基于CADCAE的方盒件變壓邊力沖壓成形工藝設計

1、 海量機械畢業(yè)設計，請聯(lián)系Q99872184 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第I頁 共頁目 錄1 緒論11.1 引言11.2 方盒件變壓邊力沖壓成形的主要研究方向21.2.1 沖壓成形工藝21.2.2 變壓邊力21.2.3 板料沖壓成形CAE分析方法31.3 主要研究目標及內容41.4 論文的組織結構52 方盒件沖壓成形工藝理論分析72.1 方盒件成形的拉深成形原理72.2 方盒形件變形特點82.3 方盒形件主要拉深失效形式93 方盒形件成形過程的變壓邊力分析與研究123.1 臨界壓邊力影響因素分析123.2 板料成形安全區(qū)域研究143.3 變壓邊力中的控制曲線153.4 仿真與分析步驟154

2、基于CAD/CAE的方盒件變壓邊力沖壓成形仿真與建模174.1 DYNAFORM軟件概述174.2 基于CAD/CAE的方盒件模型建立184.3 方盒件沖壓工藝模擬與分析前處理194.4 方盒件沖壓工藝模擬與后處理分析214.5 不同壓邊力控制曲線仿真結果及分析224.6 同一壓邊力不同控制曲線結果分析294.7 小結32結束語33致謝34參考文獻35 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第37頁 共36頁1 緒論1.1 引言拉深是板料沖壓成形中的主要成形方式,在汽車、航空航天、石油化工等諸多等領域均有廣泛的應用。例如,汽車車身覆蓋件、大油罐等的成形均采用拉深工藝。然而,如何保證板料塑性成形零件的質量

3、,降低廢品率,減少模具的返工,縮短模具設計周期,一直是板料塑性成形領域的一大難點。板料成形過程包括了非常復雜的物理現(xiàn)象,涉及力學中的三大非線性問題:幾何非線性、物理非線形和邊界非線性1。因此,難以用傳統(tǒng)的彈塑性理論的解析法進行研究。利用傳統(tǒng)的方法進行沖壓件工藝分析時，為了避免材料成形過程中出現(xiàn)斷裂、起皺、頸縮等不良影響，必須反復修改成形加工的某些參數(shù)或修改模具形狀，使得工藝過程耗資大、產(chǎn)品開發(fā)周期長，已不能適應激烈的場競爭和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展要求。隨著計算機技術的迅速發(fā)展及有限元方法的成熟,特別是商用有限元軟件的不斷完善,促進了板料成形中數(shù)值模擬技術的發(fā)展。該技術減少了試模過程,縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期

4、,降低了成本，對提高制成品的制成質量提供了良好的保障。方盒形件廣泛應用于電子部件和汽車部件中，如電池盒、半導體盒和汽車反光鏡、汽車油箱等。在實際生產(chǎn)中拉深件多為非軸對稱形狀，而方盒形件是典型的非軸對稱形的拉深件，在方盒形件拉深過程中材料的變形較為復雜，因此以方盒形件為研究對象對拉深工藝作進一步的探討更具有實際意義2。傳統(tǒng)的壓力機在沖壓過程中壓邊力一般為恒定值，這制約了材料的成形性能，也影響了沖壓件的尺寸精度和穩(wěn)定性。為了獲得更好的成形質量，變壓邊力控制曲線對成形性能的影響和變壓邊力預測成為目前沖壓技術研究的關鍵技術之一。因此，選用非軸對稱件方盒件，借助CAE對不同類型壓邊力控制曲線的板料成型性

5、能的仿真，尋找合適的壓邊力控制曲線，將彈塑性力學理論和人工智能技術結合起來，提出預測板料拉伸過程中壓邊力控制曲線的辦法，大幅度減少設計和試驗的工作量，降低成本費用，提高板料的成形性能，最終奠定對復雜形狀沖壓件壓邊力的智能預測研究的基礎，對智能數(shù)控沖壓機床的研究和設計都具有重要的現(xiàn)實意義。本課題針對方盒件沖壓成形對壓邊力控制的要求，采用變壓邊力方式，首先選取了簡單的非軸對稱件方盒形件作為研究起點，借助CAD/CAE手段通過對不同類型壓邊力控制曲線的板料成形性能仿真，尋找合適的壓邊力控制曲線，探討方盒件沖壓成形工藝。1.2 方盒件變壓邊力沖壓成形的主要研究方向盒形件是金屬薄板拉深成形中較為典型的沖

6、壓件，其變形規(guī)律具有一定的典型性，研究這類件的成形規(guī)律，不僅對這類件成形工藝參數(shù)和工藝步驟的確定是至關重要的，同時也是進一步認識復雜件成形規(guī)律的基礎。因此國內外對此展開了大量的研究。主要集中在沖壓成形工藝、變壓邊力和板料沖壓成形CAE分析方法等方向上。1.2.1 沖壓成形工藝板料成形加工是金屬加工的一種重要工藝方法，它不僅生產(chǎn)效率高、原材料消耗少，而且可以有效地改善金屬材料的力學性能和組織，因而在國民經(jīng)濟中得到了極為廣泛的應用，特別是在航空、宇航、汽車、造船、電器、五金等工業(yè)部門。板料沖壓成形的方式有很多，通?？捎盟姆N基本變形方式來認識，即膨脹、拉延、伸長類翻邊以及彎曲變形板料沖壓成形的方式有

7、很多，通?？捎盟姆N基本變形方式來認識，即膨脹、拉延、伸長類翻邊以及彎曲變形3。一般來說，板料成形性能依賴于壓力、拉力、拉伸速率、溫度這些與金屬抗伸長斷裂有關的因素，金屬材料的尺寸、形狀、第二相微粒的分布狀況等對其性能影響也很大4。沖壓是一種高效率的生產(chǎn)方式，適用于大批量的生產(chǎn)，其材料的成本占生產(chǎn)成本的60%80%，材料利用率的高低主要取決于排樣方案的優(yōu)劣。根據(jù)不同的加工工藝與加工方式，有普通單排、普通雙排、對頭單排、雙頭雙排4種排樣方式可供選擇。在金屬材料成形中，材料的成形過程受到材料的參數(shù)，工藝參數(shù)，材料尺寸等諸多因素的影響，其中材料參數(shù)主要包括材料的抗疲勞強度，屈順強度，應變硬化指數(shù)，各向

