1 玻璃成形工藝的工業(yè)需求

    以汽車用玻璃為主的玻璃成形工藝包括落模成形、熱彎成形、模壓成形、輥壓成形及玻璃面板熱加等。這些工藝過程中，具有熱粘彈塑性特性的玻璃在高溫接近軟化狀態(tài)下進行成形，重力作用也將對其成形結(jié)果產(chǎn)生影響。與其他工業(yè)產(chǎn)品成形類似，玻璃的成形在成形工藝及模具設(shè)計不合理的情況下仍然會產(chǎn)生成形缺陷，如貼膜不緊、形狀未完全成形、表面裂紋等。目前國內(nèi)企業(yè)在面臨這些問題時大多采用試錯法，也就是完全憑工程師經(jīng)驗進行大量的實際試驗，這種方法的弊端在于對工程師經(jīng)驗依賴性大，經(jīng)驗又難以快速進行有效地積累和傳承，通過多次的實際試驗使得產(chǎn)品的生產(chǎn)周期長，成本增加，質(zhì)量不高。因此相關(guān)企業(yè)需要一種有效地工具來面臨挑戰(zhàn)，專業(yè)材料成形工藝數(shù)值模擬工具DEFORM便可以為這些難題提供相應(yīng)的解決方案。

2 材料成形工藝數(shù)值模擬工具DEFORM

    DEFORM源自塑性有限元程序ALPID（Analysis of Large Plastic Incremental Deformation）。在1980年代初期，美國Battelle研究室在美國空軍基金的資助下開發(fā)了用于塑性加工過程模擬的有限元程序ALPID，后來開發(fā)人員對程序進行了逐漸完善，并采用Motif界面設(shè)計工具，將程序發(fā)展成為了商品化的軟件DEFORM（Design Environment for Forming），經(jīng)過三十余年的發(fā)展DEFORM已經(jīng)成長為材料成形領(lǐng)域著名的工藝數(shù)值模擬軟件。

    DEFORM是一套基于有限元的工藝仿真系統(tǒng)，用來分析變形、傳熱、熱處理之間復雜的相互作用，常被用于分析金屬、玻璃及聚合物的成形現(xiàn)象。系統(tǒng)具有剛粘塑性及粘彈塑性算法，并同時耦合熱分析，其有限單元采用lagrangian算法并通過單元自適應(yīng)進行大變形計算。如圖1所示，各種現(xiàn)象之間相互耦合。這些耦合效應(yīng)將包括：由于塑性變形功引起的升溫、加熱軟化、溫度控制、熱損耗、塑性、應(yīng)變應(yīng)力對材料的影響等，對于玻璃成形的熱固耦合及溫度場分析具有很強的計算能力。

圖1 DEFORM技術(shù)體系

3 DEFORM玻璃成形工藝方案的工業(yè)應(yīng)用

DEFORM玻璃成形的技術(shù)特點

    玻璃成形的基本理論涉及傳熱、流動及變化的邊界條件，玻璃材料在成形過程將產(chǎn)生高的應(yīng)變率、溫度的不斷變化及高的材料非線性問題。成形過程中，發(fā)生玻璃的自然散熱、與模具的熱傳導等現(xiàn)象。因此，非線性模擬程序必須包括玻璃材料在熱狀態(tài)下的材料流動性能、溫度邊界的計算能力及熱應(yīng)力計算。

    DEFORM具有常用玻璃的成形流動應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，該流動應(yīng)力數(shù)據(jù)涉及不同溫度、不同應(yīng)變率條件下的多種應(yīng)力應(yīng)變曲線，常用的溫度范圍為20-1250°C，應(yīng)變率范圍為0.0001-100，因此可以分析復雜大變形的玻璃成形問題如模壓成形、輥壓成形等。另外，如果有特殊的玻璃材料流動應(yīng)力數(shù)據(jù)，也可通過自定義模式直接輸入到材料庫中進行分析計算。

3.1玻璃落模成形分析

    玻璃落模成形分析一般在將玻璃加熱到500°C以上，玻璃材料呈現(xiàn)軟化狀態(tài)，在重力作用下產(chǎn)生彎曲并貼合模具表面形成一定形狀的產(chǎn)品。通過對玻璃落模成形過程數(shù)值模擬計算，預測不同溫度及模面設(shè)計條件下玻璃的成形結(jié)果，預測貼合間隙等缺陷，優(yōu)化工藝參數(shù)。

圖2 玻璃落模成形過程及應(yīng)變分布云圖

圖3 貼模成形不足的缺陷預測

3.2 玻璃模壓成形分析

    DEFORM玻璃成形數(shù)值模擬能夠用于獲得玻璃模壓成形過程中的物理現(xiàn)象，這些現(xiàn)象是實驗很難預測的。DEFORM玻璃模壓成形需要考慮的要點包括：

    1、金屬模內(nèi)的形狀尺寸變化。玻璃產(chǎn)品形狀尺寸與上下模的閉合間隙相關(guān)，而模具在冷熱狀態(tài)下的尺寸可能產(chǎn)生變化。可以通過CAD建立模具冷溫下的形狀，通過考慮金屬熱膨脹的熱計算可以獲得模具的溫度分布及熱變形。

    2、模壓過程的玻璃材料流動行為。在設(shè)計的工藝參數(shù)下玻璃是否完全填充模具型腔是模壓成形的重要方面，成形過程中，有些地方可能因流動特性而更快地填充，而其他地方有可能無法完全充型。

    3、材料充型過程和停留過程玻璃材料的溫度分布情況。玻璃需在一個可控的速率下進行冷卻以便使其表面層冷卻避免玻璃產(chǎn)品因熱損耗而產(chǎn)生畸變。但非常快的冷卻速率也將產(chǎn)生不理想的熱應(yīng)力現(xiàn)象。

    4、模具的溫度分布。過冷的模具表面可能造成玻璃產(chǎn)品的局部應(yīng)力而產(chǎn)生擴展性裂紋。另一方面，過熱的模具表面可能造成玻璃粘在模具表面上。

    5、玻璃應(yīng)力。與模具接觸位置的玻璃在成形和停留過程中會產(chǎn)生較為明顯的熱變化。在某些部位可能達到其流動溫度點以下，因此粘性和結(jié)構(gòu)松弛現(xiàn)象成為玻璃應(yīng)力計算的重要影響因素。

    6、重力影響。因模壓前期重力作用造成的玻璃變形將考慮在計算中。

圖4 玻璃模壓成形材料流動分析

圖5 成形溫度分布等值線

圖6 模壓成形等效應(yīng)力云圖

3.3玻璃輥壓成形分析

    DEFORM具有專業(yè)的輥壓成形分析模板，采用流程化操作方式，可以參數(shù)化建立玻璃輥壓模型，并采用全六面體單元進行計算，預測輥壓成形形狀及缺陷，優(yōu)化輥壓工藝參數(shù)。

圖7 玻璃輥壓成形分析

3.4玻璃加熱分析

    汽車玻璃的加熱，通過在玻璃表面刷電阻絲并通過電流進行玻璃的升溫。其中電阻絲的尺寸及分布方式對玻璃的加熱溫度分布有很大影響。DEFORM可通過熱計算功能進行玻璃在電阻絲加熱條件下的溫度場分布，優(yōu)化電阻絲參數(shù)及分布設(shè)計。

圖8 玻璃加熱分析溫度場云圖

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