虚拟制造技术在多弯曲型材冲压成型制造中的应用
摘要: 传统冲压生产技术投资大、周期长、制造成本、装备复杂程度难以估计,随着非线性理论、有限元方法和计算机软硬件的迅速发展,为满足市场的需求,虚拟制造技术被广泛应用于现代制造模式中,比如:冲压成型过程的CAE分析,虚拟装配在冲压成型中的应用等。虚拟制造已实现了从产品的设计、加工制造、装配到检验全过程的动态模拟,使企业能够以较低的生产成本获得较高的设计质量,缩短产品的发布周期,提高了企业生产效率。
关键词: 虚拟制造技术;多弯曲型材;冲压成型制造;应用
中图分类号:TP3文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0810019-01
几十年来,冲压生产一直是大批量生产,通常需反复测量调整、修配、试模才得以保证稳定的生产条件。这种“老式的”冲压技术只能有条件地、部分地满足现代以产品为主导和灵活的冲压生产要求。而且这种传统方式投资大、周期长、制造成本、装备难易程度难以估计,为了使冲压生产技术能适应未来发展的需要,冲压生产技术和设备自身也必须加以改变。面临这些挑战,将信息技术更深入更全面的渗透到传统制造业领域,对之进行改造,发展新一代制造技术,提高企业的柔性和快速响应市场的能力,就成为现代制造业发展的必由之路。基于这些因素,概念设计、并行工程、智能制造、敏捷制造等多种先进制造技术的新思想、新概念相继诞生,虚拟制造(Virtual Manufacture)就是其中之一。虚拟制造代表了一种全新的制造体系和模式,在虚拟制造中,产品开发是基于数字化的虚拟产品开发VPD方式(Virtual Product Development),以用户的需求为第一驱动,并将用户需求转化为最终产品的各种功能特征。VPD保证了产品开发的效率和质量,提高了企业的快速响应和市场开拓能力。
1 冲压成型过程的CAE分析
目前,随着非线性理论、有限元方法和计算机软硬件的迅速发展,薄板冲压成型过程的CAE分析技术日渐成熟,并在冲压模具与工艺设计中发挥了重要的作用。目前的金属板料成形CAE系统已能提供以下分析和模拟结果:材料的流动、厚度的变化、破坏、起皱、回弹,以及残余应力和应变,用以预测产品设计和加工工艺的合理性。其应用可以贯穿产品和模具开发的全过程,比如:可以在产品设计阶段对设计师提出产品冲压可行性分析;可以在模具设计阶段对设计师的设计方案进行模拟和验证;还可以在修模过程中提供直观形象的指导。
冲压成型过程的CAE分析实质上是在计算机上模拟板料变形的全过程,从而判断冲压工艺方案的合理性。由于每次模拟就相当于一次试模过程。因此在冲压成型过程中应用CAE模拟技术,可以显著地减少试模次数,缩短新产品开发周期,并降低开发成本。比如:PAM-STAMP2G在模具设计中的应用就是一个例子,PAM-STAMP2G是法国ESI公司开发的板金成形过程的有限元计算机模拟求解方案。它整合了从模具设计的可行性、快速模面生成与修改到冲压过程的模拟等环节。它包含三个主要功能模块:1)DIEMAKER:用于快速生成压料面及工艺补充面;2)QUIKSTAMP:用于快速评估成型模具;3)AUTOSTAMP:用于精确评估成型模具。
又如在汽车覆盖件的拉延模设计中,合理设计工艺压料面和工艺补充及压延筋可以在很大程度上避免起皱、拉裂以及拉伸不足等制造缺陷。利用PAM-STAMP可以建立多个方案进行计算,优选出或优化得到较为满意的模面和压延筋,作为模具设计的参考和依据。而使用AUTOSTAMP中的展平(Flattening)功能得到的板材优化曲线,可以用来作为压料面的外边界参考。
成型CAE在模具设计中的应用,实际上是对模具设计方案进行评估优化的过程。合理应用CAE技术在板料设计中的应用,可以避免和减少传统模具设计方法产生的浪费、失误甚至报废,有效地提高模具开发的效率,降低开发成本。
2 虚拟制造和装配在冲压成型中的应用
虚拟制造和装配是基于计算机生成的虚拟环境,对实体模型进行模拟制造装配的过程,并对装配过程和装配结果进行分析和验证。以多弯曲型材的制造为例,多弯曲型材由于其截面形状复杂、尺寸精确等特点,正越来越多地用于机械、建筑、装饰等行业。但长期以来,多弯曲型材的制造通常都是以多个简单冲模多次反复冲压折弯逐步制造成形的,弯曲件的弯曲形状越复杂,工序越多,工件逐步成形的过程也越多,调试和试模过程也随之越长,将虚拟制造技术引入之后,将要制造的多弯曲型材的变形工艺过程正确建模后,可以通过计算机生成的虚拟环境对其要求的中间的过程进行模拟,根据中间结果可以调整模具的参数,这样可大大节省试模时间和次数。
在冲压件的装配中,虚拟装配技术能起到独特的作用,以汽车车身冲压件组成部件为例,它的组成不仅体积大、数目繁多,并且相互之间的运动联系也非常复杂,这导致各冲压件的装配序列和彼此之间的装配尺寸难以确定。如果按照传统的人工试凑装配方法进行装配,不但费时费力,有时甚至由于部件相互之间存在干涉导致无法完成组装成功。针对上述问题,可应用虚拟装配技术来解决车身冲压件组装的难题。在建立有关冲压件三维模型类库的基础上,构建虚拟环境以完成各零部件的装配过程,并运用仿真手段对装配结果进行验证。因此,操作人员通过与装配过程进行实时信息反馈和交互,可以直观地看到自己的组装结果,并且在此基础上进行各部件间的干涉检验及布局调整,从而真正利用虚拟现实的手段实现装配路线的合理规划。
冲压线实体建模的核心问题是解决如何在虚拟环境中表达和存储冲压各零部件的数据信息,使之能够全面支持装配工艺规划、装配分析与评价以及为装配仿真提供所需的信息数据。因此,装配模型是进行虚拟装配的信息基础和前提条件。
建模工作产生的所有的计算机模型格式主要采用CATIAV5文件,也可利用其他CAD系统(如Pro/E、AutoCAD、UG)等来建立,利用中性文件格式进行转换。冲压件模型库是构成虚拟环境的主要内容,是冲压件实物数字化的过程。为了让虚拟环境系统更贴近真实,必须对数字模型作光线、色彩、纹理声音等方面的处理,使得虚拟装配仿真达到视觉上的逼真。对汽车车身冲压线这类复杂多造型实体的渲染过程,可以通过为造型构造LOD的方法来减少实时绘制的开销,从而加快浏览速度。LOD是细节层次模型(LevelofDetail)的英文简称,其主要思想是对于同一实体,根据其在虚拟场景的距离、视觉特性等规则,构造一组可显示不同多面体数量的三维模型。在模型驱动时根据所制定的规则,选择相应的显示层次,从而达到实时简化模型,而又不影响视觉效果的目的。
应用虚拟装配技术,通过对虚拟冲压件装配后的运行过程进行仿真验证,替代了原有的实物模型预装配。组装人员通过虚拟装配的手段实现冲压件装配路线的合理规划,可有效改善冲压件的装配工艺,对于缩短组装周期、提高组装质量、降低组装成本有重要的理论与现实意义。