8、異性指數(shù)等。工藝方面參數(shù)主要是指沖壓速度，壓邊力的大小和分布，成形潤滑情況等等5,6。1.2.2 變壓邊力變壓邊力技術研究的關鍵在于：如何在保證成形質量前提下改善材料的成形極限。變壓邊力可以分為隨時間變化的變壓邊力、隨位置變化的變壓邊力、隨時間和位置綜合變化的變壓邊力。(1)隨時間變化的變壓邊力對成形性能的影響：隨時間變化的變化的變壓邊力是指在薄板成形過程中，在壓邊圈采用整體壓邊圈的前提下，壓邊力僅隨凸模行程變化的變壓邊力，采用這種壓邊力可以有效改善材料的成形性能。意大利的巴勒莫大學的L.Fratini和F.Micari進行了大量的模擬和實驗，對不同材料和拉深比的軸對稱件在不同壓邊力變化方式下

9、進行成形性能研究，得出選擇恰當?shù)臐u增的壓邊力變化方式可以使拉深深度最大的結論。新加坡的S.Thiruvarudchelvan以鋁板、銅板杯形件拉深為例，分析了壓邊力與沖壓力成正比（約34）拉深過程，在實驗的基礎上得出采用變壓邊力形式將有利于提高圓筒形件的成形質量，降低了拉延開始時的拉裂危險性，消除起皺時所用的最大壓邊力比采用恒壓邊力所需最大壓邊力要小，并且杯壁部分的減薄量小于恒定壓邊力作用時的減薄量。Ahmetoglu等人對漸減式壓邊力曲線進行了進一步的實驗研究，實驗和有限元分析的結果表明，從較大的壓邊力逐步減少到僅能消除起皺的恒定壓邊力的變化曲線能顯著減小法蘭起皺的高度，并且可以避免較大的恒

10、定壓邊力所造成的斷裂。(2)隨位置變化的變壓邊力對成形性能的影響：隨位置變化的變壓邊力是指在薄板成形過程中,在沖壓件的法蘭區(qū)不同位置施加大小不同但恒定的壓邊力，采用這種變壓邊力控制技術,不僅可以提高薄板的成形性能,減少和消除成形過程中起皺和斷裂等缺陷,而且能提高沖壓件的尺寸精度和沖壓過程的穩(wěn)定性。(3)隨時間和位置綜合變化的變壓邊力對成形性能的影響：隨時間和位置綜合變化的變壓邊力是指在薄板成形過程中,在沖壓件的不同位置施加大小不同的壓邊力。這種變壓邊力技術是綜合隨時間變化的變壓邊力技術和隨位置變化的變壓邊力技術，其更能提升材料成形性能。特別是對非對稱件，這種變壓邊力更能改善材料的成形極限和質量

11、。目前,國內外對變壓邊力改善板料成形性能的內在機理仍不夠十分了解，研究結果不能直接用于指導實際生產(chǎn)，同時，最佳變壓邊力的確定仍依賴于手工“試錯”，并且缺乏有效的確定最佳變壓邊力優(yōu)化設計方法。研究發(fā)現(xiàn)，通過數(shù)值模擬與正交優(yōu)化的有效結合，對方盒件成形進行研究也表明了正交設計優(yōu)化方法對于方盒件沖壓成形參數(shù)的優(yōu)化是一種有效可行的途徑。在沖壓成形過程中，壓邊力的大小是影響沖壓件起皺和破裂是否出現(xiàn)的主要因素7,8。適當?shù)目刂茐哼吜υ诶罴庸ぶ械臄?shù)值，能夠更好的控制制品成形的質量。1.2.3 板料沖壓成形CAE分析方法板料成形數(shù)值模擬技術涉及到塑性力學、有限變形理論、有限元理論、板殼理論、計算數(shù)學、計算機輔

12、助設計、計算機圖形學和可視化技術等多方面的理論和技術。一般來說，一個成功的金屬板料沖壓成形CAE系統(tǒng)從功能上講都是由前置處理、有限元求解器和后置處理三部分組成9。板料成形CAE分析的一般過程為前處理(網(wǎng)格劃分、定義約束條件、施加條件和邊界條件等)，求解(數(shù)值計算) 和后處理分析結果(應力、應變、材料厚度分布、能量等歷史曲線、云圖及動畫、切取截面顯示、回彈、FLD 圖等)。金屬板料沖壓成形CAE技術主要是通過對結果的分析，使產(chǎn)品設計、模具結構更合理、工藝參數(shù)更滿足要求。板料成形CAE分析的一般步驟如圖1.1 所示。DYNAFORM是目前最常使用的CAE軟件。DYNAFORM的主要功能包括分析拉伸

13、、成形、回彈、翻邊、切邊等板料成形過程中的不同工序，也可以進行多步成形（或多工序加工）分析10。通過用戶已定義好的沖壓工藝及模具曲面形狀來預測成形狀態(tài)，其中包括減薄拉裂、起皺、回彈等各種問題，同時可以對成形力、壓邊力、拉延筋、模具磨損等各種工藝問題進行分析，以便優(yōu)化工藝和模具設計。對于容易出現(xiàn)局部開裂的現(xiàn)象，擬定利用DYNAFORM在計算機上基于實際的邊界條件進行數(shù)值模擬計算，驗證和優(yōu)化工藝參數(shù)。圖1.1 板料成形CAE分析的一般步驟1.3 主要研究目標及內容本項課題以非軸對稱件方盒形件為研究對象。通過對簡單的方盒件進行有限元數(shù)值模擬。了解板料在拉深成形過程中沖壓成形狀況。通過比較幾種不同情況

