abaqus在连接器上的应用插拔分析以及冲压制程

第十二屆 2007 Abaqus Taiwan Users’ Conference Progressive Stamping Analysis for Connector 主講人： 陳英傑 論文作者： 劉定宇*、江宜宏*、陳英傑** * 矽瑪科技股份有限公司 ** 愛發有限公司 8 第十二屆 2007 Abaqus Taiwan Users’ Conference 連接器彈片之沖壓製程模擬及插拔力分析 劉定宇 1,江宜宏 1,陳英傑 2 矽瑪科技股份有限公司 1 愛發股份有限公司 2 摘要 本文利用 Abaqus 有限元素分析軟體，首先模擬連結器彈片的沖壓製造過程，由模擬結果判 斷材料可能會產生破壞的部位，與實際製程過程中產生破壞的部位相符。再以模擬製程的結果進 行插拔力分析，同時驗證了製程的設計是否能符合產品的要求，以及討論沖壓過程對產品效能的 影響。 關鍵字：有限元素法、連結器、沖壓製程 ABSTRACT In this research, we use Abaqus to simulate the stamping process of a connector spring. From the results, we estimated that some regions of the material may fail due to high stress during the process. The estimated regions are the same with the actual failed regions. Then the simulation result will be used as the model of plug force analysis to discuss the effect of manufacturing process on product function. Keywords：finite element analysis, connector, stamping process 一、前言 矽瑪科技公司主要的產品為各式電子連 接器，包括電腦、手機、通訊設備…等，產品 以外銷為主，研發能力佳，ODM 能力強。現 今電子產品的設計開發時間逐漸縮短，為了提 升競爭力，本公司著手導入電腦輔助分析軟體 ，期望能夠縮短設計時間，降低設計變更的成 本。 在市面上眾多的有限元素分析軟體中，屬 Abaqus 最受各連結器廠商所推崇，可算是市 佔率最高的一套軟體。由於連接器產品的特性 ，在分析時接觸的問題相當重要，並且需要同 時模擬多個有相互運動的組件，以 Abaqus 強 大的非線性運算功能，非常適合用來分析連結 器產品相關的問題，因此本公司使用 Abaqus 做為設計的輔助工具，本文即為矽瑪科技與愛 發公司合作的研究成果。 以往本公司設計開發新產品，是憑藉設計 人員的經驗，與過往發生之不良履歷做參考， 並以實驗的方式驗證，並配合線性模擬分析以 及微結構分析(microstructure analysis)來改 善設計。以此模式設計出之產品，仍有許多在 設計初期考慮不到的問題。例如在沖壓成型 後，在折彎處的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面可能會產生橘皮現象的破 壞(圖 1)，為此，本公司使用 Abaqus 來模擬 沖壓製程，希望能在設計初期即發現可能發生 的製程問題，尋求解決的方法，並驗證製程改 善後的結果是否符合需求。 另外連結器廠商針對產品的效能所做的 有限元素分析，如插拔力分析，大多是使用完 成品的 CAD 圖檔來建立分析模型，而忽略了 製造過程對材料所造成的影響。例如本文所討 論的連結器彈片的結構，必須透過多道沖壓步 驟才能成型，而沖壓過程會在鈑材上留下殘留 應力，影響成品的強度，若忽略殘留應力對彈 片的影響，在進行插拔力分析時，得到的結果 是否準確是有疑慮的。 在本文中，首先會針對一個實際的連結器 製程進行模擬，來觀察沖壓過程中，材料是否 有破壞的可能，並且比較製程模擬結果的外型 與原始設計的差異。再分別利用模擬製程的結 果以及 CAD 圖檔建立的模型，來進行插拔力 分析，比較以這兩種模型進行分析的差異。 二、建立分析模型 I.沖壓製程模擬模型 成品的外型如圖 2所示，為了簡化分析模 型，先將連結器分為 a、b 兩個部分，再分別 進行製程模擬。首先匯入 CAD 檔案來建立一 個三維、可變形的鈑材，由於模具的剛度遠大 於鈑材的剛度，因此可將模具定義為解析剛體 ，並對每個解析剛體指定一個參考點，使用解 析剛體來模擬沖壓的模具，可簡化整個分析模 型，節省建模以及運算的時間。 