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利用模擬技術經濟地設計成形加工模具

在許多企業中,成形加工模擬技術已經是生產加工模具研發和設計工作中不可或缺的可靠技術。在生產已經過優化的模具過程中,模擬技術也得到了成功的使用,并在企業的設計部門中占據了一席之地。
利用模擬技術能夠幫助使用者更深入地了解成形加工的生產過程,并從中獲得更多的技術知識,及時地找出成形加工模具設計中的弱點。這里涉及到一個連續性地學習和認識過程:利用可視化地測試模擬記錄學習、掌握模具專業知識。
可以通過各種(模擬)技術的不同成形形式來測定成形加工的過程,保證生產過程的可靠性。
利用模擬技術經濟地實現模具優化
除了能夠對設計的模具進行模擬之外,還可以在沒有真實模具和不產生試驗費用的前提下審核所設計的模具。模具設計中的錯誤和潛在問題都可以通過模擬技術及時地識別出來。根據模擬結果,還可以與用戶一起討論設計所需的修改,以便使設計的模具更加符合生產加工的需要,更加經濟合理。按照模擬得出的結果應在模具設計的整體方案中加以貫徹落實

符合模具專業技術要求的模具設計能夠發掘出很大的節約潛力。模具的費用由模塊的生產制造費用和模具磨損所影響的使用壽命來決定。每個模具的制造費用主要受模具技術要求的影響。模具的使用次數有雙倍的節約潛力:模具制造費用的直接節約、使用壽命的提高、減少模具更換時的停機損失等情況帶來的間接節約。由于鍛造模具對鍛件的質量和鍛造生產的可靠性有著重要的影響,因此常常有一些相互矛盾的要求。模具的使用壽命受到下列因素的影響:機械性磨損(表面磨損、表面擠壓碎裂、疲勞磨損、斷裂);熱磨損(塑性變性、退火);磨蝕性磨損;粘附性磨損;摩擦化學的反應;合適的加固設計帶來的負面影響。
2兩種材料多級沖壓過程的典型模具設計方案

鍛造模具會因為很高的載荷(壓力)帶來的塑性變形而做出反應。當外部載荷減小或者去掉外部載荷之后,模具會在彈性回復力的作用下恢復到其設計時的幾何形狀和尺寸,不會產生永久性的塑性變形。
當模具所承受的是交變載荷時,當外部施加的載荷過高時,會出現永久性的變形(塑性變形),從而失去設計的幾何尺寸和形狀。
這種情況是人們所不希望的,也是無論如何要避免的。在冷成形加工設備中,成形加工的壓力非常高,可達2400N/mm2,甚至更高。這時,不僅是應力的大小,應力的分布也對模具有著重要的影響。在整個成形加工過程中,隨時可以出現臨界的總負荷。這就要求在模具的整個工作過程中對模具的承載情況進行仔細地考察和分析。
模擬技術可用于磨損分析
在成形加工工藝過程優化的框架內,利用模擬技術不僅可以減少模具設計時的要求,而且可以通過模擬分析減少模具的磨損。
機械性磨損,例如模具表面的擠壓碎裂、疲勞和模具的斷裂等都可能是模具成形加工中機械負荷的結果。這些都可以通過靜止模具的內應力模擬試驗和摩擦應力模擬試驗排除。還可以對模具進行更加精確地模擬分析,例如對模具受到的應力,也就是模具的應力狀態進行計算。這就可以確定加固時產生的應力、應力集中和其他類似的影響因素了。在進行應力狀態分析時,模具材料在交變載荷時的(持久)疲勞極限是必須考慮的。有兩種方法可以計算模具的這種應力狀態:非耦合性模擬和耦合性模擬。
在采用加固設計的模具中,兩種方法都可用于模具環形零件過盈配合應力的檢測。預應力增加了應力集中處所受到的負載,甚至超過了模具的承受能力。因此應注意到:不要過分地加固,因為過分地加固實際上意味著模具的預先損壞。
3利用模擬優化過的模具生產出來的鈑形零件

非耦合性或耦合性的模擬
在非耦合性模具應力模擬計算中,首先是按照常規的靜態方法進行模具的變形模擬。第二步是將變形模擬得到的內受力數值傳遞到模具上,計算其內應力。非耦合性的模擬具有速度快、可靠性好等優點,在模擬時無需重新計算就能計算出除模具與零件的接觸面之外所受到的應力

對整個模具設計方案進行模擬分析
內應力和摩擦應力的承受情況可以按比例放大,從而能夠對設計的模具進行重要特性的分析。例如能夠在模擬時把承受的摩擦應力設定為零,從而能夠對最大的摩擦優化潛力做出估算。當然,參數也要考慮到模具的回程運動:例如對回程時作用在挺桿和模具壓頭作用在模具上的應力進行分析計算。這樣,就有可能對模具在整個成形加工過程中的設計方案進行分析和評估,對模具進行一次全面的審核。
在耦合性模擬模具應力計算中,對模具的變形和彈性變形進行了綜合性的分析評估;并考慮了模具機械和熱變形的相互作用。在耦合性模具模擬過程中,每一個成形加工過程和模具運動的變化都要全部重新進行計算分析。典型的耦合性模擬需要制作復雜的高精度模型,有著很大的計算工作量。當模具的彈性回復對模具成形加工過程產生重要影響時必須進行耦合性模擬分析和計算。通過新的對照比較計算方法,今天已經能夠經濟地實現3D耦合性模擬了。
使模具設計方案更加清晰,根據上述兩種模擬方法可以清楚地知道模具成形加工過程中交變載荷的作用情況。當模具中的應力數值達到臨界值時會產生裂紋,這是必須避免的。而硬度較高的鋼材這種臨界應力值一般都較低,更容易在承受壓力的范圍內產生裂紋。模具鋼則不同,一般都能承受很高的拉應力。模擬可以向我們提供何時出現臨界壓力、最高臨界壓力是多少以及最高臨界壓力出現在什么部位等信息。這樣就可以采取有針對性的措施,例如模具是部分加固還是整個加固,使模具的壓力分布更加合理,有目的的減少局部的壓應力等。
模具的熱磨損,也就是塑化和退火,是在模具成形加工過程中產生的熱量在模具中分布而產生的熱負荷所引起的。熱負荷在確定模具壓力的計算和評估時有著重要的作用和意義:因為模具的機械性能和強度都與模具的溫度有關。熱負荷計算在薄片沖頭(壓頭)的溫度負荷計算時是非常重要的,因為這種薄片沖頭(壓頭)的幾何尺寸和形狀決定了它們在大多數工作場合中都承受著很高的載荷。

溫度是模具熱磨損的一個標志
在模擬過程中可以得知工件向模具傳導熱量的情況。模具的溫度也會因這種熱傳導而改變自己的溫度。設計好模具的最高溫度可以避免這種熱磨損。
擠壓磨損模擬分析計算是建立在Archard磨損理論基礎之上的,并描述了垂直于模具表面減小磨損的條件。磨損量的大小與模具受到的內應力和相對滑動距離成正比。這里,與工件材料和潤滑狀況有關的摩擦系數是一個關鍵性的因素。工件材料越容易磨蝕,潤滑狀況越糟,摩擦系數就越大。模具的硬度可以通過另一個與溫度有關的參數來設置。當溫度過高時,模具的強度會下降。模擬可以清楚地告訴我們這種熱磨損的位置和分布。通過合理地改變和優化模具的幾何尺寸和形狀可以減少這種熱磨損,從而顯著提高模具的加工能力。

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