14、下沖壓成形效果較好的一種。并進一步通過變壓邊力法來優(yōu)化其成形工藝。本課題的主要內容歸納如下：（1）分析國內外的研究現(xiàn)狀，確定本課題的研究內容；（2）分析方盒形件拉深過程中所產(chǎn)生的缺陷，確定影響成形質量的因素，并初步提解決方案；（3）介紹板料成形的有限元數(shù)值模擬基本理論及 Dynaform軟件的數(shù)值模擬過程，確定研究方盒件成形工藝的具體仿真實驗方案；（4）選擇板料及模具的參數(shù)，使用Pro/E建立CAD模型，Dynaform建立沖壓模具、壓邊圈、板料的有限元模型，建立方盒件模型，選定合適的試驗參數(shù)11,12；（5）采用不同的壓邊力對方盒件來沖壓成形性能進行比較，得出較優(yōu)解。 本論文將對仿真模型進行

15、以下分析：（1）拉深過程施加不同的壓邊力，找出壓邊力對成形質量的影響特點，從而確定合適的壓邊力大??；（2）修改變壓邊力中控制曲線，分析不同壓邊力下同一加載方式的不同沖壓成形效果；（3）在已尋找到的合適壓邊力下，分析同一壓邊力下6種不同加載方式的不同沖壓成形效果，最后確定較好的加載方式。1.4 論文的組織結構本文以板料拉深成形中比較有代表意義的方盒形件為主要研究對象，基于CAD/CAE的方盒件變壓邊力沖壓成形工藝研究使用板料成形模擬仿真專用軟件包DYNAFORM對方盒形件進行仿真和分析，獲取合適的壓邊力控制曲線，并尋找方盒形件成形的合適的壓邊力和合適的壓邊力下最佳的加載方式。全文分為五章，各章內

16、容如下：第1章：簡要介紹了課題研究的背景和意義，分析了目前方盒形件變壓邊力沖壓成形相關技術的主要研究方向，確立了課題的研究內容和目標，闡述了論文的結構安排。第2章：分析方盒形件拉深過程的變形特點，并簡要分析了板料拉深成形失效形式。第3章：介紹了方盒形件成形過程的壓邊力分析與研究的理論和方法，對方盒形件成形時破裂和起皺壓邊力理論進行了研究，分析了影響板料臨界壓邊力的因素，并討論了板料成形的安全區(qū)域。在板料成形安全區(qū)域，使用變壓邊力技術，且在變壓邊力過程中加載不同的控制曲線，以控制施加在壓邊圈上不同部位壓邊力的大小并簡要列出6種不同變壓邊力的加載方式。最后給出了方盒形件成形過程的具體研究方法及步驟

17、。第4章：基于CAD/CAE的方盒件變壓邊力沖壓成形進行工藝研究，使用模擬仿真專用軟件DYNAFORM對6種不同形式的壓邊力曲線控制下的方盒形件成形過程進行了仿真分析，確定了合適的壓邊力并在較優(yōu)的成形效果下尋找控制曲線中較好的加載方式。最后簡要總結了本課題研究所取得的成果與不足，并對今后的工作進行展望。2 方盒件沖壓成形工藝理論分析板料拉深是在模具的作用下，板平面內產(chǎn)生切向壓應力和徑向拉應力，坯料通過拉深凹模向直壁流動，使板料成形為空心零件，或淺的空心毛坯成形為更深的空心零件的沖壓工序13,14。拉深變形總是與彎曲的脹形等其他方式的變形同時發(fā)生。因此需要從方盒形件的拉深成形工藝著手，了解其主要

18、成形缺陷機理以及板料成形失效中破裂和起皺的評價標準從而尋找到合適的壓邊力變化的規(guī)律和范圍15。2.1 方盒件成形的拉深成形原理方盒形件拉深成形是屬于盒形件一種基本的拉深成形方式。如圖2.1所示，寬度為L的板料在沖壓力、壓邊力和圓角半徑為的凸模、圓角半徑為、轉角半徑為、截面寬度為B的凹模共同作用下，被拉入凸模和凹模之間的間隙里，成為開口的方盒形件。方盒形件上高度為h的直壁部分是由毛坯的法蘭區(qū)部分轉化而成的。圖2.1 方盒形件拉深原理方盒形件可以看作由直邊部分及圓角部分組成。方盒形件拉深變形時，圓角部分近似圓筒形件的拉深，直邊部分近似板料彎曲。因此方盒形件的拉深成形是圓角部分拉深、直邊部分彎曲兩種

19、方式的組合16。但是，方盒形件的圓角及直邊是聯(lián)系在一起的整體，因而變形時必然又相互的作用及影響，以至圓角不是簡單的圓筒件拉深，直邊部分不是單純的平板彎曲。在直邊部分橫向間距縮小，愈靠角部縮小愈多；縱向間距增大，愈靠盒形轉角處增大愈大。這是由于在拉深時，圓角部分的材料要向直邊部分流動，使直邊部分材料受壓。其結果使橫向間距變小，縱向間距變大，愈近角部變化愈大。圓角部分并不是單純的彎曲變形。由于圓角部分的材料要向直邊部分流動，因而直邊部分也增加了橫向壓縮、縱向伸長的變形。而圓角部分，由于直邊區(qū)存在金屬的流動，使得圓角部分的變形程度大為減小17,18。2.2 方盒形件變形特點因此，盒形件得變形特點可歸

20、納為以下幾點：（1）盒形件拉深時，角部變形基本上與圓筒形件拉深變形相似，只是由于金屬向直邊流動，使得徑向應力在角部的分布是不均勻的，拉應力在圓角中間處最大，直邊中間處最小，而且平均拉應力比相應圓筒形件的拉應力小的多，于是減小了危險斷面的載荷，不易被拉斷，故盒形件的成形極限較高。（2）拉深時，壓應力的分布也如同分布不均勻，在圓角中間處最大，直邊中間處最小，如果直邊較長，中間部分近似為零。（3）盒形件的最大拉應力和最大壓應力均出現(xiàn)在角部。因而破裂、起皺等現(xiàn)象也多在角部發(fā)生。在遠離角部的直邊部分一般不會產(chǎn)生起皺19,20。（4）由于變形速度的不一樣，從而導致應力分布不均勻。因此在方盒形件的圓角區(qū)和直

