Штамповка цифрового заводского и имитационного дизайна: от виртуального прототипа до цифрового двойника
Введение: от мастерской опыта к цифровой инженерии
На протяжении десятилетий цех металлической штамповки описывался как сцена "молотка и масла". Дизайн штампа опирается на опыт старых монтажников для рисования линий, а первая тестовая форма часто сопровождается невооруженным глазом, чтобы наблюдать за количеством отскока, а затем отполированной вручную компенсацией. Эта модель полностью провалилась сегодня, когда цикл разработки новых материалов и новых моделей сжат до 18 месяцев. Цифровые технологии - моделирование CAE, база знаний о процессах, система производства MES, цифровой двойник - меняют ДНК штамповки.
В данной статье описывается структура фабрики цифровой штамповки, включая проектирование на основе моделирования, виртуальные испытания и компенсации, платформу данных оптимизации параметров процесса и работу с цифровыми двойниками.
Моделирование CAE штамповки: от первых принципов к высокоточному прогнозированию
1,1 Основное уравнение упруго-пластического метода конечных элементов
Моделирование штамповки основано на явном или неявном методе конечных элементов для решения уравнений механического равновесия. Материальная модель использует критерий анизотропного выхода Хилла '48 или Барлата, учитывая анизотропию толщины; модель трения часто использует модель Кулона или более высокую модель трения клея. Результаты решения включают: скорость истончения толщины, первичные и вторичные деформации, обратное перемещение, формирующую нагрузку и т. д.
1,2 Сравнение возможностей основного программного обеспечения
AutoForm: отраслевой стандарт, особенно хорош в быстром прототипировании и прогнозировании отскоков, удобный интерфейс, модуль компенсации зрелых форм.
Dynaform: на основе решателя LS-DYNA высокая точность явного анализа, подходящая для сложных задач формирования ударов и высокоскоростных столкновений.
PAM-STAMP: Уникальные преимущества в области горячей штамповки и многоступенчатого формования со встроенной моделью фазового перехода.
Simufact Forming: Хорошо справляется со встроенным моделированием фактической технологической цепочки штамповки (blanking-drawing-trimming-flanging).
Выбор программного обеспечения во многом зависит от материала и сценария применения. Текущие ведущие компании начинают внедрять многопрограммное совместное моделирование: использование AutoForm для быстрой оценки чертежа, использование PAM-STAMP для анализа закалки горячей штамповки и, наконец, использование Dynaform для проверки динамического отскока.
1,3 Узкие места и прорывы в точности моделирования
Хотя CAE был очень зрелым, ошибка в прогнозировании сложного отскока сверхпрочной стали все еще может достигать ±0,5 мм. Основные причины: материальная модель не может точно отразить эффект Бохингера и поведение упрочнения при циклической нагрузке; коэффициент трения не может динамически изменяться при контактном давлении и температуре; размер сетки слишком велик, чтобы уловить локальную деформацию.
Прорывное направление: использование передовых испытаний характеристик материала (таких как испытания на растяжение в двухосной форме и циклические испытания на растяжение и сжатие) для калибровки конститутивных моделей; разработка моделей трения на основе данных - передача фактической кривой усилия процесса штамповки обратно в симуляцию для изменения коэффициента трения.
Виртуальное тестирование форм и технология обратной компенсации
2,1 Итеративный алгоритм компенсации отскока
Традиционный тест пресс-формы требует от 4 до 6 циклов физической модификации для достижения определенного размера. Виртуальный тест пресс-формы завершается в среде моделирования: во-первых, формируется исходная поверхность пресс-формы, а вычисление отпрыска выполняется для получения сетки после отпрыска детали; затем сетка сопоставляется с геометрией цели для расчета вектора обратного смещения каждого узла; наконец, генерируется компенсированная поверхность пресс-формы. Обычно от 2 до 3 циклов виртуальных итераций могут свернуть ошибку отпрыска до ±0,1 мм.
2,2 Глобальная оптимизация с учетом силы рисования бисера и держателя заготовки
Спрингбек связан не только с геометрией матрицы, но и с силой сопротивления и силой крепления болванки. Современные симуляции могут сочетать алгоритмы оптимизации (такие как метод поверхности отклика, генетический алгоритм) для автоматического поиска оптимальной высоты, положения и кривой силы крепления болванки, сводя к минимуму прыжок при одновременном уменьшении трещин и морщин.
2,3 Применение виртуальной отладки в модуле передачи
Детали многостанционной матрицы переносятся между пресс-формами, что требует динамического моделирования - имитации положения зажима манипулятора, положения переворачивания деталей и вмешательства пресс-формы. Благодаря виртуальной отладке можно заранее обнаружить риск столкновения челюсти или падения детали, что значительно сокращает время отладки на месте.
База данных процесса штамповки и система рекомендации параметров
3,1 Структурированное хранение исторических данных
Мастерская штамповки накопила большое количество данных "класс материала + толщина материала + структура матрицы + параметры процесса + фактические результаты качества". Но эти данные часто разбросаны по Excel, бумажным записям или мозгу старого мастера. База данных процесса стандартизирует и хранит эти данные и устанавливает индекс, чтобы аналогичные случаи можно было быстро восстановить при разработке новых форм, а также рекомендовать давление штамповки, метод смазки, значение зазора и т. д.
