材料加工CAE課程考核

1、材料加工CAE課程考核目 錄一、 摘要1二、引言1三、實驗?zāi)康?四、平臺簡介1五、零件介紹及分析1六、CAE分析21、方案一22、方案二53、方案三64、方案四75、方案五96、方案六：沖壓速度優(yōu)化11七、制件加工過程及其他相關(guān)參數(shù)CAE121、坯料的加工和制備122、沖壓過程143、切邊和回彈過程模擬14八、總結(jié)16九、參考文獻17一、摘要本次實驗，首先通過對圓弧平底槽工件進行了成形工藝分析，擬定了初步的成形方案，然后通過在CAD軟件中建立數(shù)據(jù)模型，利用dynaform軟件進行了初步方案的模擬。通過模擬結(jié)果，對初步方案進行了綜合評估，并在此基礎(chǔ)上做了改進。通過反復(fù)的改進和模擬分析，最終得到了

2、可行的方案方案四。然后通過方案五的9組實驗，優(yōu)化出了最好的一組成形工藝參數(shù)。最后考慮到生產(chǎn)率的問題，又在方案六中對沖壓速度進行了進一步優(yōu)化。最后在滿足制件成形質(zhì)量的前提下，沖壓速度有所提高，并得到了最佳的成形參數(shù)。關(guān)鍵詞：Dynaform 、CAE、沖壓成形、圓弧平底槽二、 引言CAE(Computer Aided Engineering)，指用計算機輔助求解分析復(fù)雜工程和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能等。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)的CAE技術(shù)也得到了飛速發(fā)展，其數(shù)值計算精度也得到了大大提高。CAE軟件從20世紀60年代初在工程上開始使用到今天，已經(jīng)經(jīng)歷了50多年的發(fā)展歷史，其理論和算法

3、都趨于成熟，現(xiàn)已成為航空、航天、機械、土木結(jié)構(gòu)等眾多領(lǐng)域中必不可少的數(shù)值計算工具。同時它也是分析連續(xù)力學(xué)各類問題的一種重要手段。隨著計算機技術(shù)的普及和不斷提高，CAE系統(tǒng)的功能和計算精度都有很大提高，各種基于產(chǎn)品數(shù)字建模的CAE系統(tǒng)應(yīng)運而生，并已成為結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要工具，同時也是計算機輔助4C系統(tǒng)（CAD/CAE/CAPP/CAM）的重要環(huán)節(jié)。通過CAE技術(shù)的應(yīng)用，可以大大減少設(shè)計周期，節(jié)約設(shè)計成本，從而達到降低成本的目的；并且，CAE技術(shù)能夠為產(chǎn)品開發(fā)和性能測試等提供理論上的指導(dǎo)，有利于對產(chǎn)品的完善，同時，此項技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用，可以大大減少了勞動力的投入，同時也節(jié)約生產(chǎn)成本，所以，

4、CAE技術(shù)得到了越來越多的重視。三、 實驗?zāi)康慕柚鶦AE軟件分析所給的產(chǎn)品零件的成形過程，并利用所學(xué)業(yè)知識對其成形工藝（和工序）、坯料形狀（如果需要）、機械加工余量和零件結(jié)構(gòu)或模具結(jié)構(gòu)等進行優(yōu)化。本實驗主要是利用dynaform對圓弧平地槽零件進行CAE計算，擬定工藝方案，設(shè)計毛坯，確定其工藝參數(shù)，評估成形質(zhì)量，利用所學(xué)的知識解釋缺陷產(chǎn)生的原因，并提出改進方案。四、 平臺簡介Dynaform軟件是由美國ETA公司和LSTC公司聯(lián)合開發(fā)的用于板料成形模擬的專業(yè)軟件包，可方便地求解板料成形工藝及模具設(shè)計涉及的復(fù)雜問題，是目前該領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的CAE軟件之一。在其前處理器（preprocesso

5、r）上可以完成產(chǎn)品仿真模型的生成和輸入文件的準備工作。求解器（LS-Dyna）采用的是世界上最著名的通用顯示動力為主、隱式為輔的有限元分析程序，能夠真實模擬板料成形中的各種復(fù)雜問題。后處理器（post-processor）通過CAD技術(shù)生成形象的圖形，可以直生動地顯示各種分析結(jié)果。它可以預(yù)測板料成形過程中的破裂、起皺、減薄和回彈，評估板料的成形性能，為板料成形工藝及模具設(shè)計提供幫助，可以顯著較少模具設(shè)計時間及試模周期。五、 零件介紹及分析本次課程考核所分析的零件為圓弧平底槽零件，其具體尺寸如圖紙P01所示，為1/4的圓弧形結(jié)構(gòu)，口部兩端的夾角為100度。由于工件沒有指定公差和精度，所以按照IT

