一种汽车翼子板锐棱成形模具磨损仿真方法

技术领域

本发明涉及一种仿真方法，具体是一种汽车翼子板锐棱成形模具磨损仿真方法。

背景技术

随着我国新能源汽车产业的快速蓬勃发展，各种造车新势力异军突起，传统车企亦随之转战电动车市场，导致汽车行业的竞争益发激烈。为了立足于市场，不断提高产品质量，降低生产成本是当下汽车企业最重要的工作之一。对于乘用车而言，其生产成本主要由研发成本、设备工装成本、零部件采购成本、劳务成本等费用构成，而这其中又以设备工装成本和零部件采购成本占比最高。一台整车往往由上万个零部件构成，这些零部件中80％以上为金属薄板件，其生产加工方式以冲压成形为主，即需要使用冲压模具进行生产制造。通过企业统计数据可知，一款全新开发的车型，用于生产金属薄板件的冲压模具可多达数千套，设计、制造、安装、调试成本约为2～3亿元。

近年来汽车行业的电动化进程不断加快，越来越多的汽车企业采用架构化设计来逐步取代传统的平台化和模块化设计，基于同一架构所衍生的不同车型所共用的零部件，尤其是金属薄板件也随之不断增多。一般来说，用于生产金属薄板件的冲压模具能够保持稳定生产的服役极限为50～60万冲次。由于架构共用件需同时满足多个车型的生产工件，在车型生命周期内，冲压模具有可能要生产数百万冲次，远远超出其正常工况下的极限寿命。应对冲压模具的超寿命服役，以往的做法是在濒临使用寿命极限之前，对冲压模具进行复制，与之相伴的车型开发、制造成本的高企。因此，在增加架构共用建的同时，不断提高冲压模具服役极限和工况质量，延长冲压模具使用寿命，是降低汽车开发、制造成本的重要途经之一。

冲压模具的质量主要包括结构强度、加工精度和疲劳寿命三个方面，前两方面主要由模具结构设计方案、机床加工精度、机加工工艺、研配调试手法决定。而至于疲劳寿命方面，其决定因素众多，不仅受到模具材料选型、模具结构布局、模具负载方式、应力分布状态等因素影响，还与模具表面处理方法、润滑条件、定期维护保养频次、所生产的零件材料强度等因素息息相关。

在实际生产中，一旦冲压模具工作部位发生塑性变形、模具表面粗糙度和润滑条件恶化、冲压生产过程中过度磨损，则会直接降低冲压模具质量和使用寿命，甚至造成冲压模具报废失效。这其中又以磨损对冲压模具使用寿命的影响最大。而对于车身侧面线条采用锐利化设计语言的外覆盖件而言，其锐棱成形模具由于所受到的接触应力更大，故而磨损会更加严重。锐棱成形模具的局部磨损不仅会导致锐利化特征棱线无法再现，还会造成冲压件表面划伤，从而无法满足汽车生产质量要求。根据研发制造经验，锐棱成形模具的设计、加工、安装、调试往往需要投入大量时间和资金成本，随着有限元仿真技术的成熟，在模具设计制造之前对模具进行有限元仿真分析，预测板料的成形以及模具的磨损状态，对于降低锐棱成形模具制造成本，缩短模具设计和制造加工周期具有重要意义。目前，行业内对于锐棱成形模具的研究主要集中于钢板，而对于采用双锐棱造型设计的铝板汽车覆盖件，其锐棱成形模具的磨损研究相对较少。

汽车行业快速发展，竞争日益激烈，在追求高品质的前提下降低成本，是汽车企业不变的追求。在汽车的开发制造成本中，汽车模具费用可占到开发成本30％以上，而90％以上的汽车零部件都要靠模具成形产生。一款新的车型，需要开发模具多达几千套，设计和制造成本一般在2亿元左右。随着汽车平台化的发展方向，越来越多的企业纷纷思考如何增加平台件的比例，增加平台件模具的共用数量、延长模具使用寿命，以此来降低汽车的开发成本。

模具的品质主要包括模具的精度、结构强度和疲劳寿命三方面，前两方面主要由结构设计和机加工决定。使用寿命的决定因素众多，主要集中在模具的材料、结构、局部受力分布状态、表面处理、操作和维护保养等方面。

