板料沖壓成形工藝參數的計算機優化

王濤+劉鋒

摘 要：隨著市場經濟的不斷發展與變化，飛機制造、汽車制造等高科技制造行業也開展了更多樣化的發展道路，就為板料成形技術提出更高的要求。通過將CAE技術與CAD/CAM技術相結合，能夠優化板料沖壓成形的拉延筋、毛坯形狀、毛坯位置、壓邊力等工藝參數。進而節省試模毛坯材料，并提高試模成功率。

關鍵詞：板料；沖壓成形；工藝參數；計算機優化

1 板料成形概述

板料成形技術廣泛的應用于飛機制造、汽車制造等高科技制造行業。但是隨著市場經濟的不斷發展與變化，對于產品的需求也從產量化轉變為更多樣化。這就為板料成形的工藝參數的選擇提出了更高的要求，不僅開模和試模的時間被進一步的縮短，還需要提升對毛坯形狀預測的速度與準確性。通過加大對板料成形技術的資金投入，并引進更先進的科學技術，以降低開發新產品的費用成本與時間成本。但在實踐的過程中，仍然存在許多的問題，比如板料成形的技術僅限于CAD/CAM，而缺乏CAE。導致產品設計仍然停留在傳統的模式內，工藝參數的優化效果不明顯，開模與試模的時間不能減少等。所以，將CAE與CAD/CAM相結合的技術，才是解決當前問題的主要手段。

2 CAE技術的應用方案

2.1 建立計算機仿真模型

首先通過CAD軟件生成曲面模型，再導入CAE中，并建立仿真模型。

2.2 建立有限元網格模型

對模型進行合理的劃分，以此確定計算時間和計算精度，在劃分的過程中，對于彎曲變形較大的曲面模型可盡量劃分的盡量密集，而彎曲變形較小的曲面模型則可以稀疏的進行劃分。

2.3 對邊界條件進行定義

邊界條件包括動模的運動曲線、模具的壓邊圈以及壓邊圈的曲線、材料的性能等參數，通過對相關參數的分析，以進行對邊界條件的定義，進而啟動運算器，為仿真模型的建立提供參數數據。

2.4 后置的處理

對運算分析的結果進行讀取與分析，對不同的成形情況和目標參數的變化情況進行掌握。

3 有限元法介紹

板料成形的仿真模型參數數值的計算非常復雜，經過多年的發展，對板料成形的數值計算也取得了一定的發展，能夠有效的對工件的回彈、應力和應變的分布、工件的殘余應力、工件的變形等進行計算。根據不同的積分方式，可分為動力顯式算法、動力隱式算法、靜力隱式算法。

其中，動力隱式算法與動力顯式算法在應力應變計算、材料本構模型的確定以及單元類型的選擇上相同，二者的差異主要來自于回彈計算、接觸的處理、時間步長的選取以及求解方程中。在運行時間上，整體模型系數矩陣帶寬與動力隱式算法成正比。而動力顯式算法則與有限元分析問題的規模的平方成正比。從這一點來看，動力顯式算法更具優勢。

而靜力隱式算法顯示積分方法則是通過對運動學方程的中心差的利用，以實現模擬三維板料成形，具體的算法為：

設時間為n，則：Man=Pn-Fn+Hn

當時間增加，由n變為n+1時，通過中間差分法對時間增量進行處理：

an=M-1（PN-FN+HN）

vn+1/2=vn+1/2+anΔtn

un+1=un+vn+1/2Δtn+1/2

則：Δtn+1/2=（Δtn+Δtn+1）/2

由此可知新的集合位置：xn+1=x0+un+1

其穩定條件為：Δt=Lcrit/c

其中：M：質量對角化矩陣；P：外力；F：內應力；H：抑制HourglassMode（沙漏型變形）而產生的力；v：節點速度向量；u：節點位移向量；c：應力波速；Lcrit：單元長度。

4 油底殼一次成形CAE工藝參數優化

4.1 有限元模型及初始條件

通過采用油底殼一次成形，進行CAE的仿真模型，能夠對沖壓成形的工藝參數（主要包括了：（1）拉延筋的設置；（2）壓邊力的大??；（3）毛坯的定位位置；（4）毛坯的形狀尺寸；等。）進行優化。而有限元模型的初始條件有：1）毛坯形狀為切去四個角的方形坯；2）壓邊力初始化為80kN；3）不設置拉延筋；4）毛坯材料的強度控制在320M Pa，料厚1.5mm，厚向異性指數0.95，硬化指數0.22。

4.2 拉延筋

油底殼的底部深淺差異性較大，導致了在拉深之后，導致深度變化較大的底部和側壁出現更多的扭曲。有效的解決措施是，加一段拉延筋在深度較淺的外側，以此使的網格變形均勻。進而對沖壓成形進行工藝優化。

4.3 毛坯形狀

在進行仿真模型的過程中，將方形坯的四角切去后，在外圈仍然堆積了大量的多余材料，增大了底部的破裂區與變薄區。通過將毛坯形狀切成橢圓形，有效的改善了底部成形的情況，破裂區與變薄區的范圍也能夠大幅度的下降。

4.4 毛坯位置

在沖壓成形以往的工藝參數里，毛坯的左下部與左側的材料都能夠在凹模中，而上部與右側的材料則有更多剩余，造成毛坯材料的浪費。有效的優化措施就是，將毛坯的位置向下移動8mm，以及相左移動5mm。由此，在經過沖壓后，材料的寬度能夠更為均勻的成形。

4.5 壓邊力

通過以上步驟對沖壓成形的工藝參數進行優化，能夠有效地改善沖壓成形的效果。但仍然還存在著邊緣起皺、寬度較小等問題，有效地改善措施就是，增加壓邊力的強度，當壓邊力從80kN增加到100kN后，材料能夠達到合適的寬度，并且不再產生起皺現象。

5 結語

企業通過將CAE技術與CAD/CAM技術相結合，并使用CAE軟件對板料沖壓成形工藝參數的優化，包括：拉延筋、毛坯形狀、毛坯位置、壓邊力等，可以有效的改善以往板料沖壓成形中存在的問題，進而節省試模的毛坯材料，并且提高試模的成功率。

參考文獻：

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