6、14級精度加工?；疽笕缦拢?、 制件表面無起皺破裂現(xiàn)象。2、 圓弧槽的兩直壁部分回彈量不超過±1°。3、 制件最薄的地方不小于0.96mm（減薄率不大于20%）。該制件為一個圓形件的1/4，故在加工時可以同時加工4個零件，然后再切開。這樣可以有效地避免在沖壓過程中產(chǎn)生的偏心載荷，使得壓力中心和位于制件的中間位置?？紤]到在將4個工件切開的過程中，沖裁模具的布置，故每個工件制件留有5mm的沖裁余量。所以實際加工過程為，4個1/4圓弧和4段直線型槽，然后再切開。六、 CAE分析1、方案一該過程為試探性分析，主要用于確定加工工藝方案、毛坯的形狀和尺寸。首先，通過初略的計算判斷工

7、藝的可行性：圓弧平底槽的內(nèi)經(jīng)直壁在成形過程中相當是內(nèi)孔翻邊成形，通過沖壓模具設(shè)計手冊查的，該過程的極限翻邊系數(shù)大約為Kmin=0.8，然后代入公式：式中t為板料厚度，r為圓角半徑。代入數(shù)據(jù)粗略的估算可得，其極限翻邊高度大約為27nn，能夠滿足該過程的成形。 圓弧平底槽的外經(jīng)相當于筒形件的拉深成形，由于其高度只有20mm左右，可以斷定，該拉深過程能夠一次完成。 在proe中建立制件幾何模型如圖所示： 圖一、工件幾何形狀 圖二、網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置該制件由4個1/4圓弧段和4條5mm長的直線段組成，在沖壓完成之后切開成4個工件。將該制件導(dǎo)入到Dynaform中進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的主要參數(shù)如圖所示。然后進行

8、材料參數(shù)的設(shè)定。由于dynaform中沒有包含08鋼的材料，所以才分析的時候，采用自定義的方式進行材料的設(shè)定。在創(chuàng)建材料的過程中選用36#材料模型（Barlats-3 Parameter Plasticity Model）3參數(shù)Barlats材料模型，這種材料模型適用于任何薄板金屬成形分析，在美國材料CQ36的基礎(chǔ)上進行修改參數(shù)得到，08鋼的主要材料參數(shù)為：彈性模量 2.11x1011 N/m2 泊松比 0.279 質(zhì)量密度 7.82x103 kg/m3抗剪模量 8.25x1010 N/m2屈服強度 1.75x108 N/m2抗剪模量 8.25x1010 N/m2斷面收縮率 60 %斷面收縮率

9、 60 %硬度 （未熱處理） 131 HB將材料的各個參數(shù)設(shè)置之后，對工件進行毛坯尺寸估算，其設(shè)置如下圖所示。 圖三、毛坯尺寸估算 圖四、工件展開尺寸由圖四可得，毛坯的外徑尺寸和工件的外徑尺寸相差不大，在成形過程中壓邊圈的有效壓邊面積不夠，所以在方案一中不用壓邊圈進行成形，其模具設(shè)計如圖五所示，凸凹模的截面尺寸如圖六所示。圖五、前處理示意圖 圖六、模具截面示意圖材料參數(shù)的設(shè)置和前面一樣，沖壓速度為5000mm/s，時間步長設(shè)置為-3.23x10-8，自適應(yīng)次數(shù)30次，最小單元1.0，最大自適應(yīng)等級為4。設(shè)置完成之后提交分析，得到結(jié)果如下圖所示。由圖七可得，材料在沖壓過程中可能會產(chǎn)生大面的起皺，

