一种基于CAE仿真技术的模具淬火冷却多次循环分析方法

摘要

本发明公开了一种基于CAE仿真技术的模具淬火冷却多次循环分析方法，包括以下步骤：利用三维建模软件设计出模具的三维工具体模型；将三维工具体模型导入模拟分析软件中划分网格；进行材料参数设置；进行产品冲压模拟前检查，判断设置的材料参数是否合理；提交软件运算，进行冲压仿真模拟冷却循环分析；步骤六：分析结束后根据产品型面的三坐标扫描检测数据判断是否符合产品图纸公差要求；步骤七：将模拟模具水道的三维工具体模型输出，用于开发模具。本发明涉及的一种基于CAE仿真技术的模具淬火冷却多次循环分析方法，能够极大程度上缩减项目整体开发周期，降低设计成本，提升后期试模的达成率，缩短客户交期。

说明书

技术领域

本发明属于热冲压技术领域，特别涉及一种基于CAE仿真技术的模具淬火冷却多次循环分析方法。

背景技术

车身轻量化是实现汽车节能减排的有效途径之一，超高强钢热成形件在提高车身安全性的同时，能够大幅降低车身重量。

将钢板加热至930℃以上，材料均匀奥氏体化后，保温100秒～200秒，保证奥氏体晶粒的均匀细化。使用机械手臂将加热后的钢板从加热炉中快速转移至模具型腔内进行冲压淬火，模具闭合后保压压力逐渐增大，使上下模具能较好的贴合钢板进行淬火，此过程伴随着钢材温度快速降低，材料屈服强度升高，弹性模量变大。在300～400℃时，组织开始由奥氏体向马氏体转变，零件应力、应变场逐步改变。最终开模时，零件会产生一定回弹，淬火后奥氏体完全转变为完全马氏体组织，抗拉强度1500Mpa，伸长率5％～8％，能大幅提高车身抗碰撞性能，避免外部碰撞对于乘客舱的过度侵入，保护乘客安全。在模具内非等温成形时，由于冷却速度不一致导致热效应，热成形后材料收缩的不一致性是引起回弹的主要因素。所以热成型模具技术的核心问题在于对模具保压淬火过程中的产品冷却速率和镶块温度的控制，在冲压过程中钢板加热至930℃后放入模具，热量大部分由模具型腔内的镶块传递至冷却系统中，少部分热量在钢板转移过程中扩散到空气中，还有一部分残留在产品内部，制件后产品温度分布不均匀，内部热应力堆积，且出模后产品冷却速率不一致，使产品可能出现性能缺陷且不能很好的发现并控制。

在热成型连续生产过程中，存在以下问题：热冲压淬火循环生产过程中，因为热量的堆积，模具镶块温度开始快速升高，产生模具热点，镶块温度长时间处在高温下且不能快速均匀冷却，镶块温度过高使产品淬火工艺失效，导致产品力学性能无法达到1500Mpa强度。冷却速度过小，奥氏体会转变为珠光体或贝氏体而得不到马氏体组织，使产品的组织性能、均匀性被破坏，强度大幅降低。冷却速度是热成形过程控制的关键，当冷却速度超过临界冷却速度时，回弹急剧增大。冷却速度过大会导致成形件回弹甚至开裂。冷却速度越大，板材表里温差越大，回弹角越大。

综上所述，急需一种基于CAE仿真技术的模具淬火多次冷却循环的分析流程以解决现有技术中存在的不足问题。

发明内容

鉴于以上热成型工艺现有技术的不足之处，本发明要解决的技术问题在于一种基于CAE仿真技术的模具淬火冷却多次循环的分析流程，能够有效地分析热成型冲压淬火循环过程中产品温度及模具温度的快速变化，从而更好的优化前期模具设计质量和把控后期生产的稳定性。

为达到以上效果，本发明的技术方案为：

一种基于CAE仿真技术的模具淬火冷却多次循环分析方法，包括以下步骤：

步骤一：利用三维建模软件设计出模具的三维工具体模型；

步骤二：将三维工具体模型导入模拟分析软件中划分网格；

步骤三：进行材料参数设置，在导入过程中设置板料的材料属性、板料厚度、板料成型时的温度及热交换和材料摩擦系数、冲床的冲压速度和冲压行程；

步骤四：进行产品冲压模拟前检查，判断设置的材料参数是否合理；

步骤五：提交软件运算，进行冲压仿真模拟冷却循环分析；

步骤六：分析结束后根据产品型面的三坐标扫描检测数据判断是否符合产品图纸公差要求，以此数据判断是否需要优化三维工具体模型及水道模型，数据如果不符合图纸技术要求，则需要修改模具的三维工具体模型数据，重构模具的三维工具体模型和水道三维模型，再次冲压生产后，根据产品三坐标的检测结果判断模具表面精度及冷却水道是否满足精度要求，对冲压工艺重复进行循环分析和检验，直到得到合格的三维工具体模型以及水道三维模型；

