冲压成形工艺流程
林钢 重庆数码模车身模具有限公司 2008年4月26日
培训内容
• 冲压成形工艺流程 • 冲压工艺和数模造型 • 应用实例
版权所有
2
模具开发基本流程
产品 设计
冲压 工艺分析
模具 结构设计
制造
工序、工 法、数模
CAE分析
国外通常独立出来， 国内通常在工艺组里
版权所有
3
冲压工艺基本流程
产品数模 生产纲领 参考工艺 工艺分析 标准 成形 展开 修边 翻边 冲孔 CAM …… 冲压方向 每道序的 工作 工艺补充 分模线 拉延筋 模具结构 的实现 …… OP10 OP20 成形分析 回弹分析
零件工艺 性分析
制定工序
编制冲压 工程书
制作工艺 数模
CAE分析
……
全序分析
版权所有
4
成形CAE分析基本流程
CAD软件： •UG •CATIA CAE软件： •PAMSTAMP •AutoForm •Dynaform + LS-DYNA •Hypermesh + LS-DYNA CAD软件： •UG •CATIA
数模造型 （Surfacing）
前处理 （Pre-process）
求解 （Solver）
后处理 （Post-process）
整改 （ECR）
•旋转点、角 •冲压工艺 •工艺数模 •工艺补充 •凸、凹模 •压料面 •拉延筋
•有限元网 格划分 •冲压过程 参数设置 •材料参数
•显式算法 •隐式算法 •一步算法 •单元自适应 自动划分 •接触算法
•FLC图 •应力、应变 云图 •变薄量云图 成形过程
•产品设变 •工艺变更 •造型变更
版权所有
5
冲压工艺和数模造型
• 冲压工艺－利用冲压过程的机理，通过合理的工 序组合，冲压出合格的产品 • 数模造型－根据工艺要求，产生工艺补充面和压 料面，实现工艺所要求的可用于制造的数模 • 步骤：
–详细了解产品的形状和功能 –决定最少的工序以及每道工序所做的工作 –小组研讨会决定工艺方案 –完成每道工序的数模造型 –数模交给分析组进行分析 –制作冲压工程书备案 –制作DL图供会签用
版权所有
6
冲压工艺案例
版权所有
7
冲压工艺案例
（1）
（2）
（3）
版权所有
（4）
8
数模造型案例
版权所有
9
成形过程常见问题
林钢 重庆数码模车身模具有限公司 2008年4月26日
培训内容
• 冲压成形常见问题及原因 • 解决方法
版权所有
2
板金成形过程中常见缺陷
• • • • 开裂 起皱 表面质量问题 回弹
版权所有
3
开裂
版权所有
4
开裂原因
• 开裂主要是由于材料在拉伸过程中，应变超过其 极限，而形成失稳。
版权所有
5
开裂解决方法
• 减小应变
–选择合理的坯料尺寸和形状 –调整拉延筋 –增加辅助工艺（切口等） –改善润滑条件 –修改工艺补充面 –修改压边面 –调整压边力
• 选择拉延性能好的材料 • 增加辅助工序
版权所有
6
起皱
版权所有
7
起皱原因
• 主
要原因：压缩失稳。由于板料的厚度方向的尺 寸与板料平面上的其他两个方向尺寸相比很小， 因此，厚度方向不稳定，当沿板料平面应力达到 一定程度，会在厚度方向失稳，从而产生起皱。 • 引起起皱的应力情况：压缩力，剪切力，不均匀 拉深力和板平面内弯曲力
版权所有
8
起皱解决方法
• 产品设计方面：
–减少拉深深度 –避免产品形状的急剧变化 –增加吸皱形状 –…
• 冲压工艺
–合理安排工序 –优化坯料形状 –优化压料面 –…
• 其他
版权所有
9
表面质量问题
版权所有
10
表面质量问题的原因
• 分类：
–表面松弛 –表面扭曲 –冲击线 –划移线
• 前两类与起皱原因类似，程度较起皱轻。 • 后两类主要由于在冲压过程中，板料与模具接触 后，在应力集中处摩擦造成的表面划痕 • 在覆盖件上不允许出现任何表面质量问题。
版权所有
11
表面质量问题的解决方法
• 前两类问题的解决方法与起皱解决方法类似 • 最重要的是均匀的各向拉延 • 后两类问题主要通过调整坯料的流动使缺陷不在A 级面上出现
版权所有
12
回弹
版权所有
13
回弹的原因
• 冲压成形（修边）后，冲压件材料由于弹性卸载， 导致局部或整体发生变形。
版权所有
14
回弹的解决方法
• 由于回弹是个复杂的三维问题，目前，模具行界 对回弹的矫正的成功率最好的在80％左右。 • 基本上，两个方法：
