文献翻译在冲压过程模拟产品和工艺设计最新应用.docx
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文献翻译在冲压过程模拟产品和工艺设计最新应用
在冲压过程模拟-产品和工艺设计最新应用
摘要
工艺产品和工艺设计仿真都是目前正在实行产业。
然而，一个变量数目会对
输入的准确性和计算机预测的可靠性产生重大的影响。
曾经进行一项有关冲压模拟能力评估预测的特点和其工艺条件部分的复杂形面形成了复合、工业零件的研究。
在工业应用中，下面是冲压过程的进行模拟测试达到的两个目标：
（1）通过分析在产品设计阶段、成形性及预测来优化产品的设计；
（2）在模具设计的前期阶段减少试模时间和在冲压加工过程中降低生产成本。
为了达到这两个目标，有两种方法可以选择：
一种是Pam-Stamp应用法，一种是Int'l工程系统有限元增量的动态程序法。
很明显第二个目标方法比较好，因为它可以处理的实际冲压中的大多数参数。
FAST_FORM3D，一个单步有限元程序的成型技术，匹配第一个目标，因为它只需零件几何形状复杂的过程，而不是信息。
在以往的研究表明，这些两个冲压守则也适用于制造汽车和工程机械所使用的复杂形状部件。
对在冲压成形性预测问题的能力进行了评价。
本文回顾了这一研究结果，并总结了有限元模拟程序所取得结果的准确性、可靠性。
在另一项研究中，对控制压边力（BHF）在半球状圆顶平底杯拉深中的影响进行了研究。
高性能的标准汽车材料铝镇静—高质量钢（AKDQ），以及如高强度钢板、烘烤硬钢、铝6111等。
已经确认不同的压边力可以改善圆顶杯的应变分布。
关键词：
冲压；过程刺激；工艺设计
1.简介
对于形状复杂的板材（如汽车覆盖件金属冲压件的设计过程，包括决策的许多阶段）的设计过程是一个非常昂贵和耗时的过程。
在目前的工业上，许多工程决策是基于工作人员的经验和他们的知识，这些决策通常是经过软工装模具成型阶段和硬模选拔赛验证阶段后才做出的。
很多时候软、硬工具必须重新编制，甚至重新设计和提供的零件到达可接受的质量水平。
现在将最好的设计过程列在图1中。
在这个设计过程中，经验丰富的产品设计人员会使用一个称为一步有限元法的专门设计的软件来估计其设计成形性。
这将使产品的设计者在确定设计路线之前，以及昂贵的模具已经制造出来之前做必要的修改。
一步法有限元法特别适合用于产品分析，因为它不需要粘结剂、附录、甚至绝大多数工艺条件。
通常方法不可用在产品设计阶段。
一步法有限元法也很容易掌握，计算速度快，这使得设计人员能够发挥“如果”没有太多的时间投资。
图-1金属薄板冲压件的参考设计过程。
一旦产品已经设计和经过验证，开发项目将进入“零时间”阶段，并传递到模具设计阶段。
模具设计人员会确认他们自己的增量有限元程序的有关设计并进行必要的设计变更，甚至优化工艺参数，确保不只是最低的可接受的零件质量，而是最高达到的质量。
这增加了产品的质量，而且增加过程的成品率。
增量有限元法特别适合于模具设计分析，因为它确实需要粘合剂，附录，以及已知的模具设计或渴望被人知道的过程。
验证制造模具的设计后就会直接进入了艰苦的生产加工和被验证阶段，在此期间，将与物理原型零件对比着进行，试用时间应该减少由于先前的数值验证。
重新设计和成型，由于不可预见的问题，再制造模具应该是过去的事情。
试用时间减少和消除重新设计/再制造所用的时间应该超过弥补进行数值验证、试模、加工过程所用的时间。
对于薄板冲压件生产商而言，冲压工艺的优化也是非常重要的。
通过适度增加压力机设备的投资、并使用模具成型、一个人可以控制多个冲压过程。
据记载，压边力是板料成形过程中最敏感的工艺参数之一，因此可用于精确控制变形过程。
通过控制压边力在功能和压应力的位置等有效措施,提高粘结剂的外围的应变分布的小组提供了新增的强度和刚度,降低了面板和残余应力的回弹程度,提高产品品质和稳定性。