步骤七：将模拟模具水道的三维工具体模型输出，用于开发模具。

作为本发明的一种优选改进，在步骤一中，三维建模软件依据产品数模设计三维工具体模型，依据板料厚度，确定冷却水道布置方式及水路直径，以更好的对模具镶块进行冷却。

作为本发明的一种优选改进，具体包括如下步骤：

根据客户提供的产品数模设计模具型面及模具结构，确定板料的大小，确保板料经过冲压得到的产品与客户所提供的产品数模相吻合；

将构建好的模具型面结合热冲压温度，模具就与冷却系统换热系数及产品材料的换热参数建立仿真网格模型；

将产品材料温度加热至热成型产品冲压时所需温度后，将坯料传送至模具表面；

将设置好的冲压参数输入至Autoform中进行热成型冲压模拟，成型过程中模具镶块内的水道与镶块进行换热，冲压完成后模具表面温度控制在80℃以下且分布均匀；

使用红外测温仪观测模具表面温度分布状态，实时监测模具热点区域温度；

若模具存在多处热点，则需要增大冷却系统的水循环速度及流量或加大冷却通道直径，使得冲压后模具表面温度在可控范围内。

作为本发明的一种优选改进，在步骤二中，对三维工具体模型划分网格时，对不参与材料成型的网格区域，减小网格密度；对参与材料成型的网格区域，增大网格密度。

作为本发明的一种优选改进，在步骤四中，检查包括对产品的全工序进行检查优化。

作为本发明的一种优选改进，在步骤五中，软件运算为求解器循环运算，淬火冷却循环次数应设置不少于10次。

作为本发明的一种优选改进，在步骤七中，输出优化完成的三维水道IGES文件，通过输出的三维工具体模型进行模具设计，模具设计过程中可根据实际模具结构调整冷却水道直径，转CAE分析验证可行性。

本发明提供的一种基于CAE仿真技术的模具淬火冷却多次循环分析方法具有如下优点：

1、本发明涉及的基于CAE技术的模具淬火多次冷却循环的流程，能够极大程度上缩减项目整体开发周期，降低设计成本，提升后期试模的达成率，缩短了客户交期，因此能够更好的满足高质量、高效的运营具备极高的市场竞争力；

2、根据本发明的基于一种CAE仿真技术的模具淬火多次冷却循环的分析流程，通过CAE技术模拟热成型连续淬火循环过程，对产品各区域型面仿真结果进行分析，在产品设计前期就能发现产品设计上的缺陷，对局部回弹变形等不稳定因素进行优化，提高产品的稳定性；

3、在产品结构不改变前提下，优化水道的结构参数，改善产品整体性能；

4、通过数值模拟优化产品的结构，避免失效产品的生产及改模工序的产生，最大限度的减小设计开发成本、模具制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为本发明实施实例的三维工具体模型及冷却水道的截面图；

图2为本发明实施实例的Autoform仿真模型；

图3为本发明实施的一种基于CAE仿真技术的模具淬火冷却多次循环分析方法；

附图中：1.上模镶块2.下模镶块3.上模冷却管道4.下模冷却水道5.板料。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参阅图1所示，模具包括上模镶块1和与所述上模镶块1配合的下模镶块2，当然，所述模具还包括分别用于安装所述上模镶块1和所述下模镶块2的上下模座(未图示)，模座再安装在压机上，板料在模具中冲压成型，最终成为所需要的产品。所述上模镶块1和所述下模镶块2分别设有若干与与外部冷却系统相连接的上模冷却管道3和下模冷却管道4，所述下模镶块2，板料5夹设于所述上模镶块1和所述下模镶块2之间，所述上模冷却管道3和所述下模冷却管道4为串联控制，采用该结构，可以分别对不同区域的镶块进行温度控制。

结合图3所示，本发明提供一种基于CAE仿真技术的模具淬火冷却多次循环分析方法，包括以下步骤：

步骤一：利用三维建模软件设计出模具的三维具体模型；

需要具体说明的是，在步骤一中，所述模具用于热冲压领域，所述模具内的水道与模具镶块进行热交换。三维建模软件依据产品数模设计三维工具体模型，依据板料厚度，确定冷却水道布置方式及水路直径，以更好的对模具镶块进行冷却，具体包括如下步骤：

1)根据客户提供的产品数模设计模具型面及模具结构，确定板料的大小，确保板料经过冲压得到的产品与客户所提供的产品数模相吻合；

2)将构建好的模具型面结合热冲压温度，模具就与冷却系统换热系数及产品材料的换热参数建立仿真网格模型；

3)将产品材料温度加热至热成型产品冲压时所需温度后，将坯料传送至模具表面；

4)将设置好的冲压参数输入至Autoform中进行热成型冲压模拟，成型过程中模具镶块内的水道与镶块进行换热，冲压完成后模具表面温度控制在80℃以下且分布均匀；

5)使用红外测温仪观测模具表面温度分布状态，实时监测模具热点区域温度，若模具存在多处热点，则需要增大冷却系统的水循环速度及流量或加大冷却通道直径，使得冲压后模具表面温度在可控范围内。