–减少回弹－在成形的过程中，通过调整成形条件，使 材料尽量多的处于塑性状态 –形状补偿－通过分析，得到回弹量，再修改数模形状， 使回弹后的形状在目标的形状附件
版权所有
15
数值模拟技术在工艺和成形的应用
• 快速模拟
–为工艺部门提供合理的工艺方案
• 成形模的模拟分析
–发现所有与成形有关的问题 –与工艺、结构设计部门协调，提供解决方案
• 全序工艺的模拟分析
–展开修边线分析，提供优化的修边线 –后序翻边、整型
• 回弹的模拟分析
–预测回弹趋势和大小 –与工艺、结构设计部门协调，提供解决方案
版权所有
16
冲压CAE有限元法简介
林钢 重庆数码模车身模具有限公司 2008年4月26日
培训内容
• • • • 有限元法简介 冲压CAE有限元法关键技术 冲压CAE有限元法的计算 冲压CAE软件介绍
版权所有
2
有限元方法起源
• 有限元法是随着计算机技术发展而出现的一种基 于变分原理来求解偏微分方程的有效数值计算方 法。 • 起源于20世纪40年代的结构力学的矩阵算法。 • 1960‘s——克拉夫（Clough）提出“有限元法” 术语。
版权所有
3
基本思路
• 把连续体视为离散单元的集合体。 • “化整为
零”。将连续体分解为有限个性态比较 简单的“单元”。对这些单元分别进行分析。 • “积零为整”。将各个单元重新组合为原来的连 续体的简化“模型”，求解得到基本未知量（位 移）在若干离散点的数值解。 • 根据数值解再回到各单元中计算其他物理量（应 变、应力、温度等）。
版权所有
4
成形CAE有限元的关键技术
• 模具几何形状的数字描述
–模具几何形状的数字描述有多种方式，目前较常采用 的是STL格式。
• 摩擦边界条件的施加
–摩擦与金属的成分、毛坯与模具间的相对滑动速度、 温度及润滑条件有关。
• 接触处理
–主要包括计算坯料与模具接触的处理方法
• 网格划分和重划分技术
–在有限元数值模拟中，网格质量对数值求解的稳定性、 效率及精度至关重要。
版权所有
5
板材成形的计算方法
• 显式算法
–动态显式和静态显式算法 –最大优点是有较好的稳定性 –计算速度快，也不存在收敛控制问题。 –需要的内存也比隐式算法要少。
• 隐式算法
–计算快－大增量步长 –精度高，回弹中运用较多
• 一步法
–用线性应变路径的假定，并且忽略接触摩擦过程 –速度快，但准确性低
版权所有
6
板材成形的计算方法比较
显式算法 时间步长 循环次数 逆矩阵 可靠度 内存需要 计算时间 小 多 对角矩阵，容易
隐式算法 无时间步长限制（静态） 少 每步都需要对刚度矩阵求 逆
使用小的时间步长时，保 通常在没有收敛情况下， 证可以得到结果 可得到结果 少 可能较长 多 较短
版权所有
7
板材成形CAE软件介绍
• 国外软件
–PAMSTAMP – ESI, 法国 –AutoForm－ETH，瑞士 –Dynaform（前、后处理） ＋LS-DYNA（求解器）– ETA, 美国 –Hypermesh （前、后处理） + LS-DYNA （求解器）－ Altair，美国
• 国产软件
–KMAS － 金网格 –FASTAMPING － 华中科大
版权所有
8
冲压CAE在成形分析的应用
林钢 重庆数码模车身模具有限公司 2008年4月26日
培训内容
• • • • • 成形分析基础 成形分析的数字化模型 成形分析过程的参数设置 成形结果的判断 整改方案
版权所有
2
成形分析的目的
• 利用现代计算机技术，使用CAE系统对模具的可制 造性进行分析，在模具设计阶段，优化工艺方案， 解决潜在问题，确保冲压零件的质量 • 通过对整个冲压线模具的动作进行数字化模拟和 分析，发现冲压零件在实际生产过程中可能出现 的问题，并在模具设计阶段加以解决，防患于未 然，避免在模具调试过程中出现问题
版权所有
3
成形分析基础
• 物理世界的模具：
–凸模， –凹模， –压料面， –拉延筋 –其他
版权所有
4
成形
分析基础
• 数码世界，进行分析时，只抽取模具的型面进行 分析
凹模
坯料 压料面
凸模 冲压CAE数字化模型
版权所有
5
成形分析基础（啮合）
• 物理世界
– 模具调试最重要的环节 – 通过机加工、钳工、等 手段保证 – 啮合度要求85％以上 – 研配不好会造成调试的 困难
• 数码世界 – 只抽取凸/凹模一面， 另一面通过偏置一个料 厚得到 – 啮合度100％