21、邊區(qū)的過渡區(qū)域，存在剪切應力。在過渡區(qū)域的中間處剪切應力最大，然后向兩邊逐漸減小。由此可見，毛坯的變形主要集中在凹模表面的凸緣上，拉深的過程就是使凸緣部分逐漸收縮，轉化為方盒形件壁的過程。拉深過程中凸模圓角以上的材料為主要變形區(qū)，而底部通常是不參加變形的不變形區(qū)。盒形件拉深時，不僅在直邊部分的凹模圓角處產(chǎn)生彎曲變形，而且在法蘭區(qū)產(chǎn)生切向收縮、徑向伸長的變形與圓角區(qū)的變形性質基本相同。通過分析盒形件成形機理指出，盒形件變形時，變形區(qū)圓角處與直邊處的金屬由于位移不同而誘發(fā)的剪應力能降低圓角處傳力區(qū)的軸向拉應力；由于變形區(qū)直邊處產(chǎn)生拉深變形，使圓角處變形區(qū)的變形抗力得到降低。方盒形件是一種非軸對稱的

22、零件，它的筒壁是由直邊部分與圓角部分構成。拉深變形時，應力、應變在變形區(qū)內沿周邊的分布很不均勻，而且隨著零件的幾何參數(shù)、毛坯形狀以及拉深條件的變化，其不均勻程度也會變化21,22。此外還有板材本身的各向異性等，這些構成了盒形件拉深的一系列特點，也是盒形件拉深的難點所在。因此，人們對于盒形件的成形機理，缺陷的分析，成形極限和材料各向異向性對拉深的影響等作了大量的研究。由于盒形件形狀的非軸對稱性和自身結構的復雜性，決定了盒形件成形時不同于圓筒形件最大特點就是不均勻性，這種不均勻性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）受力分布不均勻性盒形件拉深變形過程中，在法蘭變形區(qū)，圓周部分的正應力沿切向和徑向的分布、直

23、邊部分正應力沿橫向和縱向的分布都是不均勻的。在已變形的直壁部分，直邊區(qū)和圓周區(qū)所承受的單位載荷也是不同的。（2）變形分布不均勻性盒形件成形過程中變形主要在法蘭區(qū)進行，而沖頭的底部材料基本不變形或有少量的脹形部分。研究表明:法蘭區(qū)平面內圓周區(qū)和直邊區(qū)的變形程度是不同的，圓周區(qū)的變形程度大于直邊區(qū)。（3）變形速度不均勻性盒形件拉深成形時，直邊部分的流動速度大于圓周部分的流動速度。但是，直邊區(qū)和圓周區(qū)是一連續(xù)的整體，因而其位移速度場的分布也是連續(xù)的23，不存在間斷點，兩區(qū)之間也不存在明確的分界線。2.3 方盒形件主要拉深失效形式由于盒形件的成形情況較為復雜，既包括圓角部分的圓筒形拉深,又存在直邊上的

24、彎曲和拉延,加之盒形件的應力應變狀態(tài)也很難分析,所以它的成形工藝設計和控制變形非常困難，其成形過程常常產(chǎn)生許多缺陷，如起皺、拉裂、回彈、內凹、彈復補償不當、滑痕、形狀歪扭等。方盒形件在拉深時的主要失效形式有破裂、起皺、回彈、內凹等。（1）起皺所謂起皺是指在原為光滑的平面或曲面上出現(xiàn)褶皺的現(xiàn)象。在板料沖壓成形時，為了使板料產(chǎn)生塑性變形，模具要對板料施加一定的外力，在板料內部產(chǎn)生復雜的應力狀態(tài)。由于板厚方向尺寸與其他兩個方向的尺寸相比很小很小，因此變形過程中厚度方向是不穩(wěn)定的。故當外力在板平面內引起的壓應力使板厚方向達到失穩(wěn)極限時便產(chǎn)生失穩(wěn)起皺。起皺是板料拉深成形中的一種有害現(xiàn)象，輕微的起皺會影響

25、產(chǎn)品的形狀精度、尺寸精度以及表面質量等，而嚴重的起皺可能會妨礙和阻止加工過程的順利進行。因此，對起皺問題進行研究，深入了解其產(chǎn)生機理，科學地掌握其發(fā)生的規(guī)律，對板料成形技術的進步具有十分重要的意義。在板料沖壓過程中產(chǎn)生的起皺是多種多樣的，大致可以分為壓縮力、剪切力、不均勻拉深力以及平面內彎曲力等四類。方盒件成形過程中，一般會在法蘭區(qū)、壁部、過度區(qū)以及凸模頭部部分產(chǎn)生皺褶。法蘭區(qū)的皺褶也是其它部位產(chǎn)生皺褶的原因。法蘭區(qū)的皺褶是由于料在成形過程中受到切向壓應力和徑向拉應力的作用，板料開始順著凹?？诘姆ň€方向凹模腔延伸，法蘭隨著收縮變小，應力發(fā)生變化，多余的板料則相互擠壓，切應力過大，引起法蘭失穩(wěn)，

26、產(chǎn)生皺褶。盒形件圓周處垂直壁上產(chǎn)生褶皺的原因是在于法蘭上先發(fā)生皺褶引起的，或是拉深凹模圓角的磨損。在凸模底面上出現(xiàn)的皺褶是因板料在型腔內被凸模頭部與凹模底部所壓形成再拉深狀態(tài)。沖程結束后，在凸模面及凸模肩的拐角處產(chǎn)生皺褶，是因為拐角處的材料在拉深過程中變薄，多余的材料相互擠壓產(chǎn)生應力所致。圖2.2 板料起皺類型（2）破裂破裂是拉深失穩(wěn)在薄板沖壓成形中的主要表現(xiàn)之一。在以拉為主的變形方式中，板料往往過度變薄甚至拉斷，這種現(xiàn)象實質上和起皺一樣，也是變形不能穩(wěn)定進行的結果。不同的是，拉伸失穩(wěn)只可能發(fā)生在材料的塑性變形階段。（a）底裂也稱為拉深破裂，多出現(xiàn)在沖頭底部的圓角區(qū)，嚴重時直邊部分也會出現(xiàn)，如