10、在外側(cè)面和底面上均有嚴重起皺的可能性。外側(cè)面的起皺主要是用于在拉深過程中，由于板料沒有壓邊力的作用，使得凸緣區(qū)的材料在沖壓過程中切向受壓應(yīng)力，徑向受拉應(yīng)力作用，這使得該部位的材料很容易就失穩(wěn)而起皺。而底面的材料，如圖8所示，主要是在拉深過程中，板料沒有很好的貼合模具，在中部產(chǎn)生“穹彎”。當凸模運動到和凹模完全閉合時，產(chǎn)生“穹彎”的多余板料沒辦法流回到筒形件的直壁部位，因而會產(chǎn)生高低不平的褶皺。圖七、方案一分析結(jié)果圖八、沖壓過程中的板料“穹彎”通過觀察沖壓之后板料的厚度變化情況，發(fā)現(xiàn)，板料在發(fā)生塑性流動之后最薄的地方減至1.124mm，滿足零件的使用要求。圖九、制件減薄通過沖壓之后的回彈分析發(fā)現(xiàn)

11、，兩個直壁在回彈之后夾角有所增大，從100.771度增大到10092度，在零件的精度要求范圍。圖十、回彈之前夾角 圖十一、回彈之后夾角通過上述分析過程可得，板料在沖壓過程中由于沒有壓邊圈的作用，板料會發(fā)生嚴重起皺，并且，在沖壓過程中，板料和模具貼合得不好，凸模底部板料會產(chǎn)生拱起，在和凹模接觸之后，由于壓力作用，使得該部分拱起的多余材料無法流回到筒形的直壁部位，因而產(chǎn)生高低起伏的褶皺。板料在沖壓完成之后，厚度的變化和回彈的變換均能滿足精度要求。2、方案二 通過對方案一的結(jié)果進行分析，在方案二中進行如下該改進：在凸凹模尺寸不變的情況下，增大板料的面積，以提供足夠的壓料面積，并設(shè)置壓邊圈，進行壓料。

12、這樣在壓邊圈的限制作用下，板料邊緣也不容易起皺，同時坯料在拉深過程中的貼模性也會將得到改善，但是這樣，使得工件在生產(chǎn)過程中，工藝余料增加，產(chǎn)品的成本提高。方案二中，模具尺寸保持不變，板料的外徑增大為240mm，內(nèi)徑保持不變，并設(shè)置壓邊圈，壓邊力設(shè)置為20噸，材料的設(shè)置和方案一保持一致。前處理之后，提交分析，得到如下結(jié)果：圖十二、方案二成形極限由圖可得，將板料增大之后，在壓邊圈的作用下，起皺現(xiàn)象得到了極大的改善，板料和模具的貼合性變好，制件底部的起皺有所改善，但是還是存在少量起皺現(xiàn)象。對于工件的變薄和回彈，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，滿足零件的精度要求。此外，從圖十二可以看出，在圓弧槽零件的外徑直壁上，材料存

13、在起皺趨向，這個是應(yīng)為在拉深的開始階段，凹模和凸模均為100度斜面，這使得開始拉深過程中，板料不能收到凸模和凹模的限制，而容易發(fā)生起皺。而圓弧槽的內(nèi)徑，其成形過程類似于內(nèi)孔翻邊過程，在成形過程中不會產(chǎn)生起皺傾向，但是有可能會被拉裂，如下圖所示：紅色部分為圓形槽的外徑直壁部分。圖十三、模具截面圖圖十四、直壁部位的高度通過板料距離分析，得到圖十四所示結(jié)果，圖中顯示的是沖壓之后板料在Z方向（沖壓方向）上發(fā)生的位移情況，由圖可得，圓弧槽的外徑直壁部位高度滿足20cm要求，但是內(nèi)徑直壁，其高度只有大約18cm左右，不能滿足零件的尺寸要求，所以板料的內(nèi)徑應(yīng)該有所減小。3、方案三通過對方案二進一步改進，板料

14、直接取外徑240mm的圓片板料，而不采用圓環(huán)坯料，這樣的話，在沖裁板料的時候就可以省去一個沖孔的過程，從而使加工工序減少。方案三的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計如下：圖十五、模具設(shè)計示意圖壓邊邊力、材料參數(shù)和其他數(shù)據(jù)均和方案二保持一致，通過提交分析之后得到結(jié)果如下：圖十六、成形極限圖 圖十七、厚度變化通過圖十六可得，板料在成形過程中圓弧槽的內(nèi)徑直壁呈現(xiàn)出很好的狀態(tài)，不會被拉裂，為外徑直壁部位仍然有起皺的可能，這個主要是模具的斜面造成的，具體情況在方案二中有所解釋，此處不在贅述。通過對板料的厚度分析發(fā)現(xiàn)，坯料在成形過程中減薄最嚴重的的方厚度為0.922mm，不滿足零件的技術(shù)要求，材料減薄嚴重會影響制件使用強度。同