版权所有
6
成形分析基础（拉延筋）
• 物理世界
– 拉延筋有实体形状 – 凸筋、凹筋
• 数码世界 – 拉延筋没有实体形状 – 使用中心线和约束力来 模拟实体拉延筋
版权所有
7
成形分析基础（板料）
• 物理世界
– 料厚不均匀 – 材料性质变化
• 数码世界 – 料厚均匀 – 材料性质确定
版权所有
8
如何得到准确的分析结果？
• 关键在于输入正确、准确、合理的参数 • 正确性
–各个参数的意义明确 –各个参数对分析结果的影响明确
• 准确性
–各个参数的数值 –数值来源及变化范围
• 合理性
–各个参数的平衡考虑
版权所有
9
板料
• 在数模世界，板材除了需要厚度、尺寸、形状 外，还有
–拉伸性参数（n值）－ n值越高，拉伸性越好 –屈服应力－屈服应力越高，成形性越差，回弹越严重 –横向异性参数（r值）－r值越高，拉深性越好
版权所有
10
材料参数的比较
St14 0.8毫米
材料性质 屈服强度（MPa） 抗拉强度（MPa） 断后伸长率 r值 n值 K值（MPa） n值 r0 r45 r90 r值 1.6 宝钢标准 120～210 ≥270 0.38 ≥1.5 ≥0.18 553 0.23 使用实验曲 556 线 0.226 1.68 1.33 2.15 1.62 1.79 2.24 2.06 2.08 PAMSTAMP AutoForm Dynaform
版权所有
11
材料性质
• 材料性质的不一致是导致分析结果与现场试模结 果差异的重要原因之一 • 如何得到准确的材料性质
–钢厂的技术支持 –现场测量
版权所有
12
分析结果通用判断标准
• 所有零件
–无开裂 –无起皱 –减薄率小于25％
• 外覆盖件额外要求
–减薄率大于3％ –产品面无划移线、冲击线 –产品面无表面质量问题
版权所有
13
开裂的判断
版权所有
14
FLC
0.8
单向拉伸 0.7 开裂极限 0.6 临界极限
0.5
主应变
0.4
0.3
等厚拉伸
0.2
安全区
0.1
双向拉伸
0 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
次应变
版权所有
15
如何使用FLC?
• FLC是判断是否开裂的重要指标之一
–经验丰富的公司在FLC的基础上增加了其它曲线
• 变薄率是判断是否开裂的另一个重要指标
–普板25％以下 –高强度板20％以下
版权所有
16
变薄率
版权所有
17
起皱判断
• 起皱的判断不能简单地使用FLC上的“起皱区” • 起皱的判断不能简单地使用材料增厚率 • 起皱必须观察坯料的
整个成形过程，特别是在距 墩死10毫米之内的材料流动情况
–CAE分析可以完整地模拟坯料的成形过程 –通过对成形过程中材料流动情况的分析，判断起皱的 区域和严重程度
版权所有
18
成形结果
版权所有
19
成形过程
距墩死50毫米 合模 距墩死100毫米
距墩死30毫米
距墩死10毫米
距墩死6毫米
距墩死2毫米
墩死
版权所有
20
表面扭曲问题
• 零件表面扭曲现象主要是由于在成形过程中，坯 料在局部流动不均匀，导致表面应变不均匀 • 表面扭曲比较难判断，通常需要经验的积累，通 过其它的应变云图来判断
版权所有
21
案例
变薄率>3%
版权所有
22
案例
版权所有
23
冲击线和划移线
• 冲击线和划移线的判断需要经验的积累，关键是 在什么时候、什么条件下产生冲击线和划移线 • 调整模具成形条件可能无法消除这些缺陷，但必 须保证这些缺陷不出现在A级面上
版权所有
24
案例
滑移前
滑移后
版权所有
25
案例
版权所有
26
利用CAE解决成形问题的基本流程
产品数模 产品设变 冲压工艺 工艺整改 工艺数模 数模整改 CAE分析 否
通 过？
主机厂 模具厂
否
是 结构设计
版权所有
27
数字化制造国外先进冲压成形技术
林钢 重庆数码模车身模具有限公司 2008年4月26日
版权所有
1
概要
• • • • 白车身开发制造过程 数字化技术的历史背景 数字化技术在模具行业的发展趋势 总结
版权所有
2
白车身系统：从设计到成品的过程
车身开发
• 车身造型/特征线 • 零部件结构设计 • 零部件装配关系 • 车身制造费用
模具开发
• 模具工艺分析 • 模具型面开发 • 成形分析、修改和认证 • 三维结构设计