3,2 Рекомендация параметров процесса на основе машинного обучения
Кроме того, нейронные сети или случайный лес используются для обучения связи между параметрами процесса и типами дефектов. Вход: механические свойства материалов, геометрические характеристики штампов, условия смазки; выход: рекомендуемая скорость штамповки, усилие держателя заготовки, радиус филе штампа и т. д. Система введена в эксплуатацию на нескольких крупных штамповочных предприятиях Европы, что сокращает время отладки новых продуктов более чем на 30%.
IV. Штамповка MES и цифровая работа мастерской
4,1 Прозрачность от сбора данных об оборудовании до производства
Цифровой основой штамповочного цеха является промышленный Интернет вещей: каждая штамповочная машина, питатель, автоматический сменщик штампов и чистящая машина подключены к системе SCADA для сбора в режиме реального времени штамповочных форм давления, температуры, вибрации, выхода и простоев. MES сопоставляет эти данные с заказами на работу и партиями материалов для формирования цифровых производственных записей.
4,2 Автоматическая замена штампа и быстрая смена производства
В гибком штамповочном цехе время смены пресс-формы напрямую влияет на общую эффективность (OEE) оборудования. MES выдает инструкцию по изменению производства, автоматическое управляемое транспортное средство (AGV) транспортирует необходимую пресс-форму сбоку от пресса, гидравлический зажим автоматически освобождает замену и в то же время вызывает соответствующую формулу технологических параметров (кривую пресса, длину подачи и т. д.) пресс-формы в PLC. Весь процесс смены пресс-формы можно сократить до менее чем 10 минут.
4,3 Качественная закрытая петля и SPC
Основные размеры штампованных деталей вводятся в MES в режиме реального времени через контрольное оборудование онлайн (например, лазерный триангуляционный дальномер), а статистическое управление технологическим процессом (SPC) осуществляется автоматически. При непрерывном повышении на 7 пунктов или превышении предела регулирования система сигнализирует и автоматически приостанавливает производственную линию для предотвращения выхода из строя партии.
В-пятых, цифровой двойник: интеллектуальная линия штамповки, объединяющая виртуальные и реальные
5,1 Иерархия цифровых близнецов
Цифровой двойник - это не просто 3D-модель, а замкнутый цикл, содержащий физическую сущность-виртуальную модель-систему подключения данных-сервиса. В области штамповки цифровые двойники можно разделить на три уровня:
Двойник геометрической визуализации: отображает позу форм, прессов и деталей в реальном времени в виртуальном пространстве.
Двойники процессов: ввод данных датчиков в режиме реального времени и модели моделирования привода для составления онлайн-прогнозов (например, прогнозирования отскока следующей детали на основе текущего износа пресс-формы).
Автономный двойник: система автоматически регулирует параметры процесса или инициирует действия по техническому обслуживанию без вмешательства человека.
5,2 Типичные случаи применения
В линии штамповки автомобильных панелей установлена цифровая двойная система: после каждого предмета штамповки внешняя пластина верхней крышки измеряется онлайн-оптикой, а данные отклонения синхронизируются с двойной моделью в режиме реального времени; модель выполняет поэтапное моделирование, чтобы определить, вызвано ли отклонение износом формы, и если да, то рекомендуется выполнить локальную ремонтную сварку и шлифовку при следующей смене формы; при этом оставшийся срок службы прогнозируется в соответствии с тенденцией износа, а план технического обслуживания оптимизируется.
VI. Технические проблемы и пути осуществления
Самая большая проблема, с которой сталкивается цифровая штамповка, - это не сама технология, а хранилища данных и цифровая грамотность персонала. В мастерских штамповки часто работают специалисты с многолетним стажем, которые привыкли судить по голосу и прикосновению и устойчивы к цифровым инструментам. Поэтому необходима "двухтрековая система": изначально сохраняющая человеческий авторитет в принятии решений, одновременно проверяющая надежность рекомендаций цифровой системы с помощью анализа данных и постепенно укрепляющая доверие.
Предложения по пути реализации: ① оборудование сети и инфраструктуры сбора данных; ② CAE моделирования возможность создания ключевых форм; ③ накопление и применение базы данных процесса; ④ пилот управления с замкнутым контуром местных станций; ⑤ цифровой двойной интеграции всей производственной линии.
вывод
Штамповочная цифровая фабрика больше не является концепцией будущего, а необходимой способностью для конкурентного выживания. Освоив железный треугольник "виртуальная пробная форма + база данных процессов + цифровой двойник", предприятия могут сократить цикл разработки продукта на 40%, сократить количество пробных форм на 70% и увеличить общий OEE более чем на 20%. Это инженерная революция, основанная на данных. Те штамповочные предприятия, которые готовы перейти на цифровизацию, будут непобедимы в следующем десятилетии.
BQUQ является профессиональным производителем металлической штамповки, пожалуйста, пришлите нам чертежи, и наша компания процитирует вас в течение 12 часов.