汽车冲压模具经常会因为模具塑性变形、摩擦磨损和疲劳破裂等因素造成模具失效报废，其中磨损尤为突出，而对于车身侧面线条采用锐利化设计语言的外覆盖件而言，其锐棱成形模具由于所受到的接触应力更大，故而磨损会更加严重。锐棱成形模具的局部磨损不仅会导致锐利化特征棱线无法再现，还会造成冲压件表面划伤，从而无法满足汽车生产质量要求。在实际的生产制造过程中，锐棱成形模具的设计和加工一般需要较高的时间成本和资金成本投入，随着有限元仿真技术的成熟，在模具设计制造之前对模具进行有限元仿真分析，预测板料的成形以及模具的磨损状态，对于降低锐棱成形模具制造成本，缩短模具设计和制造加工周期具有重要意义。

目前，行业内广泛采用有限元分析软件分析模具实体单元的磨损量，进而预测模具的使用寿命。但采用该方法的计算速度较慢、计算精度较差、计算成本较高，不利于多次调整成形参数，从而无法从工艺或者结构上对模具进行优化。此外，在有限元分析中常用的Archard理论磨损模型忽略了磨损过程对模具接触应力和模具相对滑移速度影响，导致预测精度不高。

现有锐棱成形模具磨损分析一般采用实验测试的方法，并将实验数据和仿真模型组合用于锐棱成形模具磨损的预测和研究。由于磨损过程中存在持续的结构变化，有限元模型需要实时更新迭代，并对模型网格进行重划分操作，以捕获结构分析中接触压力的变化，磨损仿真过程对于软件、硬件的要求极高，同时单次分析周期也十分冗长，无法适用于汽车行业冲压模具快发开发需求。因此，传统基于Archard磨损模型的锐棱成形模具磨损仿真方法亟需改进。

发明内容

针对背景技术描述的问题，本发明的目的在于提供一种能快速准确预测翼子板锐棱成型模具磨损情况的汽车翼子板锐棱成形模具磨损仿真方法。

为达到上述目的，本发明设计的汽车翼子板锐棱成形模具磨损仿真方法，包括以下步骤：

S1，构建翼子板锐棱成形有限元模型；

S2，对模具和板料进行网格划分；

S3，设置成形仿真条件，开始仿真；

S4，计算并记录磨损量；

S5，根据磨损结果和设定决定是否进行网格退化，更新退化后成形仿真条件；

S6，循环S2～S5，直至达到磨损设置条件结束仿真。

优选的，S1中，对冲压模具的三维模型进行简化，去除不必要的结构，仅保留冲压模具的凸模、凹模和压边圈的工作部分得到简化模型，基于简化模型构建翼子板锐棱成形有限元模型。

进一步优选的，对冲压模具的三维模型进行简化包括：对锐棱测试试制模具结构和压机上滑块进行简化，对于面接触区域需将碎面进行缝合以及光顺处理。

优选的，采用Archard磨损模型模拟和计算磨损量。

优选的，采用有限元方法对磨损过程进行模拟：将连续磨损区域离散为一组一定方式相互连接的有限元单元组合体，并对每个单元进行力学分析，最后再进行整体分析。

优选的，通过模具磨损深度评价磨损量。

进一步优选的，磨损深度的计算公式为：

k为磨损系数，磨损系数即产生磨损的概率，通过试验获得；p为接触面法向应力，v为接触面相对滑移速度，dt为滑移时间，H为被磨损材料硬度，即为模具硬度。

再进一步优选的，p和v的信息通过有限元方法对接触面进行离散化分析获得离散后的表达如下：

式中，i代表节点位置，j代表分析步数；h

本发明的有益效果是：借助AutoForm成型工具分析了工件成型流程，获得每个节点的位置和每个成形步内计算磨损所需要的接触压力和速度，利用Archard磨损计算公式，通过Python语言编写了模具磨损计算子程序，得到了模具在5万次、50万次、80万次冲压成型后的磨损量，将计算得到的最大磨损量与覆盖件模具磨损棱线清晰度失效评价指标进行对比分析，当累计磨损量达到失效评价指标时，即为模具寿命值，进而实现对模具寿命的预测。

