板料冲压成形工艺参数的计算机优化

王涛+刘锋

摘 要：随着市场经济的不断发展与变化，飞机制造、汽车制造等高科技制造行业也开展了更多样化的发展道路，就为板料成形技术提出更高的要求。通过将CAE技术与CAD/CAM技术相结合，能够优化板料冲压成形的拉延筋、毛坯形状、毛坯位置、压边力等工艺参数。进而节省试模毛坯材料，并提高试模成功率。

关键词：板料；冲压成形；工艺参数；计算机优化

1 板料成形概述

板料成形技术广泛的应用于飞机制造、汽车制造等高科技制造行业。但是随着市场经济的不断发展与变化，对于产品的需求也从产量化转变为更多样化。这就为板料成形的工艺参数的选择提出了更高的要求，不仅开模和试模的时间被进一步的缩短，还需要提升对毛坯形状预测的速度与准确性。通过加大对板料成形技术的资金投入，并引进更先进的科学技术，以降低开发新产品的费用成本与时间成本。但在实践的过程中，仍然存在许多的问题，比如板料成形的技术仅限于CAD/CAM，而缺乏CAE。导致产品设计仍然停留在传统的模式内，工艺参数的优化效果不明显，开模与试模的时间不能减少等。所以，将CAE与CAD/CAM相结合的技术，才是解决当前问题的主要手段。

2 CAE技术的应用方案

2.1 建立计算机仿真模型

首先通过CAD软件生成曲面模型，再导入CAE中，并建立仿真模型。

2.2 建立有限元网格模型

对模型进行合理的划分，以此确定计算时间和计算精度，在划分的过程中，对于弯曲变形较大的曲面模型可尽量划分的尽量密集，而弯曲变形较小的曲面模型则可以稀疏的进行划分。

2.3 对边界条件进行定义

边界条件包括动模的运动曲线、模具的压边圈以及压边圈的曲线、材料的性能等参数，通过对相关参数的分析，以进行对边界条件的定义，进而启动运算器，为仿真模型的建立提供参数数据。

2.4 后置的处理

对运算分析的结果进行读取与分析，对不同的成形情况和目标参数的变化情况进行掌握。

3 有限元法介绍

板料成形的仿真模型参数数值的计算非常复杂，经过多年的发展，对板料成形的数值计算也取得了一定的发展，能够有效的对工件的回弹、应力和应变的分布、工件的残余应力、工件的变形等进行计算。根据不同的积分方式，可分为动力显式算法、动力隐式算法、静力隐式算法。

其中，动力隐式算法与动力显式算法在应力应变计算、材料本构模型的确定以及单元类型的选择上相同，二者的差异主要来自于回弹计算、接触的处理、时间步长的选取以及求解方程中。在运行时间上，整体模型系数矩阵带宽与动力隐式算法成正比。而动力显式算法则与有限元分析问题的规模的平方成正比。从这一点来看，动力显式算法更具优势。

而静力隐式算法显示积分方法则是通过对运动学方程的中心差的利用，以实现模拟三维板料成形，具体的算法为：

设时间为n，则：Man=Pn-Fn+Hn

当时间增加，由n变为n+1时，通过中间差分法对时间增量进行处理：

an=M-1（PN-FN+HN）

vn+1/2=vn+1/2+anΔtn

un+1=un+vn+1/2Δtn+1/2

则：Δtn+1/2=（Δtn+Δtn+1）/2

由此可知新的集合位置：xn+1=x0+un+1

其稳定条件为：Δt=Lcrit/c

其中：M：质量对角化矩阵；P：外力；F：内应力；H：抑制HourglassMode（沙漏型变形）而产生的力；v：节点速度向量；u：节点位移向量；c：应力波速；Lcrit：单元长度。

4 油底壳一次成形CAE工艺参数优化

4.1 有限元模型及初始条件

通过采用油底壳一次成形，进行CAE的仿真模型，能够对冲压成形的工艺参数（主要包括了：（1）拉延筋的设置；（2）压边力的大小；（3）毛坯的定位位置；（4）毛坯的形状尺寸；等。）进行优化。而有限元模型的初始条件有：1）毛坯形状为切去四个角的方形坯；2）压边力初始化为80kN；3）不设置拉延筋；4）毛坯材料的强度控制在320M Pa，料厚1.5mm，厚向异性指数0.95，硬化指数0.22。

4.2 拉延筋

油底壳的底部深浅差异性较大，导致了在拉深之后，导致深度变化较大的底部和侧壁出现更多的扭曲。有效的解决措施是，加一段拉延筋在深度较浅的外侧，以此使的网格变形均匀。进而对冲压成形进行工艺优化。

4.3 毛坯形状

在进行仿真模型的过程中，将方形坯的四角切去后，在外圈仍然堆积了大量的多余材料，增大了底部的破裂区与变薄区。通过将毛坯形状切成椭圆形，有效的改善了底部成形的情况，破裂区与变薄区的范围也能够大幅度的下降。

4.4 毛坯位置

在冲压成形以往的工艺参数里，毛坯的左下部与左侧的材料都能够在凹模中，而上部与右侧的材料则有更多剩余，造成毛坯材料的浪费。有效的优化措施就是，将毛坯的位置向下移动8mm，以及相左移动5mm。由此，在经过冲压后，材料的宽度能够更为均匀的成形。

4.5 压边力

通过以上步骤对冲压成形的工艺参数进行优化，能够有效地改善冲压成形的效果。但仍然还存在着边缘起皱、宽度较小等问题，有效地改善措施就是，增加压边力的强度，当压边力从80kN增加到100kN后，材料能够达到合适的宽度，并且不再产生起皱现象。

5 结语

企业通过将CAE技术与CAD/CAM技术相结合，并使用CAE软件对板料冲压成形工艺参数的优化，包括：拉延筋、毛坯形状、毛坯位置、压边力等，可以有效的改善以往板料冲压成形中存在的问题，进而节省试模的毛坯材料，并且提高试模的成功率。

参考文献：

[1]冯小龙.基于支持向量机回归算法的薄板冲压成形工艺参数优化[D].湖南大学，2013.

[2]阳湘安.板料回弹控制的工艺参数优化和模面补偿技术的研究[D].华南理工大学，2011.

[3]李文静.22MnB5高强钢板热冲压加工工艺数值优化及实验研究[D].天津职业技术师范大学，2014.endprint