15、時在圓弧槽的外徑直壁部位還存在起皺的可能性，不利于沖壓成型，因此需要做一些調(diào)整。4、方案四方案四中，將圓弧形槽的外徑處設(shè)置拉延筋，通過拉延筋的阻力作用來防止板料在流動過程中的起皺。拉延筋設(shè)置到凹模的壓料面上，呈環(huán)形布置，具體如下圖所示：圖十七、等效拉延筋位置 圖十八、拉延筋參數(shù)壓邊力設(shè)置為20噸，沖壓速度設(shè)置為4000mm/s?？紤]上一個方案中板料的減薄情況，故還是將板料設(shè)計成圓環(huán)狀，其中內(nèi)徑的計算如下：其中r為圓角半徑，D為翻孔之后的直徑，t為板料厚度。代入數(shù)據(jù)，初略計算得d大約為90mm。其余參數(shù)和方案三保持不變。經(jīng)過設(shè)置之后提交分析得到如下結(jié)果：圖十九、方案四成形極限圖圖二十、厚度變化

16、通過分析結(jié)果可得，通過增加拉延筋之后，板料的成形效果得到了很大的改善，圓弧槽的底部和兩個側(cè)壁都顯示出很好的效果。但是在圓弧槽的內(nèi)側(cè)直壁的圓角部位，存在起皺的可能，所以還需要進一步的調(diào)整和優(yōu)化試驗參數(shù)。同時在圓弧槽的外側(cè)直壁圓角處，板料減薄到只有0.964mm，相對較薄，頁需要進行下一步優(yōu)化。5、方案五在該方案中，采用多組實驗來優(yōu)化實驗參數(shù)，以使得成形效果達到最好。主要優(yōu)化的工藝參數(shù)有：壓邊力、沖壓速度、拉延筋阻力。在方案4的基礎(chǔ)上，對實驗參數(shù)進行該進，通過以下幾組實驗，最后得到了最佳的實驗參數(shù)組合。實驗分組如下表所示：實驗組拉延筋阻力法向力百分數(shù)沖壓速度壓邊力1300N114.214N50%5

17、000mm/s20t218084.02N50%5000 mm/s20t3250N95.18N50%4000 mm/s20t4250N95.18N50%5000 mm/s18t5250N95.18N50%3000 mm/s20t6230N87.56N50%3000 mm/s20t7230N87.56N50%4000 mm/s20t8250N95.18N50%3000 mm/s17t9250N95.18N50%4000 mm/s17t上面的實驗分組從第1組依次向第8組進行，并利用分析出的結(jié)果中成形極限圖和制件厚度等值云圖來觀察制件的成形情況。實驗1的主要分析結(jié)果如下：圖二十一、成形極限圖圖二十二、

18、厚度變化通過結(jié)果可以判斷，該實驗中設(shè)置的拉延筋阻力太大，導(dǎo)致板料流動困難，拉深到終了階段，材料減薄嚴重。并且產(chǎn)生了破裂。所以在后面的實驗組中應(yīng)當適當減小拉延筋阻力。通過第2組實驗減小拉延筋的阻力作用，得到如下的結(jié)果。圖二十三、實驗2成形極限 圖二十四、實驗2厚度變化由圖可得，將拉延筋主力調(diào)節(jié)到180N之后，圓弧槽零件的內(nèi)側(cè)直壁處出現(xiàn)了嚴重的起皺，這將會影響制件的質(zhì)量。通過后面的39組實驗進行進一步優(yōu)化，最終第6、7、8、9實驗得到了相對較好的效果，其結(jié)果如下：圖二十五、實驗6 圖二十六、實驗7圖二十七、實驗8 圖二十八、實驗9從圖中可以看出，這幾組實驗所得到的結(jié)果中，大部分材料都是安全區(qū)，在沖