模具制造
• 编程 • 型面加工 • 研配、调试 • 提供样件
车身组装
• 冲压件组装－分总成 • 车身的公差和功能评估
冲压生产
• 生产线上模具调试 • 板材冲压 • 零件几何尺寸检测
版权所有
3
数字化技术发展的历史背景
• 二十世纪90年代，美国的三大汽车厂在新车质量、 制造成本等方面落后于日本、欧洲等国，其北美 市场份额不断萎缩 • 由于模具在整车的制造环节中占重要的地位，模 具直接影响到新车上市时间和价格，三大汽车厂 把目光转向模具上，努力降低模具成本 • 主机厂对冲压模具的新要求使模具企业面临着新 的挑战
版权所有
4
汽车冲压模具开发面临的挑战
• • • • • • • 尺寸大型化 形状复杂化 加工精密化 材料多样化 成本低廉化 周期快速化 生产高速化
核心竞争力
质量
成本
周期
版权所有
5
计算机模拟仿真技术的发展
• 由于主机厂对冲压模具的要求提高，以传统的方 法
去开发模具已无法满足模具周期、质量和成本 的要求 • CAD/CAE/CAM等技术应运而生，为模具的开发制造 提供了技术保证，并在实际应用中发挥了重要的 作用
版权所有
6
数字化技术在车身制造的应用
• 数字化开发技术
– CAD/CAE/CAM/CAPP – KBE
• 数字化制造技术
– CNC加工 – 自动化设备
• 数字化管理技术
– PDM – ERP/PLM系统
版权所有
7
数字化开发技术
• 二十世纪八十年代，主要应用在提高工作效率， 用于减少设计工作的劳动强度、缩短时间、减少 人为错误 • 今天，随着计算机技术和力学理论的进一步发展 和结合，数字化技术在模拟仿真、分析、智慧系 统等领域得到广泛应用 • 数字化技术在今后的发展中除了继续在纵向的各 个专业发展完善外，还将在横向的系统化、集成 化方向发展－“虚拟制造”
版权所有
8
数字化技术在模具开发的应用
• 模具工艺设计－向智能化方向发展(工艺自动分析 与补充)
版权所有
9
数字化技术在模具开发的应用
• 模拟分析－准确度高，全序分析
版权所有
10
数字化技术在模具开发的应用
• 模具设计－全参、模块化三维设计
版权所有
11
数字化技术在模具开发的应用
• 纵向发展
扣合分析
版权所有
12
数字化技术在模具开发的应用
扣合分析
(a) Displacement magnitude
(b) Displacement Z (mm) 版权所有
13
数字化技术在模具开发的应用
• 新工艺的研发
– 管材的液压成形
版权所有
14
数字化技术在模具开发的应用
• 新工艺的研发
– 高强度板(屈服应力>1000MPa)的热冲压 – 滚压
落料 冷却系统
送料
坯料加热系统
多工位 压机
零件
版权所有
15
数字化技术在模具开发的应用
• 新材料的应用
– 复合材料
钢板 橡胶 0.7毫米
钢板
版权所有
16
数字化技术在生产制造的应用
• 虚拟制造－更好地满足主机厂的需要
废料排出
版权所有
17
数字化技术在生产制造的应用
• 虚拟制造
零件传输
版权所有
18
数字化技术在生产制造的应用
• 虚拟制造－冲压生产
版权所有
19
国外技术发展的趋势
车身设计 模具制造 冲压生产
车身 开发
…
车身 工艺
模具 开发
…
模具 制造
零件 生产
…
零件 组装
车身 开发
…
车身 工艺
模具 开发
…
模具 制造
零件 生产 DFM VM
…
零件 组装
同步工程 DFM
版权所有
20
利用数字化技术，提升核心竞争力
• 主机厂迫于市场压力，在车身开发阶段进行冲压 分析，通过数字化技术对后期的制造加以控制 • 模具企业除了在自身的模具开发、制造方面提升 数字化技术的应用，还应介入主机厂的车身开发 过程 • 通过设计阶段冲压工艺分析，模具企
业获得的产 品是基于可制造性而进行的设计，将极大改善零 件质量并减少模具制造周期
版权所有
21
总结
• 做为一种先进的技术和理念，数字化制造技术在 开发周期、质量控制、制造成本等方面远远优于 传统的制造技术，正在被发达国家广泛应用 • 为与国际先进制造水平接轨，中国制造业也在进 行一场历史性的转变，而数字化制造技术也是这 一转变的驱动力。 • 中国模具行业面临历史性机遇和挑战，必须把握 时机，充分利用和发展新型数字化技术，并使之 成为我们的核心竞争力
版权所有
22