步骤二：将三维工具体模型导入模拟分析软件中划分网格；

需要具体说明的是，在步骤二中，所述模拟分析软件为Autoform CAE分析软件，三维工具体模型将STP格式文件导入至所述模拟分析软件，便于提升在分析过程中三维工具体模型的准确性。对三维工具体模型划分网格时，对不参与材料成型的网格区域，适当减小网格密度；对参与材料成型的网格区域，适当增大网格密度。

请结合图2所示，为本发明实施实例的Autoform仿真模型，仿真模型主要包括了板料、冷却管道中的冷却水以及产品形状。通过仿真模型，可以对板料在成型过程中不同时刻的形状以及其表面温度进行仿真模拟，从而为后续的型面以及冷却管道的优化提供理论依据，在产品设计前期就能发现产品设计上的缺陷，提高产品的稳定性。通过更改仿真模型中镶块的结构以及冷却水道的尺寸参数，对优化后的产品成型性能和力学强度性能进行模拟预测，避免失效产品的生产及改模工序的产生，最大限度的减小设计开发成本、模具制造成本。

需要进一步说明的是，由于三维建模软件在与分析软件接口转换过程中，可能出现软件格式不兼容问题，造成网格型面破损的质量问题。因此，通过检查软件内的网格，及时的对有破损的网格进行修补能够提高分析软件的效率和精确度。建模软件导入到分析软件的格式转换过程中，一些曲面质量会出现异常。因此，通过检查网格质量实时对有破损的网格进行修补能够提高分析软件的效率和精确度。在步骤二中，检查导入的STP文件，查看是否存在分析软件与建模软件不兼容所导致的网格烂面问题，划分网格时，不参与材料成型的网格区域的网格密度可以适当减小，参与材料成型的部分，适当增大网格密度。通过调整划分网格的质量，可以有效的提升分析结果的质量，并合理控制软件分析所花费的时间。

步骤三：进行材料参数设置，在导入过程中设置板料的材料属性、板料厚度、板料成型时的温度及热交换和材料摩擦系数、冲床的冲压速度和冲压行程；

步骤四：进行产品冲压模拟前检查，判断设置的材料参数是否合理；

需要具体说明的是，在步骤四中，检查包括对产品的全工序进行检查优化。

步骤五：提交软件运算，进行冲压仿真模拟冷却循环分析；

需要具体说明的是，在步骤五中，软件运算为求解器循环运算，淬火冷却循环次数应设置不少于10次。

步骤六：分析结束后根据产品型面的三坐标扫描检测数据判断是否符合产品图纸公差要求，以此数据判断是否需要优化三维工具体模型及水道模型，数据如果不符合图纸技术要求，则需要修改模具的三维工具体模型数据，重构模具的三维工具体模型和水道三维模型，再次冲压生产后，根据产品三坐标的检测结果判断模具表面精度及冷却水道是否满足精度要求，对冲压工艺重复进行循环分析和检验，直到得到合格的三维工具体模型以及水道三维模型；

需要具体说明的是，三维工具体模型的优化具体包括调整拉延坎或者拉延筋的形状，使得板料拉延成型更加充分，零件力学性能强度更好。在本实施例中，三维工具体模型的优化包括调整水道的布置形式及水道直径，模具工具体拉延型面的样式及拉延筋的布置区域。通过调整水道内冷却液体的流速为实际模具冷却效果快速带走热量，从而进一步解决产品冷却不均匀和热应力分布的问题。

步骤七：将模拟模具水道的三维工具体模型输出，用于开发模具。

需要具体说明的是，在步骤七中，输出优化完成的三维水道IGES文件，通过输出的三维工具体模型进行模具设计，模具设计过程中可根据实际模具结构调整冷却水道直径，转CAE分析验证可行性。

本发明提供的一种基于CAE仿真技术的模具淬火冷却多次循环分析方法具有如下优点：

1、本发明涉及的基于CAE技术的模具淬火多次冷却循环的流程，能够极大程度上缩减项目整体开发周期，降低设计成本，提升后期试模的达成率，缩短了客户交期，因此能够更好的满足高质量、高效的运营具备极高的市场竞争力；

2、根据本发明的基于一种CAE仿真技术的模具淬火多次冷却循环的分析流程，通过CAE技术模拟热成型连续淬火循环过程，对产品各区域型面仿真结果进行分析，在产品设计前期就能发现产品设计上的缺陷，对局部回弹变形等不稳定因素进行优化，提高产品的稳定性；

3、在产品结构不改变前提下，优化水道的结构参数，改善产品整体性能；

4、通过数值模拟优化产品的结构，避免失效产品的生产及改模工序的产生，最大限度的减小设计开发成本、模具制造成本。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的结构，而非对其限制；虽然结合附图描述了本发明的装置，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。