本分析中使用的材料是連結器產品最常 使用的磷青銅，耐疲勞及彈性特性佳。在材料 特性模組下，分別輸入所需的彈性、塑性材料 第十二屆 2007 Abaqus Taiwan Users’ Conference 參數，如表 1所示。並對鈑材指定實體、均質 的截面特性。 由於接觸對的定義可在分析步中開啟以 及關閉，因此在模擬不同的工序時，可將不同 的模具實體部件組裝在同一個裝配件中，再依 照不同的工序，編排接觸對啟動的順序，即可 在同一個分析模型內進行多工序的製程模 擬。要注意的是，組裝各個實體部件時，必須 預估每一道工序開始時模具的位置，避免在開 始判斷接觸情況的時後，即發生接觸對相互穿 透而造成不收斂的情形，組裝完的模型如圖 3a、3b 所示。 沖壓成型時鈑材會產生大幅度的變形，為 此在初始分析步中，開啟幾何非線性的功能 (Nlgeom)。並針對每一道工序，分別定義三 個靜力、一般(Static，General)的分析步：分 別為夾持、沖壓以及脫模等三個步驟。 定義接觸關係時，先定義切線方向的接觸 特性(tangential behavior)，選擇逞罰摩擦公式 (penalty friction formulation)並將摩擦係數設 為 0.18。由於在本分析中有考慮摩擦力的影響 ，在每個分析步的 Matrix Storage 的設定中， 選擇 Unsymmetric 的模式，可降低由摩擦問題 造成發散的機率。 接下來依照實際的接觸情形指定接觸 對，在接觸關係中，由於主控面(master surface) 的節點可以穿透從屬面(slave surface)，反之則 否，所以通常會選擇材料較硬的表面當做主控 面。在此分析中，模具的剛度較強，因此將解 析剛體與鈑材接觸的表面定義為主控面，而鈑 材則設為從屬面。並藉由在不同的分析步中開 啟、關閉交互作用，讓進行每一道工序的製程 模擬時，只有必要的接觸對定義會起作用。並 在每一個接觸對的關係中指定相同的接觸特 性。 為了避免鈑材發生剛體運動，對鈑材夾持 端的平面施加位移拘束(如圖 4a、4b 所示)。 接下來依照各個夾具、沖頭的行程，在解析剛 體的參考點施加位移的邊界條件。固定夾具參 考點的位移量使其固定，並對沖頭的參考點施 加強制位移，用來模擬製程中，沖頭的運動情 形。 在選擇元素的類型時，為了防止在計算接 觸力時有問題產生，選擇一階的實體元素，由 於鈑材在折彎時會承受彎矩的作用，因此選用 三維的一階減積分元素(C3D8R)。減積分元素 在承受彎矩時會產生沙漏效應(hourglass)，在 厚度方向鋪設四層網格會得到較準確的結 果。此外，在折彎的區域也使用密度較高的網 格，來得到較準確的結果。鋪設網格後的有限 元素模型如圖 5a、5b 所示。 最後建立一個分析作業，並提交。 II.插拔力分析模型 本文中進行插拔分析的目的，主要是比較 使用不同的分析模型，進行連接器彈片的插拔 力的結果。一種是以模擬製程後的結果建立模 型來進行插拔力分析，另一種模型是直接使用 成品的 CAD 外型來建立，後者忽略了製程中 殘留應力的影響。 針對 part a所建立的插拔分析模型如圖 11 所示，先匯入製程分析的變形結果當作彈片結 構的外型，由於製程造成的殘留應力是本分析 的重點，因此必須匯入製程分析結果的應力資 料，當作彈片的初始條件，如此便可將殘留應 力的影響考慮進去。若要讀取某個分析的結 果，來構成另一個分析的初始條件，必須在前 一個分析作業中要求輸出重啟動檔案，才可利 用場變數(predefined field)的設定，讀取分 析結果來當作所需的初始條件。 最後建立一個解析剛體的曲面，並施加一 個橫向的強制位移，使其跟彈片接觸，來模擬 連接器彈片在使用時的情況，接觸部分的設定 大致與製程分析的設定相同。 三、分析結果 I.沖壓過程中材料的破壞(part b) 首先觀察模擬沖壓製程的結果，由圖 6中 可看出，第一道折彎處有一部份的應變值已經 超過 0.45，而且在此折彎過程中，最大的應力 值達到 1093MPa(圖 7)，很有可能發生材料的 破壞。以愛發公司模擬的結果與本公司實際沖 壓製程的結果(圖 8)做比較，材料破壞發生的 位置相同，也可觀察到沖頭所造成的局部凹陷 變形，分析結果十分準確。 II.模擬沖壓製程後的成品外型(part a) 比較模擬沖壓製程的結果以及設計的 CAD 外型，由圖 9 可看出用 Abaqus 模擬的結 果，與原始的設計有很大的差異，其中藍色部 分為設計的外型。