通过控制作为压应力和周围的粘结剂边缘位置的函数压边力，可以提高面板强度和刚度，减少面板回弹和残余应力应变分布，提高产品质量和过程的稳定性。
一种廉价的工业质量体系，目前正在制定在紧急救济协调员/NSM采用了液压和氮的结合，如图—2所示。
使用压边力控制也可以允许工程师设计更具有侵略性的板窗利用所提供的增加压边力控制成形性。
图2.压边力控制系统和模具正在开发的ERC/NSM实验室
1.对设计过程的三个独立阶段研究进行了研究
将会在下一节描述产品的设计阶段，其中一个步骤是有限元程序FAST_FORM3D（成型技术）的验证，作为实验室和工业的一部分，用来预测毛坯最佳形状的研究。
第4节总结了模具的设计阶段，其中一个实际的工业平板是用来验证的增量有限元程序的PAM–Stamp系统（国际工程系统）的研究。
第5节覆盖了在实验室研究压边力控制应变分布在深冲、半球形、圆顶平底杯的影响。
2产品仿真-应用
这项调查的目的是为了验证FAST_FORM3D系统，确定FAST_FORM3D对毛坯形状预测的能力，并确定一步有限元法在产品设计过程中是怎么实施的。
成型技术提供了他们的一步法有限元代码和培训中心的FAST_FORM3D/NSM为目的的基准和研究。
FAST_FORM3D并不等同于变形历史。
相反，它将项目上一个平面或可展曲面零件几何形状和重新定位的最后节点和元素，直至达到最低能量状态。
这个过程是计算速度比就像是PAM–Stemp的增量模拟，也使得假设增多。
FAST_FORM3D能评价和估计最优毛坯矩形件的结构，也是一个强有力的工具，产品设计师由于其速度和使用的安逸性，但是在这时期的几何是不可用的。
为了验证FAST_FORM3D，我们比较分析其与毛坯形状预测预报方法的毛坯形状。
该零件的几何形状如图3所示是一个长15英寸、宽5英寸、深12英寸有一个1英寸直角法兰盘英寸。
表1列出了工艺条件下使用，图4显示了使用Romanovski零件毛坯形状的实证法和滑移线场的方法来预测毛坯形状的原理。
图.3矩形几何用于FAST_FORM3D验证
表1为FAST_FORM3D矩形验证过程中使用参数
图4。
使用手工计算毛坯长方形盘的外形设计。
（一）Romanovski的经验方法；
（二）滑移线场分析方法。
图5（a）给出了预测从Romanovski法，滑移线场方法，几何形状和FAST_FORM3D空白。
空白形状同意在角落里地区，但不同的侧面区域很大。
图5
（二）-（c）显示抽签中模式后的矩形绘制过程。
平移由Pam-Stemp模拟预测空白的每个形状。
抽签中地区在弯道很好匹配所有三个长方形盘模式。
滑移线场方法，虽然没有达到目标区域在身边1英寸法兰，而Romanovski和FAST_FORM3D方法实现了1英寸法兰在身边地区相对较好。
此外，只有FAST_FORM3D毛坯同意在角落里/侧过渡区。
此外，FAST_FORM3D毛坯比Romanovski具有较好的应变分布和更低的峰值应变比，由图6中可以看到。
图5各种毛坯形状预测和帕姆印花仿真结果为长方形锅。
（一）三预测空白形状;
（二）变形滑移线领域的毛坯;（三）畸形Romanovski毛坯;（四）畸形FAST_FORM3D毛坯
图6比较应变泛用长方形的PAM–Stemp形状分布的各种毛坯。
（一）变形Romanovski毛坯;
（二）畸形FAST_FORM3D毛坯。
若要继续此验证研究，从小松制作工业部分被选中，并在图7（a）所示。
我们预计的一个最优几何FAST_FORM3D空白的实验装置，正如所见，毛坯很相似，但有一些差异，最终的零件毛坯形状,如图7（b）。
图7仪器FAST_FORM3D模拟结果包括最终验证。
（一）FAST_FORM3D成形性能的比较；
（二）预测与实验的毛坯形状比较。
接下来,我们模拟了冲压的毛坯和FAST_FORM3D使用Pam-Stamp实验毛坯。
