晏建軍

一、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，重力也將對其成形結果產生影響。與其他工業(yè)產品成形類似，玻璃的成形在成形工藝及模具設計不合理的情況下，仍然會產生成形缺陷，如貼膜不緊、形狀未完全成形和表面裂紋等。目前國內企業(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驗進行大量的實際試驗，這種方法的弊端在于對工程師經驗依賴性大，經驗又難以快速進行有效的積累和傳承，多次試驗使得產品的生產周期長，成本增加，質量不高。因此，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可以應對這些難題。

二、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 ofLarge Plastic Incremental Deformation）。在 20世紀 80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界面設計工具，將程序發(fā)展成為商品化的軟件 DEFORM（DesignEnvironment for Forming）。經過 30余年的發(fā)展，DEFORM已經成為材料成形領域著名的工藝數(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、傳熱和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、塑性和應變應力對材料的影響等，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技術體系

三、DEFORM玻璃成形工藝的工業(yè)應用

1.DEFORM玻璃成形的技術特點

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生高的應變率、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、玻璃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力計算。

DEFORM具有常用玻璃的成形流動應力應變數(shù)據(jù)，該流動應力數(shù)據(jù)涉及不同溫度、不同應變率條件下的多種應力應變曲線，常用的溫度范圍為 20～1250℃，應變率范圍為

0.0001～100，因此可以分析復雜大變形的玻璃成形問題，如模壓成形和輥壓成形等。另外，如果有特殊的玻璃材料流動應力數(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。

2.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℃以上，玻璃材料呈軟化狀態(tài)，在重力作用下產生彎曲并貼合模具表面形成一定形狀的產品。通過對玻璃落模成形過程的數(shù)值模擬計算，預測不同溫度及模面設計條件下玻璃的成形結果，預測貼合間隙等缺陷，優(yōu)化工藝參數(shù)，如圖 2、圖 3所示。

圖2玻璃落模成形過程及應變分布云圖

圖3貼模成形不足的缺陷預測

3.玻璃模壓成形分析

DEFORM玻璃成形數(shù)值模擬能夠分析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，如圖 4～ 6所示。DEFORM玻璃模壓成形需要考慮的要點如下。

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模壓成形等效應力云圖

（1）金屬模內的形狀尺寸變化。玻璃產品形狀尺寸與上下模的閉合間隙相關，而模具在冷熱狀態(tài)下的尺寸可能產生變化?？梢酝ㄟ^ CAD建立模具冷溫下的形狀，通過金屬熱膨脹的熱計算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因素，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中玻璃材料的溫度分布情況。玻璃需在可控速率下進行冷卻，以避免玻璃因熱損耗而產生畸變，過快的冷卻速率將產生不理想的熱應力現(xiàn)象。

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

（5）玻璃應力。與模具接觸位置的玻璃在成形和停留過程中會產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，因此粘性和結構松弛現(xiàn)象成為玻璃應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在計算中予以考慮。

4.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)，如圖 7所示。

5.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加熱玻璃。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可通過熱計算功能分析玻璃溫度場分布，優(yōu)化電阻絲參數(shù)及分布設計，如圖8所示。