冲压成形工艺流程
林钢 重庆数码模车身模具有限公司 2008年4月26日
培训内容
• 冲压成形工艺流程 • 冲压工艺和数模造型 • 应用实例
版权所有
2
模具开发基本流程
产品 设计
冲压 工艺分析
模具 结构设计
制造
工序、工 法、数模
CAE分析
国外通常独立出来， 国内通常在工艺组里
版权所有
3
冲压工艺基本流程
产品数模 生产纲领 参考工艺 工艺分析 标准 成形 展开 修边 翻边 冲孔 CAM …… 冲压方向 每道序的 工作 工艺补充 分模线 拉延筋 模具结构 的实现 …… OP10 OP20 成形分析 回弹分析
零件工艺 性分析
制定工序
编制冲压 工程书
制作工艺 数模
CAE分析
……
全序分析
版权所有
4
成形CAE分析基本流程
CAD软件： •UG •CATIA CAE软件： •PAMSTAMP •AutoForm •Dynaform + LS-DYNA •Hypermesh + LS-DYNA CAD软件： •UG •CATIA
数模造型 （Surfacing）
前处理 （Pre-process）
求解 （Solver）
后处理 （Post-process）
整改 （ECR）
•旋转点、角 •冲压工艺 •工艺数模 •工艺补充 •凸、凹模 •压料面 •拉延筋
•有限元网 格划分 •冲压过程 参数设置 •材料参数
•显式算法 •隐式算法 •一步算法 •单元自适应 自动划分 •接触算法
•FLC图 •应力、应变 云图 •变薄量云图 成形过程
•产品设变 •工艺变更 •造型变更
版权所有
5
冲压工艺和数模造型
• 冲压工艺－利用冲压过程的机理，通过合理的工 序组合，冲压出合格的产品 • 数模造型－根据工艺要求，产生工艺补充面和压 料面，实现工艺所要求的可用于制造的数模 • 步骤：
–详细了解产品的形状和功能 –决定最少的工序以及每道工序所做的工作 –小组研讨会决定工艺方案 –完成每道工序的数模造型 –数模交给分析组进行分析 –制作冲压工程书备案 –制作DL图供会签用
版权所有
6
冲压工艺案例
版权所有
7
冲压工艺案例
（1）
（2）
（3）
版权所有
（4）
8
数模造型案例
版权所有
9
成形过程常见问题
林钢 重庆数码模车身模具有限公司 2008年4月26日
培训内容
• 冲压成形常见问题及原因 • 解决方法
版权所有
2
板金成形过程中常见缺陷
• • • • 开裂 起皱 表面质量问题 回弹
版权所有
3
开裂
版权所有
4
开裂原因
• 开裂主要是由于材料在拉伸过程中，应变超过其 极限，而形成失稳。
版权所有
5
开裂解决方法
• 减小应变
–选择合理的坯料尺寸和形状 –调整拉延筋 –增加辅助工艺（切口等） –改善润滑条件 –修改工艺补充面 –修改压边面 –调整压边力
• 选择拉延性能好的材料 • 增加辅助工序
版权所有
6
起皱
版权所有
7
起皱原因
• 主
要原因：压缩失稳。由于板料的厚度方向的尺 寸与板料平面上的其他两个方向尺寸相比很小， 因此，厚度方向不稳定，当沿板料平面应力达到 一定程度，会在厚度方向失稳，从而产生起皱。 • 引起起皱的应力情况：压缩力，剪切力，不均匀 拉深力和板平面内弯曲力
版权所有
8
起皱解决方法
• 产品设计方面：
–减少拉深深度 –避免产品形状的急剧变化 –增加吸皱形状 –…
• 冲压工艺
–合理安排工序 –优化坯料形状 –优化压料面 –…
• 其他
版权所有
9
表面质量问题
版权所有
10
表面质量问题的原因
• 分类：
–表面松弛 –表面扭曲 –冲击线 –划移线
• 前两类与起皱原因类似，程度较起皱轻。 • 后两类主要由于在冲压过程中，板料与模具接触 后，在应力集中处摩擦造成的表面划痕 • 在覆盖件上不允许出现任何表面质量问题。
版权所有
11
表面质量问题的解决方法
• 前两类问题的解决方法与起皱解决方法类似 • 最重要的是均匀的各向拉延 • 后两类问题主要通过调整坯料的流动使缺陷不在A 级面上出现
版权所有
12
回弹
版权所有
13
回弹的原因
• 冲压成形（修边）后，冲压件材料由于弹性卸载， 导致局部或整体发生变形。
版权所有
14
回弹的解决方法
• 由于回弹是个复杂的三维问题，目前，模具行界 对回弹的矫正的成功率最好的在80％左右。 • 基本上，两个方法：