我们通过比较两者的计算机辅助设计（CAD）预测的零件几何形状（图8），发现FAST_FORM3D是更精确的。
一个不错的特征是,FAST_FORM3D能显示“失败”的部分情节的轮廓曲线，对失败限制示于图7（A）。
总之,FAST_FORM3D在预测的实验室和工业部件的最佳形状成功的毛坯。
这表明，FAST_FORM3D可以成功地用于评估产品设计成形性的问题。
在仪器的覆盖情况下，审判和错误实验多小时可能被淘汰使用FAST_FORM3D和更好的毛坯形状可能已经开发出来。
图8。
比较FAST_FORM3D和实验仪器的零件形状。
（一）实验开发毛坯形状和CAD几何;
（二）优化毛坯形状和FAST_FORM3D的CAD几何。
3模具和工艺模拟-应用
为了在研究模具设计过程中紧密合作，一个由日本小松制作所和ERC/NSM组成的小组。
与形成问题的一个生产小组选择了小松。
该面板是挖掘机的驾驶室左侧内板，如图9所示。
是的几何简化为一个实验实验室死亡，同时保持该小组的主要特征。
在实验进行过程中小松使用表2所示的条件。
一个成形极限图（FLD）研制了用于绘图品质采用穹顶钢和视觉测试应变测量系统，并在图10所示。
在实验中使用三压边力分别是（10，30，50吨）以确定其效果。
每个模拟实验条件进行了增量在ERC/NSM使用PAM-Stemp。
图9挖掘机的驾驶室，左侧内板
表2机舱内的工艺条件调查
图10在机舱内调查所使用的绘图优质钢成形极限图。
在10吨的条件下发生起皱的实验部分，如图11所示。
在30吨条件下发生皱纹被淘汰，如图12所示。
对这些实验结果进行了PAM–Stemp模拟预测，如图13所示。
30吨压力的测量小组以确定材料画中的模式。
这些测量结果进行了比较与预测材料绘制在图14研究。
效果是非常良好，只有10毫米，最大的错误。
一个轻微的颈部，观察小组的30吨，如图13所示。
在50吨时，面板上会出现明显的骨折起皱。
图11皱褶实验室机舱内板，压边力=10吨
图12压边力=30吨机舱内的实验室和颈缩变形阶段。
（一）实验毛坯;
（二）实验小组，形成了60％;（三）实验小组，完全形成;（四）实验小组，缩颈细节。
图13预测和在实验室客舱内消除皱纹。
（a）预期的几何形状，压边力=10吨;
（二）预测的几何形状，压边力=30吨
图14在实验室内舱预测与实测比较所得出的结果，压边力=30吨。
应变测量系统测量了每个小组的结果，其结果如图15所示。
从每个小组有限元模拟的预测在图16所示。
这些预测和测量吻合有关的应变分布，不同的压边力对结果的影响不大。
虽然趋势是代表，压边力的影响往往在模拟的压力更多的本地化的方式相比，测量。
然而，这些预测表明，PAM–Stemp正确预测了颈缩和断裂在30和50吨时发生。
关于摩擦应变分布的影响进行了研究,如图17模拟图所示。
图15机舱内的实验室试验应变测量。
（一）测量应变，压边力=10吨（面板皱）
（二）测量应变，压边力=30吨（面板颈）;（三）测量应变，压边力=50吨（面板裂缝）。
图。
16。
机舱内的实验室应变有限元预测。
（a）预期的压力，压边力=10吨;
（二）预测的压力，压边力=30吨;（三）预测的压力，压边力=50吨。
图17实验室内预测效应摩擦机舱内，压边力=30吨。
（a）预期的压力，μ=0.06；
（二）预测应变，μ=0.10。
它们的比较结果摘要列于表3中，此表显示，模拟预测了在实验条件下每一株测量系统实验观测结果。
这表明，PAM-Stemp可以用来评估成形模具设计相关的问题。
表3客舱内的研究结果摘要
4.压边力控制-应用
这次调查的目的是确定各种高性能材料在半球状，圆顶平底，深拉杯深冲性能（见图18），并探讨不同时间的变压边力上进行了拉伸试验，以确定这些材料进行分析和模拟输入到流动应力和各向异性特征（见图19和表5）。
在被调查的材料包括AKDQ钢、高强度钢、烘烤硬钢、铝6111（见表4）。
