Automobilių štampavimo šablonų CAE ir FEA projektavimo vadovas: nuo modeliavimo iki tikslaus masinio gamybos proceso

Tikslumas automobilių štampavimo šablonų projektavimas jis išsivystė iš empirinės dirbtuvių praktikos į tikslų skaičiaviminį mokslą. Didelės apimties automobilių gamybos programose remtis rankiniu šablonų šlifavimu ir daugkartine fizinėmis bandymų operacijomis, kad būtų išspręsti atšokimo, raukšlėjimosi ar plyšimo reiškiniai, jau nebeveiksminga komerciškai. Šiuolaikinėse Tier-1 programose reikalaujama, kad formavimo rizikos būtų sistemingai pašalintos virtualioje aplinkoje dar prieš tai, kai būtų apdirbta įrankių plieno medžiaga.

Kompiuteriu pagrįstos inžinerijos (CAE) ir baigtinių elementų analizės (FEA) vaidmuo esminiu būdu pasikeitė: nuo papildomos patvirtinimo procedūros iki generuojančiojo štampavimo proceso plano pagrindo. Pažangūs lakštinio metalo formavimo simuliacija dabar nustato optimalią ištemptuvo įtaiso konfigūraciją, štampuojamojo lakšto laikymo jėgos trajektoriją ir atvirkštinę štampavimo paviršiaus kompensaciją, kurios reikia, kad T0 prototipo plokštės tiksliai atitiktų kritinius ±0,25 mm leistinus nuokrypius.

Pagrindiniai apibrėžimai: Štampavimo šablonų CAE projektavimo kalbos įvaldymas

Beveik be trukdžių bendravimas tarp pirmosios pakopos programų vadovų, įrankių dirbtuvių inžinierių ir CAE specialistų remiasi standartiniais inžineriniais apibrėžimais. Pažangiuose cAE štampavimo šablonų automobilių detalių projektavimuose , keturi pagrindiniai sąvokos sudaro analitinę pagrindą:

• Baigtinių elementų analizė (FEA) metalų formavime: Plokščiosios metalinės заготовės skaidymas į apvalkalo arba kietųjų elementų tinklelius, kad būtų išspręstos netiesinės plastinės deformacijos, sąlyčio mechanikos ir įtempimų bei deformacijų kitimo lygtys, veikiant spaustuvų kinematikai. Tai sukuria kiekybinius inžinerinius rezultatus: formavimo ribų diagramas (FLD), storio mažėjimo gradientų žemėlapius ir pagrindinių įtempimų vektorius.
• Ištraukos briaunos (fizinės prieš ekvivalenčiąsias): Geometrinės iškilumos ir jiems atitinkančios įdubos, įfrezuotos į laikiklio paviršių, kurios lenkia ir išlenkia metalą, kad būtų reguliuojamas medžiagos pritekėjimas į štampavimo ertmę. Ekvivalenčiosios ištraukos briaunos taiko matematinio pasipriešinimo koeficientus greitam išdėstymo atrankos etapui, tuo tarpu fizinės 3D ištraukos briaunos modeliuoja tikrąją įrankių geometriją galutiniam CNC frezavimui.
• Atsitiesimas: Elastinės deformacijos atsistatymo sukelta geometrinė iškraipymo reišmė po štampo nuėmimo. Pažengusiose aukštosios stiprybės plienų (AHSS) detalėse stiprus atšokimas sukelia šoninių sienelių susisukimą, kampų išsivėrimą ir sukimo išsivertimą, todėl reikalinga didelė tikslumas automobilių štampavimo atšokimo analizė ir CAD paviršių kompensacija.
• Papildomieji paviršiai: Perėjimo paviršiai, kurie yra suprojektuoti už detalės ribų – įskaitant įspaudimo įėjimo spindulius, laikiklio apvyniojimo paviršius ir pjovimo baigiamuosius paviršius – sukurti tam, kad būtų pasvertas įtraukimo gylis, išvengta vietinio plonėjimo ir užtikrinti švarius pjovimo orientyrus specializuotiems automobilių spausdinimo matrai .