–减少回弹－在成形的过程中，通过调整成形条件，使 材料尽量多的处于塑性状态 –形状补偿－通过分析，得到回弹量，再修改数模形状， 使回弹后的形状在目标的形状附件
版权所有
15
数值模拟技术在工艺和成形的应用
• 快速模拟
–为工艺部门提供合理的工艺方案
• 成形模的模拟分析
–发现所有与成形有关的问题 –与工艺、结构设计部门协调，提供解决方案
• 全序工艺的模拟分析
–展开修边线分析，提供优化的修边线 –后序翻边、整型
• 回弹的模拟分析
–预测回弹趋势和大小 –与工艺、结构设计部门协调，提供解决方案
版权所有
16
冲压CAE有限元法简介
林钢 重庆数码模车身模具有限公司 2008年4月26日
培训内容
• • • • 有限元法简介 冲压CAE有限元法关键技术 冲压CAE有限元法的计算 冲压CAE软件介绍
版权所有
2
有限元方法起源
• 有限元法是随着计算机技术发展而出现的一种基 于变分原理来求解偏微分方程的有效数值计算方 法。 • 起源于20世纪40年代的结构力学的矩阵算法。 • 1960‘s——克拉夫（Clough）提出“有限元法” 术语。
版权所有
3
基本思路
• 把连续体视为离散单元的集合体。 • “化整为
零”。将连续体分解为有限个性态比较 简单的“单元”。对这些单元分别进行分析。 • “积零为整”。将各个单元重新组合为原来的连 续体的简化“模型”，求解得到基本未知量（位 移）在若干离散点的数值解。 • 根据数值解再回到各单元中计算其他物理量（应 变、应力、温度等）。
版权所有
4
成形CAE有限元的关键技术
• 模具几何形状的数字描述
–模具几何形状的数字描述有多种方式，目前较常采用 的是STL格式。
• 摩擦边界条件的施加
–摩擦与金属的成分、毛坯与模具间的相对滑动速度、 温度及润滑条件有关。
• 接触处理
–主要包括计算坯料与模具接触的处理方法
• 网格划分和重划分技术
–在有限元数值模拟中，网格质量对数值求解的稳定性、 效率及精度至关重要。
版权所有
5
板材成形的计算方法
• 显式算法
–动态显式和静态显式算法 –最大优点是有较好的稳定性 –计算速度快，也不存在收敛控制问题。 –需要的内存也比隐式算法要少。
• 隐式算法
–计算快－大增量步长 –精度高，回弹中运用较多
• 一步法
–用线性应变路径的假定，并且忽略接触摩擦过程 –速度快，但准确性低
版权所有
6
板材成形的计算方法比较
显式算法 时间步长 循环次数 逆矩阵 可靠度 内存需要 计算时间 小 多 对角矩阵，容易
隐式算法 无时间步长限制（静态） 少 每步都需要对刚度矩阵求 逆
使用小的时间步长时，保 通常在没有收敛情况下， 证可以得到结果 可得到结果 少 可能较长 多 较短
版权所有
7
板材成形CAE软件介绍
• 国外软件
–PAMSTAMP – ESI, 法国 –AutoForm－ETH，瑞士 –Dynaform（前、后处理） ＋LS-DYNA（求解器）– ETA, 美国 –Hypermesh （前、后处理） + LS-DYNA （求解器）－ Altair，美国
• 国产软件
–KMAS － 金网格 –FASTAMPING － 华中科大
版权所有
8
冲压CAE在成形分析的应用
林钢 重庆数码模车身模具有限公司 2008年4月26日
培训内容
• • • • • 成形分析基础 成形分析的数字化模型 成形分析过程的参数设置 成形结果的判断 整改方案
版权所有
2
成形分析的目的
• 利用现代计算机技术，使用CAE系统对模具的可制 造性进行分析，在模具设计阶段，优化工艺方案， 解决潜在问题，确保冲压零件的质量 • 通过对整个冲压线模具的动作进行数字化模拟和 分析，发现冲压零件在实际生产过程中可能出现 的问题，并在模具设计阶段加以解决，防患于未 然，避免在模具调试过程中出现问题
版权所有
3
成形分析基础
• 物理世界的模具：
–凸模， –凹模， –压料面， –拉延筋 –其他
版权所有
4
成形
分析基础
• 数码世界，进行分析时，只抽取模具的型面进行 分析
凹模
坯料 压料面
凸模 冲压CAE数字化模型
版权所有
5
成形分析基础（啮合）
• 物理世界
– 模具调试最重要的环节 – 通过机加工、钳工、等 手段保证 – 啮合度要求85％以上 – 研配不好会造成调试的 困难
• 数码世界 – 只抽取凸/凹模一面， 另一面通过偏置一个料 厚得到 – 啮合度100％
