模具设计连接整个流程链

2019-05-25 42

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板材零件的模拟就如同成型模具的虚拟设计一样多种多样。那么这两个工作领域之间有怎样的联系呢？目前人们正致力于开发一种连续的虚拟CAE(计算机辅助制造)流程链，目的是将成型模具的虚拟结果自动应用于模具的设计。这项技术的创新性：在工作面开发和设计之间构造一个虚拟的CAE流程链。

两种观点：成型模具的生产要么更加真实，要么更加虚拟

流程链生产模具开发生产模具设计生产模具制造生产模具使用更加真实的流程无活动与零件相关的原型模具

铸造

铣削

热处理硬化

打磨抛光

运输

仓储

成型过程

更加虚拟的程链加工工艺的共同作用拉伸步骤和加工工具的CAD设计，模拟成型

浇铸模拟

铣削模拟

运动学模拟

与以前的情况相比，汽车制造业的多样性要求在保证相同质量水平的前提下要在尽可能短的时间内开发和生产出尽可能多的板材零件。这一点反应在不断增多的成型模具的数量上。成型模具的制造必须多种多样．并且具有与众不同的部分。新车型对于制造新的成型模具提出了特殊的挑战：开发时间不断缩短。其中的重点是缩短冲压模具的开发时间和制造时间，因为这一点对于整个车型项目来说至关重要。缩短开发和制造周期的两个重要杠杆分别是：同步并互相链接的协同工作、虚拟过程开发。在这个背景下．生产模具(FM)的优化设计和制造过程的优化显得越来越重要。模具制造过程的标准化使得人们能够更经济地进行小批量的模具生产。

原型模具：图示为用于生产宝马5系列轿车前盖的拉伸模具，这是第一套采用模拟复台流程设计和制造的模具。

在开发过程的开始阶段还能够进行简单的设计方案调整。虚拟造型能够极为有效地改善开发过程。这种比较经济的方法能够快速地在不同时间点的设计方案之间切换，从而大幅度缩短产品开发过程(PEP)。在项目开始阶段，随着方案的不断成熟，更改费用会明显增加；尤其是在硬件开发的开始阶段。如今借助于模拟成型技术能够在浇铸批准之前很久就确保车身覆盖件的可制造性，并能更好的与开发工作协同一致地预测零件质量。这个时候就可以考虑诸如板材质量和板材厚度之类的材料参数。但是尚未考虑模具的影响因素(比如刚度)或者机器的彩响因素(比如冲压机的挠度)。原因在于还没有一个商业的解决方案能够将模拟成型和模具测算联系在一起。模具自身存在的应力和变形等现象使得对于它的分析只能在其充分简化的情况下(借助于有限元模拟)才有意义。

网格的统一：零件的模拟成型(红色)和模具的载荷校核(黑色)

借助于更真实和更虚拟的组件，成型模具的产生可以描述整个流程链。开发阶段，仅仅是在整个流程链最开始的一端非常虚拟的进行。紧接着的是在方法构造框架内的拉动阶段的出现。基于这些虚拟流程步骤就可以开始进行模拟，从而可以解释待加工零件的成型方式。接下来要对比实际情况进行与零件无关的调整，并在这个过程中制造模具的原始样件。在利用方法构造而获得的知识和CAD数据的基础上进行生产模具的最终设计。

零件开发过程与其他不同，完成的CAD设计不再与机械特性有关的虚拟工艺联系起来。制造生产模具时可以无需虚拟工艺而直接绕过硬件采购。这种操作方法以大量的经验为前提。将根据虚拟工艺的实际情况在批量生产冲压机和备用冲压机上进行运动学模拟。在极端情况下(比如为了获得最小的缩孔)需要进行浇铸模拟。到目前为止还没有一个普遍的模拟过程来描述模拟成型的结果与模具强度校核之间的关系。因此，现在还不能模拟地描述真实载荷下成型模具的应用实例。系统地进行模具设计需要对生产模具的制造过程和应用过程进行虚拟描述。除了在使用阶段出现的载荷之外还要考虑材料的技术特性。在设计阶段就已经考虑到了冷却和凝固过程中出现的内应力，这一点经常可以大幅度降低模具成分上允许的载荷。