Pagrindiniai CAE modeliavimo etapai automobilių štampavimo šablonų projektavime

Atliekant aukštos tikslumo štampavimo šablono CAE analizę laikomasi griežto uždarojo ciklo inžinerinio darbo proceso:

1. Geometrijos valymas, vidurinio paviršiaus išgavimas ir adaptacinis tinklinis tinklas

Gamybos CAD modeliai dažnai turi mikroskopinius paviršiaus plyšius, mažyčius skilvelius ir nesutampančias normalės kryptis, kurie sutrikdo sąlyčio algoritmus. CAE inžinieriai išvalo topologiją ir sukuria adaptacinius tinklus: naudoja rupesnius elementus dideliuose plokščiuose lakštų plotuose, kad padidintų skaičiavimų greitį, o automatiškai padidina elementų tankį aplink siaurus suapvalinimo spindulius ir traukos juostų profilius. Svarbu, kad suapvalinimo lankui būtų priskirta bent 4–6 elementai, kad būtų išvengta rimto lenkimo deformacijos ir atšokimo įvertinimo nepakankamumo.

2. Spaudimo kinematika ir dinaminės ribinės sąlygos

Tikslūs modeliavimai reikalauja fizinio spaudimo skyriaus realybės atkūrimo. Vietoj statinių šablono laikymo jėgų tonų taikymo modeliavimuose naudojamos dinaminės jėgos–eigos kreivės, kurios atitinka hidraulinius pagalbinius įrenginius arba azoto dujų spyruoklių kolektorius. Be to, Kulono trinties koeficientai kalibruojami remiantis konkrečios gamyklos tepimo režimais, PVD šablonų paviršiaus dengiamaisiais sluoksniais ir lakštų gamyklos paviršiaus nelygumų standartais, kaip tai dokumentuota techninėse formavimo tyrimuose iš Amerikos geležies ir plieno institutas (AISI) .

3. Aiškusis ir neaiškusis sprendėjai: sinergija

Šiuolaikinis štampavimo modeliavimas naudoja dviejų sprendėjų architektūrą. Dinaminiai aiškieji sprendėjai efektyviai apdoroja labai netiesines, didelės deformacijos traukimo ir kraštų suvyniojimo sekas be skaitmeninės konvergencijos sustojimų. Kai formavimo eiga baigta, visi įtempties–tempiamosios būsenos tenzoriai perduodami statiniam neaiškiajam sprendėjui, kad būtų tiksliausiai apskaičiuotos laisvosios pusiausvyros būsenos grįžtant į pradinę padėtį.

Gylis traukimo procesų simuliacija ir papildomos paviršiaus modeliavimas

Gylis traukimo etapas reiškia didžiausią riziką ir kapitalo investicijas visoje štampavimo proceso grandinėje. Kai traukimo paviršiai yra neteisingai apdirbti, įrankių taisymui reikia didelio kiekio suvirinimo arba visiško įdėklo keitimo. Šiuo metu taikant lakštinio metalo formavimo simuliacija gaunama aukščiausia inžinerinė grąža nuo investicijų.

CAE inžinieriai pirmiausia nustato vietines srauto skirtumus: medžiagos perteklius sukelia raukšles, o medžiagos stygius – vietinį plonėjimą arba plyšimą. Traukos briaunos pasipriešinimo profiliai pakartotinai derinami – naudojant nuolatinius briaunos elementus tiesiais kraštais ir segmentuotus briaunos elementus kampuose – kad būtų suderintas medžiagos įtraukimo greitis sudėtingose geometrijose, laikantis pagrindinės progresyvių šablonų juostos išdėstymo projektavimo principus .

Sukimasis atgal analizė ir kompensavimas aukštos stiprumo plieno kalimo metu

Pažangūs aukštos stiprumo plienai (AHSS, įskaitant DP600, DP780 ir CP980) perkėlia pagrindinę gamybos kliūtį nuo „ar tai galima suformuoti be plyšimo“ į „ar tai atitiks GD&T specifikacijas po sukimosi atgal“. Aukštesnės takumo stiprio reikšmės žymiai padidina tampriąją deformacijos energiją, todėl išspaustame gaminys labai pasikeičia matmenybiškai, kai spaustuvės apkrova nuimama.