图18巨形杯模具的几何形状
表4用于材料研究的圆顶杯
图19铝6111，AKDQ，强度高，烤硬钢的拉伸试验结果。
（一）拉伸试样裂隙；
（二）应力/应变曲线。
表5铝6111、AKDQ、烤硬钢的高强度拉伸试验数据
值得注意的是流动应力和AKDQ烤硬钢曲线非常类似，但是在5％的时候伸长率减少类似烤硬。
虽然高强度钢和铝6111的伸长率很相似，但是其N值比铝6111的值大两倍。
此外，AKDQ的R值远远大于1，而烤硬接近1，铝6111远小于1。
在这次调查中的压边力用型材时间变量中包含常数，线性减少，脉动（见图20）。
为AKDQ钢的实验条件进行了模拟使用的PAM-Stemp增量代码。
断裂、皱纹的例子，和良好的实验室杯图21所示以及对模拟图像皱杯。
图20.用于研究剖面圆顶杯的压边力时间。
（一）固定压边力;
（二）斜压边力;（三）脉动压边力。
图21。
模拟实验和圆顶杯。
（一）实验好杯；（b）实验裂隙杯；（三）实验皱杯；（四）模拟皱杯
对深冲性能进行了实验研究限制使用固定压边力。
这项研究的结果显示在表6此表显示，AKDQ的冲压性能最大，而铝的最小而烤硬、高强度钢的性能中等。
对AKDQ的连续应变分布、脉动压边力进行了比较实验图22，模拟图23。
这两个模拟和实验的结果发现，斜坡的压边力轨迹对于提高应变分布情况是最好的。
不仅减少了骨折的可能性降低峰值高达5％，而且还降低应变地区的增加。
这种应变分布的改善，提高产品的刚度和强度，减少回弹和残余应力，提高产品质量和工艺的鲁棒性。
表6。
恒定压边力限制的顶灯杯的冲压性能
图22。
时间变量对AKDQ钢圆顶杯压边力变化的实验
图23。
时间变量对AKDQ钢圆顶杯压边力变化的模拟实验
脉动压边力在调查的频率范围内，未发现有对应变分布的影响。
这可能是由于这一事实的脉动频率进行了测试只有1赫兹。
从其他研究人员以前的实验可知，适当的频率范围是从5到25赫兹。
AKDQ从模拟和实验载荷行程曲线比较图24所示。
良好的协议被发现的情况下μ=0.08。
这表明，有限元模拟可以用来评估成形性，可以通过使用压边力控制技术获得改善。
图24.KDQ穹顶钢杯的比较实验与模拟负载冲程曲线
5结论和未来工作
在本文中，我们评价一个复杂的冲压件的改进设计过程中，涉及消除了软模具相结合的产品和工艺验证使用单步和增量有限元模拟。
此外，改进工艺，提出了压边力控制实施以提高产品质量和工艺的鲁棒性组成
三个独立的调查分析，总结其在设计过程的各个阶段。
首先，产品设计阶段进行了调查与实验室和一个步骤有限元程序FAST_FORM3D和评估的能力，在产品设计成形性问题所涉及的工业验证。
FAST_FORM3D在预测中矩形工业仪表盘和盖形状最佳空白成功。
在仪器的覆盖情况下，审判和错误实验多小时可能被淘汰使用FAST_FORM3D和更好的毛坯形状可能已经开发出来。
其次，模具设计阶段进行了调查实验室和增量代码的PAM–Stemp系统的工业验证和评估的能力，形成与模具设计有关的问题。
这项调查表明，PAM的邮票可以预测应变分布，起皱，颈缩和断裂，至少一个远景以及应变各种条件下的实验测量系统。
最后，工艺设计阶段的调查，对质量可与压边力控制技术的实现实现改善的实验研究。
在此调查，半球状，圆顶平底高峰株，杯子的拉伸值都被减少了5％，从而减少了皱折的可能性，并降低了应变区强度。
这种应变分布的改善，提高产品的刚度和强度，减少回弹和残余应力，提高产品质量和工艺的稳定性。
可以预计，深冲性能将会在不断优化的压边力中逐渐增强。
此外，在实验测量和数值模拟预测中发现负载行程曲线，表明有限元模拟可以用来评估成形性，可控制压边力技术，使用得到改善。
1模具在工业生产中的地位
模具是大批量生产同形产品的工具，是工业生产的主要工艺装备。