版权所有
6
成形分析基础（拉延筋）
• 物理世界
– 拉延筋有实体形状 – 凸筋、凹筋
• 数码世界 – 拉延筋没有实体形状 – 使用中心线和约束力来 模拟实体拉延筋
版权所有
7
成形分析基础（板料）
• 物理世界
– 料厚不均匀 – 材料性质变化
• 数码世界 – 料厚均匀 – 材料性质确定
版权所有
8
如何得到准确的分析结果？
• 关键在于输入正确、准确、合理的参数 • 正确性
–各个参数的意义明确 –各个参数对分析结果的影响明确
• 准确性
–各个参数的数值 –数值来源及变化范围
• 合理性
–各个参数的平衡考虑
版权所有
9
板料
• 在数模世界，板材除了需要厚度、尺寸、形状 外，还有
–拉伸性参数（n值）－ n值越高，拉伸性越好 –屈服应力－屈服应力越高，成形性越差，回弹越严重 –横向异性参数（r值）－r值越高，拉深性越好
版权所有
10
材料参数的比较
St14 0.8毫米
材料性质 屈服强度（MPa） 抗拉强度（MPa） 断后伸长率 r值 n值 K值（MPa） n值 r0 r45 r90 r值 1.6 宝钢标准 120～210 ≥270 0.38 ≥1.5 ≥0.18 553 0.23 使用实验曲 556 线 0.226 1.68 1.33 2.15 1.62 1.79 2.24 2.06 2.08 PAMSTAMP AutoForm Dynaform
版权所有
11
材料性质
• 材料性质的不一致是导致分析结果与现场试模结 果差异的重要原因之一 • 如何得到准确的材料性质
–钢厂的技术支持 –现场测量
版权所有
12
分析结果通用判断标准
• 所有零件
–无开裂 –无起皱 –减薄率小于25％
• 外覆盖件额外要求
–减薄率大于3％ –产品面无划移线、冲击线 –产品面无表面质量问题
版权所有
13
开裂的判断
版权所有
14
FLC
0.8
单向拉伸 0.7 开裂极限 0.6 临界极限
0.5
主应变
0.4
0.3
等厚拉伸
0.2
安全区
0.1
双向拉伸
0 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
次应变
版权所有
15
如何使用FLC?
• FLC是判断是否开裂的重要指标之一
–经验丰富的公司在FLC的基础上增加了其它曲线
• 变薄率是判断是否开裂的另一个重要指标
–普板25％以下 –高强度板20％以下
版权所有
16
变薄率
版权所有
17
起皱判断
• 起皱的判断不能简单地使用FLC上的“起皱区” • 起皱的判断不能简单地使用材料增厚率 • 起皱必须观察坯料的
整个成形过程，特别是在距 墩死10毫米之内的材料流动情况
–CAE分析可以完整地模拟坯料的成形过程 –通过对成形过程中材料流动情况的分析，判断起皱的 区域和严重程度
版权所有
18
成形结果
版权所有
19
成形过程
距墩死50毫米 合模 距墩死100毫米
距墩死30毫米
距墩死10毫米
距墩死6毫米
距墩死2毫米
墩死
版权所有
20
表面扭曲问题
• 零件表面扭曲现象主要是由于在成形过程中，坯 料在局部流动不均匀，导致表面应变不均匀 • 表面扭曲比较难判断，通常需要经验的积累，通 过其它的应变云图来判断
版权所有
21
案例
变薄率>3%
版权所有
22
案例
版权所有
23
冲击线和划移线
• 冲击线和划移线的判断需要经验的积累，关键是 在什么时候、什么条件下产生冲击线和划移线 • 调整模具成形条件可能无法消除这些缺陷，但必 须保证这些缺陷不出现在A级面上
版权所有
24
案例
滑移前
滑移后
版权所有
25
案例
版权所有
26
利用CAE解决成形问题的基本流程
产品数模 产品设变 冲压工艺 工艺整改 工艺数模 数模整改 CAE分析 否
通 过？
主机厂 模具厂
否
是 结构设计
版权所有
27
数字化制造国外先进冲压成形技术
林钢 重庆数码模车身模具有限公司 2008年4月26日
版权所有
1
概要
• • • • 白车身开发制造过程 数字化技术的历史背景 数字化技术在模具行业的发展趋势 总结
版权所有
2
白车身系统：从设计到成品的过程
车身开发
• 车身造型/特征线 • 零部件结构设计 • 零部件装配关系 • 车身制造费用
模具开发
• 模具工艺分析 • 模具型面开发 • 成形分析、修改和认证 • 三维结构设计