19、壓過程中不會產(chǎn)生缺陷，第7組和第9組實驗中，圓弧槽的內(nèi)側(cè)直壁底部有少部分區(qū)域存在起皺的可能。所以取第6組和第8組實驗作為備選方案。通過對比量這兩組的厚度等值云圖，發(fā)現(xiàn)實驗6的厚度分部相對較均勻，成形效果好。所以，最終確定第6組實驗為最佳實驗。此外，通過對比第6、7組或者8、9組發(fā)現(xiàn)，在沖壓速度為4000mm/s時，圓弧槽的內(nèi)側(cè)直壁底部會出現(xiàn)起皺趨向。但是當其他參數(shù)保持不變的情況下，減小沖壓速度可以有效的避免這種情況的發(fā)生。這個主要是因為，在沖壓過程中，沖壓速度過快，使得板料中的位錯來不及運動和擴散，這樣使得板料產(chǎn)生拉裂或者起皺等缺陷，但是過低的沖壓速度，將會使得生產(chǎn)效率降低。所以在實際生產(chǎn)中，

20、應(yīng)當在保證沖壓件質(zhì)量的前提下盡量提高沖壓速度。于是在方案六中，將對沖壓速度進行優(yōu)化。6、方案六：沖壓速度優(yōu)化在方案六中，通過兩組實驗對方案五中的實驗六的沖壓速度進行進一步優(yōu)化，以保證在沖壓件質(zhì)量滿足要求的前提下，得到較高的生產(chǎn)率。進行兩組實驗其參數(shù)分別如下表所示：實驗組拉延筋阻力法向力百分數(shù)沖壓速度壓邊力1230N87.56N50%3200 mm/s20t2230N87.56N50%3500 mm/s20t得到的結(jié)果如下：圖二十九、實驗2成極限 圖三十、實驗1減薄率圖三十一、實驗1成形極限 三十二、實驗2減薄率由圖二十九可得實驗2的內(nèi)側(cè)直壁底部有起皺的傾向，而實驗1的結(jié)果中，整個圓弧形槽的底部

21、全是安全區(qū)，起皺只發(fā)生在邊緣區(qū)，而邊緣區(qū)在沖壓加工之后會被切掉，所以對制件的質(zhì)量無影響。兩組實驗的成形極限圖如下：圖三十二、實驗1成形極限圖 圖三十三、實驗2成形極限圖將方案六的實驗1與方案五中的實驗6作比較，發(fā)現(xiàn)這兩組得到的結(jié)果幾乎一樣，板料減薄率也大致相同，而且都不超過板料厚度的20%，因而滿足制件的要求。但是，方案六中的實驗1沖壓速度更快，所以生產(chǎn)效率更高，在生產(chǎn)實踐中應(yīng)首選實驗1，即最終的成形參數(shù)選擇為實驗1所用成形參數(shù)。七、 制件加工過程及其他相關(guān)參數(shù)CAE1、坯料的加工和制備通過前面的模擬分析發(fā)現(xiàn)，坯料要比實際制件的展開尺寸大，這樣才能提供足夠的壓邊面積。有前面的計算和CAE實驗可

22、得，毛坯的形狀為圓環(huán)形，外徑為R外=240mm內(nèi)徑為R內(nèi)=90mm。搭邊值a、b均取2mm，利用dynaform得到的排樣圖如下：圖三十四、單排圖三十五、雙排通過dynaform排樣，得到主要的兩種排樣方法，其中單排材料利用率為77.62%，雙排的材料利用率為83.35%，在下料過程中，最小的沖裁力大約為54.27噸，板料按照4.5元每千克計算，得到雙排時的參數(shù)如下：圖三十六、雙排時的成本（單位為￥）具體采用哪種排樣方法應(yīng)根據(jù)具體情況而定。2、沖壓過程 通過1過程落料沖孔得到了由于沖壓圓弧平底槽的毛坯，這個過程對毛坯進行加工。主要參數(shù)設(shè)置如下表所示：拉延筋阻力法向力百分數(shù)沖壓速度壓邊力230N87.56N50%3200 mm/s20t圖三十七、模具設(shè)計示意圖 圖三十八、成形極限圖圖三十九、減薄率 圖四十、主應(yīng)變由圖三十八，三十九，四十可得，板料的成形效果較好，制件滿足尺寸要求。3、切邊和回彈過程模擬 坯料通過沖壓成形之后，由于板料的各向異性，使得制件的邊緣或者口部出現(xiàn)不平整的現(xiàn)象，還有對于在成形過程中的工藝余料都需要通過切邊的方式剪掉，以達到尺寸和使用的要求。通過dynafor