27、圖2.3 a所示，這種破裂首先發(fā)生在底角圓弧與直壁相接的過渡區(qū)，其原因是這個部位在變形過程中發(fā)生兩次彎曲，變形程度較大，材料變薄嚴重，當變形力超過其承載能力時，就產(chǎn)生破裂，多在最大變形力出現(xiàn)之前。（b）壁裂發(fā)生在筒壁的圓周和直邊區(qū)。一般有V型壁裂和橫向壁裂兩種情況。 V型壁裂，是一種比較常見的破裂。多發(fā)生在直壁圓角靠近凹模肩部的地方(圖2.3 c)，一般呈“V”型，無論變形力是否達到最大力，都可能產(chǎn)生這種破裂。關于這種破裂機理的基本觀點是:法蘭變形區(qū)金屬流動不均勻8，圓周部分變形程度大，硬化嚴重；圓周部分材料增厚，壓邊力集中于此，形成直壁承載時的應力集中；凹模圓角處金屬材料經(jīng)歷了強烈的縱向彎曲

28、、反彎曲和橫向彎曲，金屬嚴重變薄，致使破裂。圖2.3 常見的幾中不同破裂情況（c）橫向壁裂發(fā)生在盒形件直壁區(qū)直邊上的橫向裂紋。多發(fā)生在尺寸比較大的盒形件，特別是有拉深筋或在凹模肩部受到脹形及反復彎曲的直壁部位更容易發(fā)生。一般觀點認為橫向壁裂的原因主要有：拉深深度過大、凹模圓角半徑過小、壓邊力過大及拉深筋的存在、潤滑條件不好等。（3）回彈在板料成形結束階段，隨著變形力的釋放或消失，成形過程中存儲的彈性變形能要釋放出來，引發(fā)內應力重組，進而導致零件整體形狀改變，這種現(xiàn)象稱為回彈。產(chǎn)生回彈的原因主要由兩個：一是因為當板料內外緣表面纖維進入塑性狀態(tài)，而板料中心仍處在彈性狀態(tài)，這時當凸模上升去除外載后板

29、料產(chǎn)生彈性回跳；二是金屬塑性變形時總是伴有彈性變形，所以板料彎曲時，即使內外層纖維全部進入塑性狀態(tài)，當凸模上升去處外力后，彈性變形消失，也會出現(xiàn)彈性回彈?；貜検前辶铣尚沃胁豢杀苊獾默F(xiàn)象，它的存在影響零件成形精度，增加試、修模以及成形后校形的工作量，故在生產(chǎn)實際中迫切需要采取行之有效的措施。零件的最后回彈是整個成形歷史的累積效應，而板料成形過程中與模具幾何形狀、材料特性、摩擦接觸等諸多因素密切相關，所以板料成形的回彈問題非常復雜。3 方盒形件成形過程的變壓邊力分析與研究在沖壓成形過程中，壓邊力（簡稱BHF）主要用于產(chǎn)生摩擦阻力，以增加板料中的拉應力，控制材料流動，使拉深過程中不起皺或不破裂。若壓

30、邊力過小，會產(chǎn)生起皺現(xiàn)象；壓邊力過大，則會使板料產(chǎn)生破裂現(xiàn)象。故壓邊力的大小是影響沖壓件起皺和破裂是否出現(xiàn)的主要因素。變壓邊力技術研究的關鍵在于：如何在保證成形質量前提下改善材料的成形極限。由于工作條件的差異、仿真軟件的差異、仿真模型建立的差異、起皺區(qū)域的劃分、摩擦條件的不確定性等因素，導致合適的壓邊力曲線還沒有明確的結論。因而，進一步從理論上解析板料拉深成形過程，并結合實際生產(chǎn)研究出最有利于提高板料成形性能的壓邊力曲線是很有必要的。3.1 臨界壓邊力影響因素分析從理論上講，板料起皺和斷裂的臨界壓邊力并不是唯一的。下面就在前面方盒形件破裂和起皺的臨界壓邊力理論推導的基礎上具體分析模具幾何形狀、

31、板料厚度、毛坯寬度L、摩擦系數(shù)、厚向異性指數(shù)、強度系數(shù)K、應變強化指數(shù)n、材料強度、材料屈服極限等因素對方盒形件成形質量的影響24。（1）模具的幾何形狀凸模圓角半徑和凹模圓角半徑主要影響破裂臨界壓邊力曲線，對起皺臨界壓邊力曲線影響比較小。不難想象，較大的凸模和凹模圓角有利于增大成形安全區(qū)域，凹模圓角半徑對破裂臨界壓邊力的影響大于凸模圓角對破裂臨界壓邊力的影響。其中凸模圓角半徑過小，成形阻力大，凸模圓角半徑過大，容易造成板料沖壓時，底部材料的破裂。同時合理的轉角半徑，對于提高成形質量也是有很大影響，如果轉角半徑過小，板料很容易發(fā)生破裂。同時凹模截面尺寸B，對于拉深成形也有很大的影響，凹模截面尺寸

32、越小，材料越不容易進入模腔，材料容易發(fā)生起皺。（2）板料厚度板料的厚度越大，起皺臨界壓邊力越大。當板料的厚度增加時，材料越不容易產(chǎn)生破裂失效，故其破裂臨界壓邊力也增加。但是厚度較大會引起沖壓過程中板料的內凹，經(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn)在=1.8mm時，材料易發(fā)生內凹。圖3.1 板料厚度對成形影響（3）毛坯外形尺寸L合理的毛坯外形不僅可以減小加工用料，而且能減少甚至免除后續(xù)的修邊工序，大大降低了生產(chǎn)成本。另一方面，合理的毛坯外形能改善成形過程中材料變形，減輕局部變薄，因而有利于提高產(chǎn)品質量。（4）摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)的大小對拉深成形過程的影響具有兩面性。從減少板料在拉深過程中的摩擦損耗，減少方盒形件壁傳力區(qū)的負擔

