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张晓静:计算机在冲压领域的应用

2006-12-18   中国金属加工在线

瑞士AutoForm Engineering GmbH
公司有限元核心研发组核心研发成员工学博士  张晓静

    板料冲压成形,是一个同时包括几何非线性、材料非线性、边界非线性等问题的非常复杂的力学过程。由于其高度非线性,传统的基于塑性理论的解析方法很难对整个冲压变形过程给出准确的解答。因而,尽管冲压成形技术已有久远的历史,但在其发展的绝大部分阶段,一直停留于“经验”和“反复试错”的水平,不但手工工作量大,产品开发周期长,制造成本高,而且质量稳定性差。
    随着计算机图形技术的发展以及有限元方法的成熟,近年来在板料冲压成形领域兴起了计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)和计算机辅助制造(CAM)技术。该技术的出现,对传统冲压技术的变革产生了重要的影响。尤其是板料成形数值模拟技术的出现,使板料冲压成形技术彻底摆脱了“经验”和“定性”的水平,进入了“科学”和“定量”的发展阶段。采用这一技术进行板材冲压成形工艺过程的模拟,可以预知冲压成形过程中金属的流动、应力应变及厚度场的分布、模具受力及皱曲、破裂、冲击线等可能的缺陷及失效形式。这为优化工艺参数和模具结构提供了极为有效的工具,在减少甚至取消试模过程,缩短产品开发周期,降低产品开发成本方面发挥着越来越重要的作用,已逐渐成为指导模具设计和优化的重要手段。
    计算机技术在冲压领域应用的研究始于20世纪六七十年代,但直到20世纪80年代末才逐渐发展成熟并开始在工业领域应用。由于CAD/CAE/CAM技术能够预测冲压成形过程,指导冲压工艺设计,并能帮助设计人员摆脱繁重的手工绘图工作,将精力集中到产品开发及模具设计本身。因此,该技术的出现立即引起学术界和工业界的广泛重视,并得到迅速推广。早期CAD、CAE和CAM技术只是作为独立的技术环节在工业领域推广应用。随着这些技术发展和应用的深入,CAD、CAE、CAM技术呈现出相互交叉、融合的发展趋势,并进一步与产品数据管理系统(PDM)相结合,形成一个完整的计算机集成制造平台。计算机集成制造技术的出现,使并行处理产品设计、模具设计及相关的过程成为可能;并使产品开发人员从一开始就能考虑到产品从概念设计、零件设计到模具设计、制造、调试以及冲压生产的整个生命周期的所有因素,包括质量、成本、作业调度及用户需求等。因而,从根本上改变了过去的手工绘图、发图、凭图样组织整个生产过程的技术管理方式,将其变为在计算机上交互设计、用数据文件发送产品定义、在统一的数字化产品模型下进行产品的设计、工艺规划、分析计算、模具设计、数控加工和质量控制等。计算机集成制造系统的形成,标志着一种新的设计和生产技术管理体制的建立。基于这种新的设计及管理体制,可以方便地进行产品开发过程的信息化管理、计算机辅助产品设计及工艺性分析、产品的材料消耗及成本评估  、计算机辅助模具结构及工艺设计、模具工艺方案评估及虚拟试模、冲压产品质量稳定性评估及优化和计算机辅助模具制造。
    下图所示为计算机集成制造技术在整个冲压产品开发周期中的应用情况。由该图可以看出,从产品概念设计、生产规划到模具设计、制造、调试及产品的批量生产,计算机技术已经渗透到冲压产品开发生产的各个环节。计算机集成制造技术在冲压领域的广泛应用,从根本上改变了传统的模具及冲压工艺的开发管理方式,极大程度地提高了产品设计、工艺、制造全过程的全面质量,降低了产品的开发成本,减少了产品设计的反复,缩短了产品研制开发周期,可以称得上是冲压设计领域的一场革命。据统计,由于计算集成制造系统的实施,使FORD汽车公司新车型开发周期由原来的36个月缩短至12〜15个月;车型开发的后期设计修改减少了50%;样车制造和测试成本减少了50%,显著地提高了新车的市场竞争能力。


    21世纪的竞争核心将是新产品的竞争。如何实现高质量、低成本、短周期的新产品开发,正是赢得这场竞争的关键。在这场竞争中,计算机集成制造技术的广泛应用将对提高冲压产品设计水平、制造和效率起着举足轻重的作用,也是提高我国汽车等冲压工业领域竞争力的必由之路。

关键词:计算机,冲压, | 作者 :

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