模具制造
• 编程 • 型面加工 • 研配、调试 • 提供样件
车身组装
• 冲压件组装－分总成 • 车身的公差和功能评估
冲压生产
• 生产线上模具调试 • 板材冲压 • 零件几何尺寸检测
版权所有
3
数字化技术发展的历史背景
• 二十世纪90年代，美国的三大汽车厂在新车质量、 制造成本等方面落后于日本、欧洲等国，其北美 市场份额不断萎缩 • 由于模具在整车的制造环节中占重要的地位，模 具直接影响到新车上市时间和价格，三大汽车厂 把目光转向模具上，努力降低模具成本 • 主机厂对冲压模具的新要求使模具企业面临着新 的挑战
版权所有
4
汽车冲压模具开发面临的挑战
• • • • • • • 尺寸大型化 形状复杂化 加工精密化 材料多样化 成本低廉化 周期快速化 生产高速化
核心竞争力
质量
成本
周期
版权所有
5
计算机模拟仿真技术的发展
• 由于主机厂对冲压模具的要求提高，以传统的方 法
去开发模具已无法满足模具周期、质量和成本 的要求 • CAD/CAE/CAM等技术应运而生，为模具的开发制造 提供了技术保证，并在实际应用中发挥了重要的 作用
版权所有
6
数字化技术在车身制造的应用
• 数字化开发技术
– CAD/CAE/CAM/CAPP – KBE
• 数字化制造技术
– CNC加工 – 自动化设备
• 数字化管理技术
– PDM – ERP/PLM系统
版权所有
7
数字化开发技术
• 二十世纪八十年代，主要应用在提高工作效率， 用于减少设计工作的劳动强度、缩短时间、减少 人为错误 • 今天，随着计算机技术和力学理论的进一步发展 和结合，数字化技术在模拟仿真、分析、智慧系 统等领域得到广泛应用 • 数字化技术在今后的发展中除了继续在纵向的各 个专业发展完善外，还将在横向的系统化、集成 化方向发展－“虚拟制造”
版权所有
8
数字化技术在模具开发的应用
• 模具工艺设计－向智能化方向发展(工艺自动分析 与补充)
版权所有
9
数字化技术在模具开发的应用
• 模拟分析－准确度高，全序分析
版权所有
10
数字化技术在模具开发的应用
• 模具设计－全参、模块化三维设计
版权所有
11
数字化技术在模具开发的应用
• 纵向发展
扣合分析
版权所有
12
数字化技术在模具开发的应用
扣合分析
(a) Displacement magnitude
(b) Displacement Z (mm) 版权所有
13
数字化技术在模具开发的应用
• 新工艺的研发
– 管材的液压成形
版权所有
14
数字化技术在模具开发的应用
• 新工艺的研发
– 高强度板(屈服应力>1000MPa)的热冲压 – 滚压
落料 冷却系统
送料
坯料加热系统
多工位 压机
零件
版权所有
15
数字化技术在模具开发的应用
• 新材料的应用
– 复合材料
钢板 橡胶 0.7毫米
钢板
版权所有
16
数字化技术在生产制造的应用
• 虚拟制造－更好地满足主机厂的需要
废料排出
版权所有
17
数字化技术在生产制造的应用
• 虚拟制造
零件传输
版权所有
18
数字化技术在生产制造的应用
• 虚拟制造－冲压生产
版权所有
19
国外技术发展的趋势
车身设计 模具制造 冲压生产
车身 开发
…
车身 工艺
模具 开发
…
模具 制造
零件 生产
…
零件 组装
车身 开发
…
车身 工艺
模具 开发
…
模具 制造
零件 生产 DFM VM
…
零件 组装
同步工程 DFM
版权所有
20
利用数字化技术，提升核心竞争力
• 主机厂迫于市场压力，在车身开发阶段进行冲压 分析，通过数字化技术对后期的制造加以控制 • 模具企业除了在自身的模具开发、制造方面提升 数字化技术的应用，还应介入主机厂的车身开发 过程 • 通过设计阶段冲压工艺分析，模具企
业获得的产 品是基于可制造性而进行的设计，将极大改善零 件质量并减少模具制造周期
版权所有
21
总结
• 做为一种先进的技术和理念，数字化制造技术在 开发周期、质量控制、制造成本等方面远远优于 传统的制造技术，正在被发达国家广泛应用 • 为与国际先进制造水平接轨，中国制造业也在进 行一场历史性的转变，而数字化制造技术也是这 一转变的驱动力。 • 中国模具行业面临历史性机遇和挑战，必须把握 时机，充分利用和发展新型数字化技术，并使之 成为我们的核心竞争力
版权所有
22