利用本发明方法可快速准确预测翼子板锐棱成形模具磨损情况，基于磨损仿真结果对锐棱成形模具进行针对性表面强化处理，提高了翼子板锐棱成形模具的耐磨性，通过大批量生产验证，翼子板锐棱成形模具无过度磨损，可以满足连续生产需求，并节约锐棱成形模具棱线修复、表面硬度提升费用60余万元/车型。利用翼子板锐棱成形模具进行连续性批量生产，得到无明显开裂、起皱及大的面品缺陷的合格零件，两条锐棱成形质量良好，未发生滑移线缺陷。

在翼子板锐棱成形模具生产80万冲次后，对锐棱成形模具的凸模进行型面扫描，确认特征棱线以及型面的磨损情况。通过对扫描数据进行比对分析，发现翼子板锐棱成形模具棱线和型面磨损量均较小，说明基于磨损仿真结果对锐棱成形模具进行针对性的表面强化，可以提高锐棱成形模具的耐磨性。

附图说明

图1是本发明翼子板锐棱成形有限元模型；

图2是本发明锐棱翼子板成形仿真接触面压力云图；

图3是本发明锐棱翼子板成形仿真切向滑移速度云图；

图4是发明逻辑框图；

图5是本发明按照冲压次数迭代磨损计算流程图；

图6是本发明冲压5万次后模具磨损量；

图7是本发明冲压50万次后模具磨损量；

图8是本发明冲压80万次后模具磨损量。

图中：凸模1、凹模2、压边圈3、板料4。

具体实施方式

下面通过附图以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图8所示，本发明设计的汽车翼子板锐棱成形模具磨损仿真方法，包括以下步骤：

S1，构建翼子板锐棱成形有限元模型；

汽车覆盖件冲压成形的在有限元分析需要考虑多方面因素。具体表现如下：①板料4在冲压成形过程中所受载荷较大，通常在100～1000kN之间，从而导致材料产生较大的塑性变形，材料与模具表面之间的相对位移也会随之发生变化，因此传统的线性方程已经无法准确表征这种复杂的变化；②板料在冲压成形过程中，一旦材料发生塑性变形，就难以恢复到初始状态，这也就说明板料自身并不伴随时间的改变而发生变化；③冲压模具与板料之间的接触应力为非线性应力，对于这种非线性力的表征极其复杂。

由于采用的冲压成形分析软件为Autoform，而Autoform并不支持三维模型的建模与绘制。因此需要先使用CAD软件对翼子板锐棱成形模具的凸模、凹模、压边圈以及其他非标结构与标准件进行绘制、导入和最终装配。本发明所用到的CAD软件为CATIA，利用CATIA完成翼子板锐棱成形模具的3D结构图绘制后，将其转换为IGS格式文件，并导入至AutoFormR8有限元仿真平台，模型导入之后，冲压模具各部件之间的装配关系保持不变，即无需在AutoForm软件中对3D结构图模型进行调整。本实施例中的模型为对翼子板模具进行建模并保留其结构特征。

对模型进行简化，除去不必要结构，得到简化模型，仅保留冲压模具的凸模、凹模和压边圈的工作部分，即凸模1、凹模2、压边圈3均保留60mm的铸件壁厚，成形部件外围主支撑筋与内部一般加强筋保留120mm高度，其余结构全部去除，同时还需要去除材料定位器、导板、平衡块、氮气弹簧等标准件，模具各部件之间的导向以摩擦副的形式进行表现。对冲压模具的三维模型进行简化包括：对锐棱测试试制模具结构和压机上滑块进行简化，对于面接触区域需将碎面进行缝合以及光顺处理。

将简化后的锐棱翼子板拉延模具简化模型导入AutoForm软件中，将板料成形分为两个阶段，分别为闭合阶段和成形阶段，在闭合阶段和成形阶段中均设置凹模为主动模具。设置好凹模、凸模和压边圈的相对位置，在闭合阶段模具运动方向设置为-Z方向运动，凸模和压边圈固定不动，模具与板料之间的摩擦因数设置为0.13，工作温度设为默认的常温环境温度，板料为6014-T2铝合金，料厚0.9mm，锐棱成形模具的凸模、凹模、压边圈材料均为KSCD800I。完成设置的翼子板锐棱成形有限元模型如图1所示。

