塊，隱藏法蘭邊，以沖壓深度自動判斷沖壓方向，建立對稱面和壓料面，設(shè)定沖壓撥模斜度為5°，入料圓角10mm，建立工藝補(bǔ)充面，并建立整圈壓延筋（如圖3所示），轉(zhuǎn)入QUICKSTAMP模塊進(jìn)入快速評估。從QUICKSTAMP的計算結(jié)果可以看出，拉延周邊有局部起皺現(xiàn)象。修改壓延筋，將單壓延筋變?yōu)殡p壓延筋，并去除相對拐角部分。轉(zhuǎn)入AUTOSTAMP模塊（如圖4所示），重新進(jìn)行精確評估，參數(shù)設(shè)定如下：

壓料力：1000kN

摩擦系數(shù)：0.12

等效壓延筋摩擦力：Fr=0.087kM，F(xiàn)o=0.065kM

板材材料：ST14

厚度：0.8mm

網(wǎng)格細(xì)分：refine=3

圖4 AUTO-STAMP計算模型

模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 計算結(jié)果的厚度分布圖

（2）經(jīng)逐步觀看計算過程，此模型在計算過程中并未產(chǎn)生起皺和拉裂現(xiàn)象。從計算結(jié)果來看，其最薄處為0.517215mm，在FLC曲線上部未見顯示拉裂，在應(yīng)變圖中顯示應(yīng)變充分和均勻，說明以此設(shè)計的工藝補(bǔ)充及壓料面是合理的。

轉(zhuǎn)到Design模式，分別輸出模面和壓延筋的.igs文件，以備在CAD中設(shè)計模具時使用。

（3）在AUTOSTAMP計算得出的最后一步(State end)，我們可以建立一條包含壓延筋的3D封閉曲線，投影到板材上，利用展平(Flattening)功能，得到所需板材初始形狀的優(yōu)化曲線，將曲線導(dǎo)出為.igs文件。在模具設(shè)計中，可用此曲線作為模面尺寸的參考。見圖6所示。

圖6 板材優(yōu)化輪廓曲線

3.拉延模的設(shè)計

（1）在通過以上仿真確定了拉延模的設(shè)計方案后，我們可以從中得到如下數(shù)據(jù)：

◇ 模面圖形的.igs文件。此文件中包含零件的沖壓型面、工藝補(bǔ)充、壓料面、入料圓角和沖壓斜角等數(shù)據(jù)，可將其直接導(dǎo)入三維CAD軟件中用作拉延模的模面。

◇ 壓延筋3D曲線的.igs文件。導(dǎo)入CAD內(nèi)作為壓延筋的形狀參考曲線，但在建立壓延筋時，壓延筋的截面輪廓必須依據(jù)CAE中所建立的輪廓尺寸，以保證產(chǎn)生的效果與計算的一致性。

◇ 板材優(yōu)化輪廓曲線的.igs文件。板材優(yōu)化輪廓曲線不僅可以用來優(yōu)化板料的下料，還可用來作為壓料面的外輪廓尺寸的參考。

（2）設(shè)計方法

◇ 建立拉延模的裝配結(jié)構(gòu)。在UG的裝配環(huán)境中，新建裝配文件，用添加新組件的方法創(chuàng)建空的零件文件。

◇ 導(dǎo)入以上三個.igs文件，得到模面曲面及壓延筋曲線和模面外輪廓曲線。

◇ 采用投影、拉深、分割、剪切等建模方法對相應(yīng)零件進(jìn)行建模。建模時要充分結(jié)合相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和工廠實際工況與技術(shù)水平。

◇ 對完成的拉延模進(jìn)行運動學(xué)模擬檢查。

◇ 繪制拉延模的裝配和零件的工程圖。

圖7是前圍側(cè)板拉延模設(shè)計的實例。

圖7 前圍側(cè)板拉延模設(shè)計

成型CAE在模具設(shè)計中的應(yīng)用，實際上是對模具設(shè)計方案進(jìn)行評估優(yōu)化的過程。合理應(yīng)用CAE技術(shù)在板料設(shè)計中的應(yīng)用，可以避免和減少傳統(tǒng)模具設(shè)計方法產(chǎn)生的浪費、失誤甚至報廢，有效地提高模具開發(fā)的效率，降低開發(fā)成本。

來自：《CAD/CAM與制造業(yè)信息化》 作者：李再參