Standartiniai izotropinio kietėjimo konstituciniai modeliai sistematiškai nepakankamai įvertina sukimosi atgal, nes jie ignoruoja Bauschinger efektą ciklinio lenkimo ir išlenkimo metu per traukos briaunas. Patikimi automobilių štampavimo atšokimo analizė įtraukia kinematinius ir mišrius kietėjimo medžiagų modelius, parametrizuotus empirinėmis ciklinio apkrovimo kreivėmis, pvz., pateiktomis SSAB Docol AHSS plieno duomenyse .

Iteracinė atvirkštinė paviršiaus kompensacija

Paviršiaus kompensacija naudoja atvirkštinio poslinkio vektorių metodiką. SKR programinė įranga apskaičiuoja atšokimo poslinkio lauką kiekviename štampuojamo gaminio mazge, tada CAD įrankių paviršių pastumia priešinga kryptimi. Kadangi šablonų paviršiaus keitimas keičia medžiagos kontaktą ir plastinės deformacijos pasiskirstymą, kompensacija vykdoma per 2–3 konverguojančius modeliavimo ciklus, kol atšokęs gaminys atitinka nominaliuosius CAD reikalavimus ±0,25 mm tikslumu.

Ypatingi simuliacijos reikalavimai važiuoklės ir pakabos komponentams

Skirtingai nuo estetinių išorinių kūno plokštumų, kur labiausiai svarbus yra A klasės paviršiaus apdaila, automobilių štampavimo detalių FEA analizė važiuoklės srityje labiausiai akcentuojama konstrukcinė vientisumas, nuovargio atsparumas ir storų lakštų mechanika visame specialūs automobilių štampuoti komponentai :

• Storųjų plokštumų kietasis bei storųjų apvalkalo modeliavimas: Karkaso komponentai (pvz., valdymo rankenos, postrukčių tvirtinimo elementai ir spyruoklių atramos) dažnai naudoja storą lakštą (2,5–4,5 mm). Plonos aplankos prielaidos nepavyksta, nes per storį veikiančios normalinės ir šlyties įtempimų dedamosios reikšmingai paveikia formavimo jėgas ir vidinio lenkimo plonėjimą.
• Formavimo likutinių įtempių perkėlimas į nuovargio CAE analizę: Didelės stiprybės likutiniai įtempimai, įtvirtinti išspaudytų tvirtinimo elementų išorėje esančiuose sluoksniuose, gali pagreitinti mikrotrūkių plitimą dėl kintamų kelių vibracijų. Šaoyi tiesiogiai perduoda formavimo likutinių įtempių ir plastinės deformacijos tenzorius į tolesnius nuovargio FEA sprendėjus, kad būtų užtikrintas atitinkamas nuovargio gyvavimo laikas.
• Suvirintų surinktinių išankstinio deformavimo kompensavimas: Karkaso išspaudimai paprastai sujungiami į sudėtingus požurkius. Robotizuoto MIG/MAG suvirinimo metu susidarančias šiluminės susitraukimo deformacijas galima tiksliai prognozuoti. Tiksliai numatydami atskirų išspaudimų atšokimą, inžinieriai gali iš anksto paslinkti sujungiamuosius kraštus, kad galutiniai suvirinti surinktiniai tiksliai tilptų į transporto priemonės montavimo įtaisus.

Pagrindinių CAE štampavimo modeliavimo platformų palyginimas

Nors programinės įrangos paketai suteikia pažangius sprendėjus, tikroji modeliavimo tikslumas priklauso nuo medžiagos kortelės tikslumo, presavimo skyriaus kalibravimo ir inžinerinės interpretacijos patirties.