采用模具生产零部件，具有生产效率高、质量好、成本低、节约能源和原材料等一系列优点，用模具生产制件所具备的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。
已成为当代工业生产的重要手段和工艺发展方向。
现代经济的基础工业。
现代工业品的发展和技术水平的提高，很大程度上取决于模具工业的发展水平，因此模具工业对国民经济和社会发展将起越来越大的作用。
1989年3月国务院颁布的《关于当前产业政策要点的决定》中，把模具列为机械工业技术改造序列的第一位、生产和基本建设序列的第二位（仅次于大型发电设备及相应的输变电设备），确立模具工业在国民经济中的重要地位。
1997年以来，又相继把模具及其加工技术和设备列入了《当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录》和《鼓励外商投资产业目录》。
经国务院批准，从1997年到2000年，对80多家国有专业模具厂实行增值税返还70%的优惠政策，以扶植模具工业的发展。
所有这些，都充分体现了国务院和国家有关部门对发展模具工业的重视和支持。
目前全世界模具年产值约为600亿美元，日、美等工业发达国家的模具工业产值已超过机床工业，从1997年开始，我国模具工业产值也超过了机床工业产值。
据统计，在家电、玩具等轻工行业，近90％的零件是综筷具生产的；在飞机、汽车、农机和无线电行业，这个比例也超过60％。
例如飞机制造业，某型战斗机模具使用量超过三万套，其中主机八千套、发动机二千套、辅机二万套。
从产值看，80年代以来，美、日等工业发达国家模具行业的产值已超过机床行业，并又有继续增长的趋势。
据国际生产技术协会预测，到2000年，产品尽件粗加工的75%、精加工的50％将由模具完成；金属、塑料、陶瓷、橡胶、建材等工业制品大部分将由模具完成，50％以上的金属板材、80％以上的塑料都特通过模具转化成制品。
2模具的历史发展
模具的出现可以追溯到几千年前的陶器和青铜器铸造，但其大规模使用却是随着现代工业的掘起而发展起来的。
19世纪，随着军火工业（枪炮的弹壳）、钟表工业、无线电工业的发展，冲模得到广泛使用。
二次大战后，随着世界经济的飞速发展，它又成了大量生产家用电器、汽车、电子仪器、照相机、钟表等零件的最佳方式。
从世界范围看，当时美国的冲压技术走在前列——许多模具先进技术，如简易模具、高效率模具、高寿命模具和冲压自动化技术，大多起源于美国；而瑞士的精冲、德国的冷挤压技术，苏联对塑性加工的研究也处于世界先进行列。
50年代，模具行业工作重点是根据订户的要求，制作能满足产品要求的模具。
模具设计多凭经验，参考已有图纸和感性认识，对所设计模具零件的机能缺乏真切了解。
从1955年到1965年，是压力加工的探索和开发时代——对模具主要零部件的机能和受力状态进行了数学分桥，并把这些知识不断应用于现场实际，使得冲压技术在各方面有飞跃的发展。
其结果是归纳出模具设计原则，并使得压力机械、冲压材料、加工方法、梅具结构、模具材料、模具制造方法、自动化装置等领域面貌一新，并向实用化的方向推进，从而使冲压加工从仪能生产优良产品的第一阶段。
进入70年代向高速化、启动化、精密化、安全化发展的第二阶段。
在这个过程中不断涌现各种高效率、商寿命、高精度助多功能自动校具。
其代表是多达别多个工位的级进模和十几个工位的多工位传递模。
在此基础上又发展出既有连续冲压工位又有多滑块成形工位的压力机—弯曲机。
在此期间，日本站到了世界最前列——其模具加工精度进入了微米级，模具寿命，合金工具钢制造的模具达到了几千万次，硬质合金钢制造的模具达到了几亿次p每分钟冲压次数，小型压力机通常为200至300次，最高为1200次至1500次。
在此期间，为了适应产品更新快、用期短（如汽车改型、玩具翻新等）的需要，各种经济型模具，如锌落合金模具、聚氨酯橡胶模具、钢皮冲模等也得到了很大发展。