33、來講，凹模與壓邊圈和板料接觸的工作表面應比較光滑，盡量減小摩擦系數(shù)，有利于改善盒形件金屬流動條件，有利于材料的拉深成形。另一方面，凸模與方盒形件壁之間的摩擦可以增大拉深能力。根據(jù)前面的結論可知，隨著摩擦系數(shù)的增大，破裂臨界壓邊力減小。當摩擦系數(shù)增大時，則有板料法蘭變形區(qū)的徑向拉應力增大，相應地切向拉應力減小。因而增大時，拉深中的起皺臨界壓邊力則減小，有利于降低起皺的可能性。（5）厚向異性指數(shù)由于板料在生產(chǎn)過程中要經(jīng)歷軋制與退火等工藝，使得板料塑性在各個方向上存在一定的差異，即板料的塑性各向異性。厚向異性指數(shù)反映了板料在板平面方向和厚度方向上由于各向異性而引起應變能力不一致的情況。反映了板料在板

34、平面內承受拉力或壓力時抵抗變薄或變厚的能力。值越大，表示板料在寬度方向上易于產(chǎn)生變形，可以減少起皺的可能性；在拉應力作用下，值越大，板料在受拉處不易變薄，可以減少被拉裂的可能性。當r值增大時，破裂臨界壓邊力也增大，而起皺臨界壓邊力幾乎不受r值的影響，因此安全區(qū)域隨著厚向異性指數(shù)r值的增大而增大。（6）強度系數(shù)K強度系數(shù)K表示材料的強度性能，其數(shù)值取決于材料的種類。當K值增大時，起皺臨界壓邊力增大，由前面的分析可知，破裂失效時的極限載荷隨著K值增加而增加，故破裂臨界壓邊力也增加。（7）應變強化指數(shù)n應變強化指數(shù)n值也稱為加工硬化指數(shù)或硬化系數(shù)，它表示板料在冷變形過程中材料的變形抗力(強度)隨變形

35、程度增大而增加的性質。n值越大的材料，在相同的變形程度下，應力增加得越多。故加工硬化越強的材料在拉深過程中越不容易產(chǎn)生細頸，因而危險斷面的變薄甚至拉斷現(xiàn)象也就可以相應的延遲很多。因而可想而知，破裂臨界壓邊力隨n值的增大而增大，而隨著n值的增大，起皺臨界壓邊力減小25。所以安全區(qū)域隨著應變強化指數(shù)n值的增大而增大。（8）材料的強度由前面的分析可知，當材料強度增大時，破裂臨界壓邊力增大，而其對起皺臨界壓邊力影響不大。（9）屈服極限屈服極限越小，材料越容易發(fā)生塑性變形，材料在拉深成形時所需要的拉深力就越小。（10）成形速度和溫度成形速度、溫度對板料成形性能的影響因成形方式及材料而異。3.2 板料成形

36、安全區(qū)域研究傳統(tǒng)壓力機壓邊力一般都是恒定值，不隨凸模行程而變化，從而制約了板料的成形性能，同時也影響了沖壓件的質量。實際上在拉深過程中，毛坯發(fā)生斷裂和起皺失效的趨勢在不同的階段是不同的，合理的壓邊力的取值范圍應該是由凸模行程內的起皺極限曲線和斷裂極限曲線所圍成的區(qū)域所決定的26。該區(qū)域即是板料成形的“安全區(qū)域”如圖3.2所示。安全區(qū)域的形狀是受模具的幾何參數(shù)、板料的力學性能以及工藝參數(shù)等多種因素影響的，合理的壓邊力變化曲線必須考慮這些因素。圖3.2 板料成形安全區(qū)域3.3 變壓邊力中的控制曲線在安全區(qū)域確定的情況下，壓邊力控制曲線的形式對成形極限的影響可以通過施加恒定壓邊力控制曲線、漸減壓邊力

37、控制曲線、漸增壓邊力控制曲線等多種壓邊力控制曲線得以體現(xiàn)。凸模行程/mm壓邊力KN1234651-漸增 2-漸減 3-先增后增減型 4-先減后增型 5-恒定型 6-先增恒定后減型此處刪減NNNNNNNNNNNNNNNN字 需要整套設計請聯(lián)系q：99872184。圖3.3 壓邊力加載模式 雖然在板料成形安全區(qū)域中可以采用多種壓邊力控制曲線，但是哪一種壓邊力曲線更能提高成性極限和成形質量，這是需要通過具體仿真分析的方法確定合適的壓邊力控制曲線。3.4 仿真與分析步驟為了板料制備簡便也為了便于比較，本課題采用比較具有典型性的方盒件作為研究對象，從板料拉深成形過程的力學變形特點出發(fā)，并用板料成形模擬仿

38、真專用軟件包DYNAFORM對方盒形件進行仿真和分析，獲取合適的壓邊力控制曲線，并對方盒形件拉深成形最佳壓邊力控制曲線進行實驗，以尋求合適的的加載方式。（1）首先，使用Pro/E建立方盒件模型，對生成的實體模型單擊文件，保存副本，文件類型選擇*igs格式。（2）導入DYNAFORM，對模型進行單元網(wǎng)格化處理。定義板料的材料與屬性，模具間距。（3）定義凸模的運動和壓邊力，對模型進行有限元計算，后處理。（4）分析成形極限圖（FLD），并截下FLD圖，回到前處理，重新定義壓邊力載荷曲線作用力取值范圍為100KN300KN。找出沖壓成型效果合適的的壓邊力。（5）在合適的的壓邊力下，按照6種不同的加載方

39、式（漸增，漸減，先增后減，先減后增，恒定，先增恒定后減）修改加載控制曲線，然后仿真分析、后處理。比較應力圖、應變圖、薄厚圖，找出最佳的加載方式。4 基于CAD/CAE的方盒件變壓邊力沖壓成形仿真與建模方盒形件是薄板金屬沖壓中較難成形的一類零件，并且在其成形過程中的變形特點具有一定的典型意義，因此很有必要對其進行數(shù)值模擬。在方盒形件拉深成形過程中，板材不同部位的受力狀態(tài)、變形方式以及變形性質存在較大差異27，材料的性能參數(shù)、模具幾何參數(shù)和壓邊力等因素，都影響著方盒形件的成形規(guī)律和拉深性能。本章應用 DYNAFORM有限元軟件，方盒件變壓邊力采用動力顯式算法模擬了方盒形件拉深成形過程，基于CAD/