Nuo virtualaus modeliavimo iki masinės gamybos: IATF 16949 kokybės ciklas

Pirmosios pakopos štampavimo šablonų tiekėjo žymenys yra ne spalvingų CAE kontūrų diagramų gamyba, o tikslus virtualių prognozių ir realių T0 detalių atitikimas. Akredituotoje IATF 16949:2016 sistemoje modeliavimas giliai integruojamas į visą kūrimo procesą:

• Empirinė koreliacija kaip turtas: Kiekvienas T0/T1 fizinis bandymas laikomas patvirtinimo etalonu. Didelės tankumo koordinačių matavimo mašinos (CMM) taškų debesys ir optiniai skenavimo tinklai tiesiogiai superponuojami ant CAE atšokimo prognozių. Nesklandumai naudojami tiksliai koreguoti vidinės trinties kalibravimo lenteles ir preso pagalvės reakcijos kreives.
• APQP, DFMEA ir kontrolės plano integracija: DFMEA nustatyti galimi verslo sutrikimai (pvz., kraštų įtrūkimai skylių išlenkimo metu) tiesiogiai susieja su FLD stebėjimo taškais modeliavime. Kontrolės planuose nurodytos raktinės charakteristikos (KPC) atitinka atšokimo kompensavimo konvergencijos zonas, kaip išsamiai aprašyta mūsų gairėse apie Apqp ir ppap procesą ir PPAP pavyzdinė dokumentacija .
• Įrankių dėvėjimosi ir šukų kontrolė: Pažangus modeliavimas nukreipia pasirinkimą į dėvėjimui atsparius smigiklių medžiagas (DC53, SKD11, volframkarbidas) ir PVD dangas, nustatant numatytus smigiklių aštrinimo ciklus, kad šukų aukštis būtų išlaikomas žemiau 0,08 mm – principai, išnagrinėti mūsų apžvalgoje apie metalų štampavimo šiukšlių šalinimo technikas .

Pirkimų ROI: Išankstinės CAE investicijos ekonomika

Iš pirmosios pakopos tiekimo perspektyvos įrankių pirkimo kaina sudaro tik nedidelę viso programos kaštų dalį. Tikrieji biudžeto išteklių naikintojai yra kartotiniai štampavimo įrankių modifikavimo ciklai, vėluojančio pradėto serijinės gamybos (SOP) paleidimo baudos ir nuolatiniai masinės gamybos broko rodikliai.

Be to, bendradarbiaujant su partneriu, kuris integruoja vidinę CAE modeliavimo sistemą, štampavimo įrankių gamybą ir automatizuotą presų štampavimą, pašalinamos tarp tiekėjų kaltinimų grandinės. Daugiau informacijos apie mūsų gamybos patirtį rasite „ Shaoyi įmonės profilį .

Pagrindiniai išvados automobilių inžinerijos ir tiekimo komandoms

• CAE – pirmoji gynybos linija: Problemos, susijusios su plonėjimu, raukšlėjimu ir įtrūkimais modeliavimo procese, išsprendžiamos per kelias inžinerijos valandas, tuo tarpu defektų šalinimas po šablonų apdirbimo užtrunka savaites ir reikalauja didelių papildomų sąnaudų šablonams atnaujinti.
• AHSS reikalauja pažangaus atšokimo kompensavimo: Aukštos stiprybės štampavimui reikia kineminio kietėjimo medžiagų modelių, daugiapakopio įtempimo žemėlapio ir pakartotinio atvirkštinio šablonų paviršiaus kompensavimo.
• Kėbulo detalėms reikia storų plokščių ir nuovargio žemėlapio: Saugos komponentai reikalauja storų korpustų arba kietų elementų tinklelio bei tiesioginio likutinio įtempimo perdavimo į tolesnius nuovargio CAE sprendėjus.
• Integruotos galimybės pašalina perdavimo riziką: Tie tiekėjai, kurie turi bepertraukiamas vidines modeliavimo, šablonų gamybos ir serijinio štampavimo galimybes, užtikrina greitą problemų sprendimą ir garantuoją matmeninę tikslumą.