S2，对模具和板料进行网格划分；

对简化后的锐棱测试试制模具结构和压机上滑块进行有限元网格划分。

S3，设置成形仿真条件，开始仿真；

冲压工艺和模拟参数的设置：

将模拟仿真的模具模型导入AutoForm软件中，将板料成形分为两个阶段，分别为闭合阶段和成形阶段，在闭合阶段和成形阶段中均设置凹模为主动模具。设置好凹模、凸模和压边圈的相对位置，在闭合阶段模具运动方向设置为-Z方向运动，凸模和压边圈固定不动，凹模运动至与压边圈间隙为0.9mm停止，模具与板料之间的摩擦因数设置为0.13，工作温度设为默认的常温环境温度。

模具的冲压速度根据通常由成形工艺要求和压机能力决定，一般会在300～3000mm/s之间进行设定，结合模具自身特点，选择与其相匹配的冲压速度，可有效延长模具的服役极限。冲压速度过大，会导致模具在成形过程中所受载荷发生显著变化，影响板料成形质量，并加剧模具表明磨损；冲压速度过小，则会导致生产效率低下，增大单件冲压生产成本。综合考虑生产车间工艺条件和同类零件的成形仿真经验，将翼子板锐棱成形模具空载阶段的冲压速度设置为1500mm/s，负载阶段的冲压速度设置为500mm/s，凹模运动方向设置为-Z方向运动，压边圈的压边力设置为1200kN，运动方向为+Z方向，压边圈运动行程为125mm。

冲压成形模拟过程中所设定的步数，直接决定了数值模拟的效率和迭代计算行程，为了提升仿真效率，本发明选择了无需直接求解切线刚度，不需要进行平衡迭代以及计算速度快的动态显示计算方法。对于汽车覆盖件的冲压成形问题，通常采用控制模具行程的模拟方法，迭代步长以有限元模型中最小单元格尺寸的1/3作为参考。当控制方式为时间增量时，则需要以模具总行程为计算依据，计算得出总的时间增量。由于板料在变形阶段与模具工作型面之间的压力作用呈非线性关系，并在整个冲压成形过程中不断发生变化，导致板料与模具工作型面之间的接触关系较为复杂，无法以时间为单位对接触和摩擦的边界关系进行准确定义。从而间接增加了有限元分析的工作量，并在无形中提高了数值模拟的复杂程度。因此，对接触关系和边界条件进行合理定义，是保证冲压成形仿真精准度的前提条件和关键要素。

定义接触关系及边界条件：

板料和模具的接触关系具有一定的复杂性，主要表现在板料变形阶段和模具的压力作用是非线性关系，并且在冲压成形过程中不断发生变化，接触和摩擦的边界关系不能以时间为单位进行定义，从而增大了有限元仿真的计算工作和复杂程度，因此，合理定义接触关系和边界条件是保证板料冲压成形中能够得到可靠、精准分析结果的关键要素之一。

在汽车覆盖件的冲压成形过程中，板料与模具之间的接触形式、受力状态均较为复杂，在众多的接触形式之中，面面接触为最重要的接触形式，并同时附加存在点面接触和线面接触等其他复杂的接触形式。本文所研究的翼子板锐棱成形模具，根据冲压成形机理与模具运动接触关系，定义了板料上表面、板料下表面、凸模外表面、凹模外表面和压边圈外表面这五个接触面。接触关系设置为三组，即板料上表面与凹模外表面的接触、板料下表面与凸模外表面的接触、板料下表面和压边圈外表面的接触。根据三种接触关系的接触形式、接触条件对冲压成形仿真参数进行详细设定。其中板料与模具工作表面之间的摩擦系数设置为0.13。对于温度的设置，由于锐棱翼子板成形为冷冲压加工方式，在冲压成形过程中温度的变化对工艺参数的影响较小，为提高有限元分析效率，将环境温度设定为恒定模式，即无需考虑板料与模具之间的热量传输。因此，结合实际工程经验，将冲压成形时的工作温度设置为20℃。