40、CAE進行沖壓成形工藝研究。4.1 DYNAFORM軟件概述計算機技術的飛速發(fā)展和有限元技術的日趨成熟，采用CAE仿真分析金屬在塑性成形過程中的變形規(guī)律在實際生產(chǎn)中得到了越來越廣泛的應用。CAE技術的成功應用不僅大大縮短了模具和新產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了成本，提高了企業(yè)的市場競爭力，而且還有利于有限元分析法和傳統(tǒng)的實驗方法相結合，從而推動現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展。本文采用了DYNAFORM來對方盒形件拉深過程仿真研究，DYNAFORM作為一款專用的板料成形軟件，能夠模擬壓邊、拉深、翻邊、彎曲、多工步成形等工藝，可以預測成形過程中板料的破裂、起皺、減薄、劃痕、回彈，評估板料的成形性能。通過對這幾個比較

41、流行的軟件進行對比，發(fā)現(xiàn)DYNAFORM無論在易操作性、前處理、后處理、模擬的準確度都具有很大的優(yōu)勢。與其他的有限元分析軟件相比，DYNAFROM軟件有如下幾個方面的技術特點：（1）DYNAFORM具有功能豐富的前處理器。它具有強大的圖形文件導入功能，能夠方便而無數(shù)據(jù)丟失地讀入IGES格式文件以及UG、Pro-E、Catia等主流CAD軟件的圖形文件，同時用戶也可以在DYNAFORM中很方便地創(chuàng)建點、線、面等幾何模型。（2）DYNAFORM的求解器采用了業(yè)界非常著名的非線性動力顯式有限元軟件Ls-dyna。Ls-dyna是采用顯隱結合的算法進行板料成形模擬的最具有代表性的軟件，計算穩(wěn)定，效率高

42、，模擬結果準確性很好。雖然Ls-dyna也能夠進行仿真，但是其材料庫相對DYNAFORM而言就有一些欠缺，軟件的易操作性也較差。（3）DYNAFORM具有強大的后處理功能。eta-Post是ETA公司開發(fā)的一款專門針對DYNAFORM的后處理軟件，它可以方便用戶直觀地得到求解結果。在eta-Post中新增加的GRAPH模塊中，用戶可以利用曲線圖表功能來顯示拉深過程中各種參數(shù)隨時間變化的曲線。（4）支持從個人機、工作站到巨型機的所有硬件平臺。可兼容個人機、工作站、大型機及巨型機等硬件平臺上的全部數(shù)據(jù)文件。在個人機、工作站、大型機及巨型機等硬件平臺上具有統(tǒng)一的用戶界面。可與大多數(shù)的 CAD 軟件集

43、成并有接口。具有智能網(wǎng)格劃分。良好的用戶開發(fā)環(huán)境。4.2 基于CAD/CAE的方盒件模型建立方盒形件成形應考慮到?jīng)_壓件受工件幾何參數(shù)、模具幾何參數(shù)、材料性能、摩擦系數(shù)、材料厚度、沖壓力、拉深極限、變壓邊力等因素的影響，因此要獲得良好的實驗效果，首先應建立合理工藝模型，步驟如圖4.1：圖4.1 方盒件建模流程圖（1）確定方盒形件的尺寸在PRO/E中建立凸模、凹模、板料的模型，在草繪狀態(tài)下繪制凸模、凹模、板料的尺寸。對于凸模和凹模草繪后進行拉深，拉深深度為20mm；對板料草繪后填充。（2）根據(jù)工件尺寸利用Pro-e建立方盒形件的*.igs格式文件對生成的實體模型單擊文件，保存副本，文件類型選擇*i

44、gs，單擊確定，在輸出IGES窗口，選取曲面，坐標缺省，單擊確定。這樣就能把相應的模型轉換為*igs文件，供Dynaform調用。同時將相應的實體模型保存以便在后面改變模具參數(shù)重新建模所用。4.3 方盒件沖壓工藝模擬與分析前處理（1）將*.igs數(shù)據(jù)導入DYNAFORM并對模型進行單元網(wǎng)格化處理。打開Dynaform軟件，單擊file，選擇input項，找到剛才保存的*igs文件，依次將凸模、板料、凹模導入，凹模導入兩次，因為要將其中一個凹模文件做成壓邊圈。單擊Parts，選擇Edit，在Edit part窗口為導入文件重新命名。單擊Preprocess（前處理），選擇surface對導入的模

45、型進行處理，刪除不必要的表面，在Surface窗口選擇，在selectByCursor選擇，然后在窗口中選中不需要的表面，單擊OK即可。單元網(wǎng)格化處理，單擊Preprocess（前處理），選擇Element，選中，相應的單元的參數(shù)設置如下圖，Max.Size為30.000，Min.Size為0.5，Chordal Dev為0.150，Angle為20.000,Gap tol為2.500，Ignore Hole Size為0.000。然后點擊Select Surfaces，點擊，分別對凸模、凹模、壓邊圈進行網(wǎng)格化。對如板料的網(wǎng)格化Tools，選擇Blank Generator，單擊SURFACE

46、，選中板料，在Mesh Size窗口，Tool Radius為1.750000，單擊確定，板料單元網(wǎng)格化完成。 圖4.2 網(wǎng)格化后的模型（2）定義板料的材料、屬性與模具間距板料的材料和屬性設定，單擊Tools，選擇Define Blank，單擊Add添加板料B為毛胚，然后點擊Material，單擊Material Library，進入材料庫窗口選擇低碳鋼Mid中DQSK，Type37所對應的材料。相應的中文參數(shù)如表4.1：表4.1 材料性能參數(shù)厚度t/ mm寬度L/ mm屈服極限強度系數(shù)K/ MPa厚向異性指數(shù)r應變強化指數(shù)n1200154.30512.21.650.23單擊Property，