对衬边分段进行模拟加工

成型结果影响生产过程

为了更好地设计成型模具，在实际的载荷实例中由于不同的待加工零件的几何尺寸以及材料质量会出现较高受力，并要求设计新的操作方式。借助虚拟的成型加工过程流程链可以减少新式板材的应用，并简化与之相联系的新的加工工艺的开发工作。零件的模拟成型技术是零件生产阶段和模具设计过程中比较固定的组成部分。模拟的成型过程会通过压边模具支架受力的变形体(在模拟中逐段描述代用模型) 而受到影响。这个力作用在材料不同的流动上。在真实的过程中还要借助于模具中的拉伸薄壁考虑由几何尺寸决定的力和控制的成型结果。己经可以在虚拟模拟中发现壁厚变薄、形成折弯和拉伸等缺陷。因此可以借助模拟实现在生产阶段就对成型结果施加影响。到目前为止已经开始对板材零件进行优化，因为可以虚拟模拟中观察对待加工零件产生的影响。此外，诸如模具自身的状态、冲压机自身的状态或者批量冲压机和模具之间的总体表现等次要影响因素也会对拉伸结果产生影响。在模拟成型中需要部分或者非常审慎地将这些因素作为参数进行考虑。只有在使用专门的应用系统研究模拟成型和生产模具设计之间的关系之后才能得到封闭的流程链，从而在载荷角度对生产模具的制造过程进行优化。现在一种全新开发的转移成型力的方法能够将模拟成塑和生产模具设计联系起来。首先要在CAD数据的基础上建立起生产模具的CAD模型。接下来人们将为含有两维表面元素的网格化有限元分析准备生产模具的CAD表面数据。在两维表面网格的基础上利用三维连续元素(四面体)构造三维网格。模拟成型的网格拓扑结构和生产工具的体积网格是不同的。因此模拟成型是由面—体元素构成的；模具的网格结构与此相反，是由三维四面体元素构成的。主要的问题在于：通过对零件进行模拟成型而获得的接触压力将转移到模具的工作表面上。而接触压力是由拉伸零件内应力状态决定的。在接下来的步骤中人们将接触压力转换为模具网格的边界条件。商业软件仅能为整个流程提供解决方案，也就是说，对于生产模具的手工建模而言就意味着额外的费用。工艺步骤的实现需要开发专门的应用软件系统．有了这种软件就可以利用已经开发结束的流程，而不会产生额外费用。采用全新的组合流程能够带来如下的好处：

目前仅有一种方法用于成型模具的载荷校核设计．并且这种方法只适合于开发标准的模具元件
可以预先解决在模具设计阶段出现的问题
可以针对破损情况进行分析
为将来的优化工作奠定基础
为零件的加工工艺和模其制造之间建立流程链

可预见的：图示为在特定载荷情况下对某宝马车型前盖模具下部进行模拟之后所做的Z向延伸

先进的有限元分析的流程链可以实现在真实载菏情况下使用较少的费用对现有生产模具的尺寸设计进行校核。数字的方法能够比传统的分析法更清楚和精确地对流程进行建模和模拟。

宝马车的后盖实例证明可行性

这种流程的原型第一次应用于宝马汽车5系列轿车(E60)上。较短的模具准备时间和校核时间表明了这种流程非常适用于工业应用。因为零件的模拟成型可以证明：板材和模具工作表面之间的接触压力可以转移到模具的有限元模型上，同时可以设计出恰当的冲压机，另外可以还将拉仲过程模拟地描述为实践典型的，由载荷决定的实例。因此，也能够预测模具在特定压力载荷下的弹性表现。伴随着流程模型的发展为如何描述模具在成型过程中特定的载荷比例设定了前提条件。这个发现再加上针对拓扑结构的优化工具就能够改良生产工具，这些成果证实了一个趋势，就是能够在虚拟世界里实现现有的工艺流程步骤。如果这一趋势得以成功运用就能够得到基于计算机的系统最优化技术。

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