由此可知，僅用成品的外型 來設計模具是不夠的，需搭配分析軟體進行製 程的模擬，才能確定模具的設計是否能符合要 求。 III.插拔力分析(part a) 進行插拔力分析之前，修改製程(將最後 一道工序的沖程距離增加 0.065mm)來執行重 啟動分析，得到一個較接近成品外型的結果 (如圖 10 所示)，從圖中可以看出，雖然增加 沖程可以讓連結器角度(如紅色箭頭標示)較 接近設計的外型，卻會造成折彎處在 Y 方向 的變形量過大。 最後進行簡易的插拔分析，如圖 11 所 示，並繪製位移與反作用力的關係(圖 12)， 第十二屆 2007 Abaqus Taiwan Users’ Conference 橫座標為位移量，縱座標為反作用力。紅色為 利用 CAD 模型建立分析模型所得到的結果， 藍色部分則是利用改善製程的結果進行插拔 分析。兩種分析模型所得到的反作用力的最大 值，分別為 1.574 N 以及 1.396 N，誤差約 7.2 ％。 四、結果與討論 從製程模擬的過程中，可以觀察到材料可 能會破壞的區域，並且與實際的狀況相符，針 對此問題，可對模具在折彎處附近做拋光，避 免在成型時產生不必要的摩擦力，或是改用 R/T 比可以更小的材料。 另外也觀察到沖頭在材料表面造成的局 部凹陷，彈片的外型不平整，使用時可能在該 區域造成應力集中的現象，影響產品的效能及 壽命。此局部凹陷的問題可藉由調整公、母模 具的相對位置，或是改變沖頭的外型來改善。 依照原始設計的模具，進行製程的模擬分 析時，可以發現模擬的結果與成品的設計有很 大的差異，這主要是因為在設計製程時，難以 掌握回彈的角度而造成。 在本分析中變更的最後一道工序的沖程 (part a)，雖然能讓模擬的結果，更接近成品 的外型，卻在其中一個折彎處產生過多的變形 (如圖 9所示)，更突顯出製程分析的重要性， 若只依照成品的外型以及經驗法則來設計模 具，有可能因為估計錯誤而增加修模成本。 再者，即便以分析軟體模擬製程後得到的 外型，與成品的外型類似，進行插拔分析時， 反作用力的最大值仍有 7.2％的誤差。並且在 插入的過程中，CAD 模型的曲線的斜率大於 CAE 模型的曲線的斜率，顯示以 CAD 模型進行 插拔過程的模擬，會高估產品的強度，這可能 是因為 CAD 模型並未考慮加工過程，在材料中 留下的殘留應力對強度所造成的影響。 矽瑪科技公司在設計連結器的過程中，導 入 Abaqus 做為設計的輔助工具後，一來可以 驗證模具的設計是否合宜，也可在進行成品的 插拔力分析時，考慮到製程對材料的影響。能 夠事前發現可能發生的問題，提出解決方案， 並驗證改善的方法是否有效，可節省許多設計 變更所造成的成本。並提供一個有理論基礎的 設計依據，而非只是依照過去所累積的經驗法 則，即使是一個較沒有經驗的 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 師，也能配 合分析軟體的輔助，將嘗試錯誤的次數減到最 低，在最短的時間內開發出新的產品，提升本 公司在業界的競爭力。 五、表格 Elastic Yonug’s Modulous Poisson’s Ratio 127 GPa 0.3 Plastic Yield Stress (MPa) Plastic Strain 940 0 1014 0.00139 1040.2 0.0198 1065.6 0.02956 1092.84 0.0488 表 1 彈、塑性材料參數 六、圖片 圖 1 折彎處表面的橘皮現象 圖 2 成品外型 圖 3a 製程分析模型(part a) part a part b 第十二屆 2007 Abaqus Taiwan Users’ Conference 圖 3b 製程分析模型(part b) 圖 4a 位移邊界條件(part a) 圖 4b 位移邊界條件(part b) 圖 5a 有限元素模型(part a) 圖 5b 有限元素模型(part b) 圖 6 第一道折彎處的應變分布情形(part b) 第十二屆 2007 Abaqus Taiwan Users’ Conference 圖 7 第一道折彎處的應力分布情形(part b) 圖 8 實際製程的破壞結果(part b) 圖 9 外型比較(part a) 圖 10 修改製程後得到的外型(part a) 圖 11 插拔測試分析模型(part a) 圖 12 插拔分析結果 CA D CAE CA D CAE 08-cover.pdf 08-cover.pdf blank.pdf 08-連接器彈片之沖壓製程模擬及插拔力分析.pdf 08-連接器彈片之沖壓製程模擬及插拔力分析.pdf blank.pdf