47、在Property窗口單擊New按鈕，新建板料屬性，UNIFORM THICKNESS（板厚為1mm）為1.000000E+000。模具間隙的確定，首先定義模具，單擊Tools，Define Tools，選中User Define Tools，然后在User Define Tools Neme中打擊New按鈕新建用戶工具，并在Include Parts List中選擇相應的模型件。其中t對應凸模，b對應板料，y對應壓邊圈，a對應凹模。定義模具間的距離，單擊Tools，Position Tools中Move Tools，選擇要移動的模具，在Distance中輸入移動距離，移動方向為Z Trans

48、lation。使得t在Z方向移動0.5mm，y在Z方向移動0.5mm,a在Z方向移動-0.5mm。（3）定義凸模的運動和壓邊力單擊Tools，選擇Define Tools，選擇User Define Tools，選中t，然后單擊Define Load Curve按鈕，Curve Type選擇Motion，Z方向，選擇Set Death Time,單擊Auto按鈕，定義凸模的運動，Veloctity（速度），Stroke Dist（沖壓行程）負號表示Z的負方向，然后單擊OK即可。定義壓邊力，選中y，單擊Define Load Curve按鈕，Curve Type選擇Force，Z方向，選擇Set

49、 Death Time,單擊Auto按鈕,定義作用在壓邊圈上的壓邊力，F(xiàn)orce輸入壓邊力的大小，打擊OK即可。（4）對模型進行有限元計算單擊Analysis，選擇LS_Dyna，為了在后處理中能夠較好的觀察成形過程，一般設定STEP=20。求解器采用Full Run Dyna,求解器精度采用單精度。同時在計算機內存較大時，為了加快運算速度，可以適當提高DYNAFORM運算器的內存值，即可進行有限元的計算。圖4.3 Analysis的參數(shù)設置4.4 方盒件沖壓工藝模擬與后處理分析在仿真結束后， 可以進入DYNAFORM的PostProcess的后處理環(huán)境，進行一系列后處理。（1）等值線對單元應

50、力和相關的結果等進行顯示。在同一等值線上是以同一顏色顯示的，相應的等值線值在圖形窗口右邊的顏色柱顯示(圖4.4(a)。（2）矢量圖標將結果以矢量形式顯示(圖4.4(b)，能夠對材料的流動性進行顯示。（3）成形極限圖用來評價板料的可成形性(安全和失效區(qū)域)。圖中每一點的X坐標和Y坐標代表每一單元的最大和最小應變，基于零件的可成形性分析將FLD圖（forming limit diagram）（圖4.4(c)）劃分為7個區(qū)域，CRACK斷裂區(qū)域、RISK OF CRACK斷裂危險區(qū)域、SAFE安全區(qū)域、WRINKLE TENDENCY起皺趨勢、WARINKLE起皺、SEVERE WAINKLE嚴重起

51、皺、INSUFFICIENT STRETCH不充分拉深，每個區(qū)域用不同的顏色表示。（4）厚度用來模擬坯料在成形中的厚度等值線變化，以評估沖壓質量。數(shù)值的讀取，根據(jù)所要的點顏色到圖形右邊的顏色柱找到對應顏色，所顯示的數(shù)值即為所求的。其中單位為mm(圖4.4(d)。 (a) 成形等值線圖 (b) 成形矢量圖 (c) 成形FLD圖 (d) 成形厚度變化圖圖4.4 后處理成形圖4.5 不同壓邊力控制曲線仿真結果及分析為了說明問題，本課題在Dynaform軟件上對模型采用不同加載方式（漸增、漸減、先增后減、先減后增、恒定，先增恒定后減）進行仿真分析。具體實驗數(shù)據(jù)如下：（1）凸、凹模的間隙為1.1t，凹模

52、圓角尺寸10mm，凸模圓角尺寸10mm，轉角半徑10mm；（2）材料參數(shù)如表4.2：表4.2 方盒件沖壓成形材料參數(shù)表厚度t/mm寬度L/mm屈服極限強度系數(shù)K/MPa厚向異性指數(shù)r應變強化指數(shù)n1200154.30512.21.650.23（3）拉深深度20mm，拉深速度2000mm/s。根據(jù)上述的參數(shù)設定在DYNAFORM中進行分析，分別采用不同的壓邊力進行模擬，模擬實驗結果如下：（a）漸增曲線數(shù)據(jù)圖表表 4.3 漸增曲線下各數(shù)據(jù)壓邊力KN100150200250300最大正應力Pa321.55342.56345.70363.26367.36最大負應力Pa-306.43-300.93-29

53、1.39-287.19-281.65最大變薄率%9.2810.8812.3414.2916.32最大變厚率%3.833.433.132.832.49最大正應變mm0.2400.2430.2490.2510.245最大負應變mm-0.234-0.225-0.217-0.207-0.190(a)(b) (c) 圖4.5 漸增曲線不同壓邊力的應力、薄厚和應變變化（b） 漸減曲線數(shù)據(jù)圖表表4.4 漸減曲線下各數(shù)據(jù)壓邊力KN100150200250300最大正應力Pa313.87303.62319.47320.79321.03最大負應力Pa-312.70-305.62-300.18-296.17-298

54、.34最大變薄率%8.479.2010.1911.2312.07最大變厚率%4.123.893.663.573.08最大正應變mm0.240.240.250.250.26最大負應變mm-0.24-0.23-0.23-0.22-0.22(a) (b) (c) 圖4.6 漸減曲線不同壓邊力的應力、薄厚和應變變化（c） 先增后減曲線數(shù)據(jù)表表4.5 先增后減曲線下各數(shù)據(jù)壓邊力KN100150200250300最大正應力Pa319.99329.78328.32342.66353.98最大負應力Pa-311.82-305.79-304.43-287.18-283.45最大變薄率%8.529.5110.1211.7212.88最大變厚率%4.103.733.583.292.88最大正應變mm0.230.240.250.250.26最大負應變mm-0.24-0.23-0.23-0.22-0.21(a) (b) (c) 圖4.7 先增后減曲線不同壓邊力的應力、薄厚和應變變化（d）先減后增曲線數(shù)據(jù)表表4.6 先減后增曲線下各數(shù)據(jù)壓邊力KN1