从70年代中期至今可以说是计算机辅助设计、辅助制造技术不断发展的时代。
随着模具加工精度与复杂性不断提高，生产周期不断加快，模具业对设备和人员素质的要求也不断提高。
依靠普通加工设备，凭经验和手艺越来越不能满足模具生产的需要。
90年代以来，机械技术和电子技术紧密结合，发展了NC机床，如数控线切割机床、数控电火花机床、数控铣床、数控坐标磨床等。
而采用电子计算机自动编程、控制的CNC机床提高了数控机床的使用效率和范围。
近年来又发展出由一台计算机以分时的方式直接管理和控制一群数控机床的NNC系统。
随着计算机技术的发展，计算机也逐步进入模具生产的各个领域，包括设计、制造、管理等。
国际生产研究协会预测，到2000年，作为设计和制造之间联系手段的图纸将失去其主要作用。
模具自动设计的最根本点是必须确立模具零件标准及设计标准。
要摆脱过去以人的思考判断和实际经验为中心所组成的设计方法，就必须把过去的经验和思考方法，进行系列化、数值化、数式化，作为设计准则储存到计算机中。
因为模具构成元件也干差万别，要搞出一个能适应各种零件的设计软件几乎不可能。
但是有些产品的零件形状变化不大，模具结构有一定的规律，放可总结归纳，为自动设计提供软件。
如日本某公司的CDM系统用于级进模设计与制造，其中包括零件图形输入、毛坯展开、条料排样、确定模板尺寸和标准、绘制装配图和零件图、输出NC程序（为数控加工中心和线切割编程）等，所用时间由手工的20%、工时减少到35小时；从80年代初日本就将三维的CAD／CAM系统用于汽车覆盖件模具。
目前，在实体件的扫描输入，图线和数据输入，几何造形、显示、绘图、标注以及对数据的自动编程，产生效控机床控制系统的后置处理文件等方面已达到较高水平；计算机仿真（CAE）技术也取得了一定成果。
在高层次上，CAD／CAM／CAE集成的，即数据是统一的，可以互相直接传输信息．实现网络化。
目前．国外仅有少数厂家能够做到。
3我国模具工业现状及发展趋势
由于历史原因形成的封闭式、“大而全”的企业特征，我国大部分企业均设有模具车间，处于本厂的配套地位，自70年代末才有了模具工业化和生产专业化这个概念。
生产效率不高，经济效益较差。
模具行业的生产小而散乱，跨行业、投资密集，专业化、商品化和技术管理水平都比较低。
据不完全统计，全国现有模具专业生产厂、产品厂配套的模具车间（分厂）近17000家，约60万从业人员，年模具总产值达200亿元人民币。
但是，我国模具工业现有能力只能满足需求量的60％左右，还不能适应国民经济发展的需要。
目前，国内需要的大型、精密、复杂和长寿命的模具还主要依靠进口。
据海关统计，1997年进口模具价值6.3亿美元，这还不包括随设备一起进口的模具；1997年出口模具仅为7800万美元。
目前我国模具工业的技术水平和制造能力，是我国国民经济建设中的薄弱环节和制约经济持续发展的瓶颈。
3.1模具工业产品结构的现状
按照中国模具工业协会的划分，我国模具基本分为10大类，其中，冲压模和塑料成型模两大类占主要部分。
按产值计算，目前我国冲压模占50％左右，塑料成形模约占20％，拉丝模（工具）约占10％，而世界上发达工业国家和地区的塑料成形模比例一般占全部模具产值的40％以上。
我国冲压模大多为简单模、单工序模和符合模等，精冲模，精密多工位级进模还为数不多，模具平均寿命不足100万次，模具最高寿命达到1亿次以上，精度达到3～5um，有50个以上的级进工位，与国际上最高模具寿命6亿次，平均模具寿命5000万次相比，处于80年代中期国际先进水平。
我国的塑料成形模具设计，制作技术起步较晚，整体水平还较低。
目前单型腔，简单型腔的模具达70％以上，仍占主导地位。
一模多腔精密复杂的塑料注射模，多色塑料注射模已经能初步设计和制造。
模具平均寿命约为80万次左
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