各项参数设置完成后提交求解计算，得到锐棱翼子板的接触面压力云图和切向滑移速度云图，如图2和图3所示。

S4，计算并记录磨损量；

获得接触面的磨损深度，难点在于接触面上的应力获取，为此，引入有限元方法对磨损过程进行模拟。将研究对象的连续求解区域离散为一组一定方式相互连接的有限元单元组合体，并对每个单元进行力学分析，最后再进行整体分析。冲压磨损中接触面表面形态发生变化，磨损量不尽相同，需通过网格划分方法，对模具网格进行再处理，方可为求出接触点上应力值，用于计算磨损深度。

对于模具磨损研究考虑计算速度及精度问题，基于AutoForm成型计算，使用python语言进行二次开发，来计算接触面节点磨损量。

式中，dV为材料磨损体积；dP为法向载荷；dL为相对滑移长度；H为被磨损材料硬度，即为模具硬度。k为磨损系数，磨损系数即产生磨损的概率，通过试验获得，范围一般在10

根据上述公式可以得出三条磨损定律：摩擦行程越长，磨损量越大；接触面承受法向载荷越大，磨损量越大；所求被磨损材料表面硬度越大，磨损量越小。

实际对于覆盖件模具磨损更关注磨损深度的评价，上式中dV可以表达如下：

dV＝dh·dA

式中，dh为磨损深度，dA为接触面面积。则，

再将上式中dP和dL转化表达为：

dP＝p·dA,dL＝v·dt

式中，p为接触面法向应力，v为接触面相对滑移速度，dt为滑移时间。整理后：

式中，p和v的信息通过有限元方法对接触面进行离散化分析获得离散后的表达如下：

式中，i代表节点位置，j代表分析步数；h

在计算翼子板锐棱成形模具磨损时需要用到Autoform软件和python语言，从而实现板料冲压成形和模具磨损并行仿真，工艺条件设置、材料库建立、磨损要求设定和磨损结果读取。

S5，根据磨损结果和设定决定是否进行网格退化，更新退化后成形仿真条件；

由于覆盖件模具实际的冲压单次的磨损量非常小，不可能每次磨损计算完成之后都进行网格退化后再次进行冲压成形仿真和模具磨损仿真。模拟模具冲压过程中的微小磨损，为了减少计算时间和成本，对模具磨损网格退化操作进行了数量设定，每次进行一次网格退化操作，本实施例中，默认以5万次作为网格退化操作跨度数值。此时计算得到各节点上的磨损量数值h，考虑到计算时间成本，对普通的外覆盖件模具采用每隔5万次对网格模型进行退化处理(退化处理的设定数值可根据实际的零件成形状态和成形受力状态修改)。在迭代计算过程中，并认为每5万次之间磨损量h与次数成线性关系，故将单次磨损量h放大50000倍，作为5万次冲压后的磨损量h

S6，循环S2～S5，直至达到磨损设置条件结束仿真。

将冲压5万次的磨损量h

通过计算得到模具在冲压5万次、50万次以及80万次后的磨损云图，分别如图6、图7、图8所示。

本发明主要是：(1)模具网格和板料网格划分、成形仿真条件以及成形仿真计算在AutoForm中设置完成。(2)获得每个节点的位置和每个成形步内计算磨损所需要的接触压力和速度。(3)根据磨损结果和设定决定是否进行网格退化，同时完成再次成形仿真条件设置进行循环成形仿真计算和磨损计算，直至达到磨损设置条件结束，输出结果。

在CAD软件中对锐棱测试试制模具结构和压机上滑块进行简化，对于面接触区域需将碎面进行缝合以及光顺处理；

在CAD软件中对简化后的锐棱测试试制模具结构和压机上滑块进行有限元网格划分，并对固定以及导向区域设置约束；

将处理好的有限元模型输出为INP格式文件，并导入CAE软件中；

在CAE软件中根据锐棱测试试制模具实际生产工况设置相应的边界约束条件和载荷；在CAE软件中提交求解计算，得出锐棱测试试制模具所受应力和应变，并检查应力是否超出模具材料许用疲劳强度或抗拉强度。

本领域技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不以限制本发明，凡在本发明的精神和原则下所做的任何修改、组合、替换、改进等均包含在本发明的保护范围之内。