沖壓模具虛實整合技術開發

摘要：隨著電腦科技快速的發展，針對沖壓模具開發除了原先已廣泛被使用之電腦輔助設計(Computer-Aided Design, CAD)軟體外，可於虛擬環境模擬沖壓件成形過程的電腦輔助分析(Computer Aided Engineering, CAE)軟體，也逐漸被產業界所重視與運用；近年來，為因應產品開發周期愈來愈短，模具開發效率愈來愈快，如何運用CAE軟體以減少試模的次數，並降低模具開發的成本，為目前產業關注的議題。然而CAE軟體使用的門檻較高，一般傳統沖壓產業的工程人員不易上手；加上CAE軟體分析結果不易與實際試模情形進行比對，使得CAE軟體的應用程度受到侷限。本文將針對沖壓模具之CAE整合技術進行介紹，包含可快速設定沖壓模具CAE參數之製程設計預估模組，以及可進行虛實結果比對之虛實整合模組。

Abstract：With the rapid development of computer technology, in addition to the previously widely used computer-aided design (CAD) software for stamping dies, the computer-aided analysis (CAE) software that can simulate the forming process of stamping parts in a virtual environment has gradually been adopted by the industry. In recent years, in response to the shorter cycle of product development and the higher efficiency of die development, it is the current industry concern issue about how to use the CAE software to reduce the number of die-trials and the cost of die development. However, it is not easy to get started for the use of CAE software, especially for the engineers of the traditional stamping industry. In addition, the analysis results of CAE software are not easy to compare with the actual trial situation. Thus it limits the application of CAE software for stamping industry. This article will introduce the integration technology of CAE for the development of stamping dies, including a process-estimation module that can quickly set the stamping parameters of CAE software, and a virtual-reality integration module that can compare virtual and real results.

關鍵詞：沖壓模具、電腦輔助分析、虛實整合
Keywords：Stamping die, Computer-aided analysis, Virtual-reality integration

前言
部分金屬沖壓件(如汽車鈑金、航太零件等)因其形狀複雜、外輪廓尺寸大、材料相對薄、表面品質要求高等特點，用傳統經驗法進行模具設計很難保證製程參數選擇的合理性。隨著電腦科技的發展，CAD/CAE技術在模具設計中發揮越來越重要的作用，成為彌補傳統設計方法不足的重要途徑；同時又提高設計效率、降低設計成本、與縮短模具開發週期。藉由CAE軟體模擬板材沖壓成形過程，以進行回彈分析、模具的疲勞分析及磨損分析；並預測成形過程中板料的裂紋、起皺、減薄、劃痕等情形，可為板材沖壓成形模具設計參數優化提供有用的參考資訊。對於沖壓成形應用領域，一般產業常用Autoform、Dynaform、LS-DYNA、Pam-stamp等CAE軟體進行板材沖壓成形過程的模擬。一般CAE軟體具有很多的參數可以進行設定，以針對不同應用案例使用合適的參數值。因此深入瞭解這些CAE軟體針對沖壓成形分析應用的參數意義，及正確設置這些參數對於CAE軟體的使用者是非常重要的。然而這些CAE軟體的參數眾多且不易理解，因此對於國內沖壓傳統產業的工程人員來說，CAE軟體的使用通常需要漫長的學習與經驗的累積。另外當沖壓模具開發的工程人員使用CAE軟體分析出結果後，雖然可根據其結果進行模具設計的調整；但實際試模時，由於量測儀器的軟硬體功能限制，不易將實際沖壓產品與設計模擬時的結果進行比較與調整。對於汽車鈑金、航太零件等具複雜形狀的沖壓產品，若有可將虛實結果整合之系統，可加速模具開發的效率。本文針對國內傳統的沖壓產業，提出可加速沖壓模具開發效率的功能模組，以降低工程人員對於CAE軟體使用上的障礙。期望透過這些功能模組的導入，可提升國內沖壓產業的技術能力與國際競爭力。
沖壓數位化製程設計預估模組
為了可讓CAE軟體使用者以沖壓領域之專業語言、搭配快速簡易的操作介面，設定模具尺寸/材質、材料尺寸/材質、沖床運動曲線等分析用參數資料，並快速轉譯為CAE分析所需之檔案與參數格式。金屬中心開發了沖壓數位化製程設計預估模組，希望透過模組的運用降低模具開發人員跨入CAE作業的門檻，並提升模具開發效率與品質。此模組主要為搭配LS-DYNA[1]之CAE軟體進行開發，故本文中相關之CAE軟體設定為針對LS-DYNA進行說明與應用。
1. CAE軟體於沖壓成形分析之設定原則
LS-DYNA作為通用大變形顯式動力學分析程式，在板件沖壓成形分析應用中，可模擬成形性、起皺現象、回彈問題、噸位預測、拉延筋、模具設計和修改等。其結果的準確性也已得到無數案例的驗證。由於LS-DYNA發展初期主要的應用領域是碰撞分析，所以它的預設參數大多針對碰撞分析設置的。如果要用它來進行沖壓成形分析，必須要更改相應的參數設置。對於初學者來說，存在一定的困難。
LS-DYNA可針對應用案例進行邊界條件(BOUNDARY)、接觸(CONTACT)、控制(CONTROL)、輸出資料(DATABASE)、元素(ELEMENT)、材質(MAT)、節點(NODE)、零件(PART)、區域(SECTION)等參數設定。這些參數設定完成後會儲存至Keyword檔案，簡稱為「K檔」。K檔完成後，即可使用LS-DYNA的求解器讀取K檔參數以進行有限元素分析之求解。因此K檔內的參數設定是否適當，將影響有限元素分析之結果。下面將針對沖壓成形應用說明於CAE軟體設定所需要注意的事項。
在實際沖壓成形過程中，有些應用案例的模具移動速度是很緩慢的，但在模擬過程中，為了加快計算的速度，需要增加模具移動的速度。考慮模具每運動一毫米需要的顯式時間步迴圈數，對於大多數分析建議每運動一毫米使用100~1000步迴圈；而模具的速度最大值建議在2 m/s到5 m/s之內，同時應該定義速度行程曲線以零速度開始和零速度結束。模具運動曲線的形狀可以是梯形或正弦曲線，若是考慮到伺服沖壓運動，則要改用隱式分析模式。對於模具與板材的元素(ELEMENT)設定，我們可以都採用「殼元素」以降低有限元素分析計算量。由於在網格劃分過程中不可避免有三角形元素，用四邊形元素公式來計算這些三角形元素有時會遇到問題，因此建議開啟自動以三角形元素公式來處理三角形元素的功能。而殼元素的厚度改變功能也是常需要啟動，這對沖壓成形分析的準確性提升是非常重要的。
在材質(MAT)設定部分，在板材部分建議使用可設定各異向性的材質參數，以提升分析準確性。一般板材的材質參數還需要輸入降伏強度與應變硬化曲線等資訊。而針對模具材質，則大多使用剛體材料即可，僅需要輸入模具材料密度、楊氏係數和蒲松比等參數。對於接觸(CONTACT)設定部分，LS-DYNA有專為成形應用的設定參數(FORMING-ONE-WAY)，使用者大多採用其預設值即可。而在邊界設定(BOUNDARY)部分，我們通常針對上模或脫料板開放其上下方向的自由度，其他模具零組件的平移或旋轉的自由度均予以禁止。而上模或脫料板的運動方式則大多透過時間對位置的曲線進行設定，特別是針對伺服沖壓的應用。而針對零件(PART)設定，對於一些複雜部件的成形分析，由於很多地方曲率變化很大，必須採用自適應網格劃分功能來自動細化板料網格。