畢業(yè)論文圓筒形拉深CAE分析和通用實(shí)驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)

1、上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 圓筒形拉深CAE分析和通用實(shí)驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì) 摘 要隨著我國(guó)金屬工藝制造行業(yè)的迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)各大金屬生產(chǎn)企業(yè)為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求不斷開(kāi)發(fā)出新型的金屬產(chǎn)品。而金屬板料拉深性能的測(cè)定方法研究一直是沖壓成形領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一,新型輕質(zhì)的金屬板料在不斷開(kāi)發(fā)應(yīng)用的過(guò)程中急需科學(xué)高效的沖壓成形性能的評(píng)判方法。為了在實(shí)驗(yàn)室600KN伺服壓機(jī)的平臺(tái)上設(shè)計(jì)一套在一定范圍內(nèi)通用的沖壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，需要對(duì)圓筒形拉深試驗(yàn)方法進(jìn)行充分的理論和CAE驗(yàn)證，得出可行的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用于圓筒形拉深試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)一套通用圓筒形拉深實(shí)驗(yàn)?zāi)＞撸屯ㄓ脹_壓試驗(yàn)?zāi)＜艿纫黄鸾M成沖壓成形性能測(cè)定系統(tǒng)。本

2、文中通過(guò)使用DYNAFORM軟件選擇一套工藝方案進(jìn)行CAE模擬驗(yàn)證，獲得優(yōu)化的工藝數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)一套通用圓筒形拉深實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?。借助?shí)驗(yàn)室已有的伺服壓力機(jī)，對(duì)不同尺寸和拉深系數(shù)及板料厚度的金屬板料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測(cè)定包括變形速度、變形程度、板料厚度等不同條件下拉深變形性能的變化規(guī)律。關(guān)鍵詞：圓筒形，拉深，CAE分析，DYNAFORM軟件，通用模具Cylindrical Deep Drawing and General Experimental Mold Design CAE AnalysisABSTRACT With Chinas metal craft manufacture the rapid deve

3、lopment of the industry, domestic large enterprises to meet production metal industrial production requirement continuously develop new products.And sheet metal deep research of the performance measurement method has been forming research priorities,new lightweight sheet metal in the process of deve

4、lopment and application in scientific and efficient stamping performance evaluation method. In order to design a set of within a certain range, the general stamping experiment system on the laboratory 600KN servo press platform,need for cylindrical deep experiment fully theory and CAE validation, ge

5、t practical test data,used for testing scheme design of deep cylindrical and mould design.Design a set of general cylindrical deep drawing experiments mold,and the common punching test formwork etc together forming performance measurement system.In this paper through the use of DYNAFORM software pro

6、cess scheme for choosing a CAE simulation,to obtain the optimum process data.Design a set of general cylindrical deep drawing experiments mold.Using laboratory existing servo press, in different sizes and deep coefficient and sheet metal sheet thickness.Measurement includes deformation velocity and

7、deformation degree, sheet thickness under different conditions, such as the deep deformation performance variation.Keywords:cylindrical, deep drawing, CAE analysis, DYNAFORM software，general mold圓筒形拉深CAE分析和通用實(shí)驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)董其昌 0511041330 引言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展需要，模具已成為現(xiàn)代化不可缺少的工藝裝備，模具設(shè)計(jì)是機(jī)械專業(yè)一個(gè)最重要的教學(xué)環(huán)節(jié),是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，是我們對(duì)所學(xué)知

8、識(shí)的綜合運(yùn)用，通過(guò)對(duì)專業(yè)知識(shí)的綜合運(yùn)用，使學(xué)生對(duì)模具從設(shè)計(jì)到制造的過(guò)程有個(gè)基本上的了解，為以后的工作及進(jìn)一步學(xué)習(xí)深造打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。模具制造技術(shù)現(xiàn)代化是模具工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。 拉深（又稱拉延）是利用拉深模在壓力機(jī)的壓力作用下，將平板坯料或空心工序件制成開(kāi)口空心零件的加工方法。它是沖壓基本工序之一，不僅可以加工旋轉(zhuǎn)體零件，還可加工盒形零件及其它形狀復(fù)雜的薄壁零件。板料筒形拉深成形作為一種十分重要的制造技術(shù)，在汽車制造，航天航空，電子儀器和兵器工業(yè)等制造業(yè)中都由廣泛的應(yīng)用，而拉深模具的設(shè)計(jì)是拉深成形的重要內(nèi)容，基于傳統(tǒng)的的模具設(shè)計(jì)方法很難完全滿足生產(chǎn)的需要。近些年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元方法的發(fā)

9、展，板料拉深成形數(shù)值模擬已經(jīng)成為金屬塑性加工領(lǐng)域的重要課題之一，并且國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)始采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)來(lái)指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)板料拉深成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，可以全面的了解板料在拉伸變形過(guò)程中的應(yīng)力，應(yīng)變分布，預(yù)測(cè)成形缺陷的出現(xiàn)，為設(shè)計(jì)者提供進(jìn)行工藝分析和模具設(shè)計(jì)的科學(xué)依據(jù)，從而可以提高模具的設(shè)計(jì)水平，縮短模具的設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。論文針對(duì)薄板拉深，分析了圓筒件拉深成形工藝的參數(shù)，確定了本課題的拉深工藝參數(shù)，采用AUTOCAD及DYNAFORM軟件選擇一套工藝方案進(jìn)行CAE模擬驗(yàn)證，通過(guò)優(yōu)化的工藝數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出一套通用圓筒形拉深實(shí)驗(yàn)?zāi)＞摺? 圓筒件拉深的變形分析1.1 拉深變形過(guò)程 圓筒形件是

10、最典型的拉深件。平板圓形坯料拉深成為圓筒形件的變形過(guò)程如圖1.1由圖1.1可以看出，在拉深過(guò)程中，由于外力的作用，使坯料凸緣區(qū)內(nèi)部的各個(gè)小單元之間產(chǎn)生了相互作用的內(nèi)應(yīng)力，在徑向拉應(yīng)力和切向壓應(yīng)力的共同作用下，凸緣變形區(qū)產(chǎn)生塑性變形，徑向伸長(zhǎng)，切向壓縮，且不斷被拉入凹模中變?yōu)橥氨冢詈蟮玫綀A筒形件。1.2 拉深過(guò)程中坯料內(nèi)的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)拉深過(guò)程中出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題主要是凸緣變形區(qū)的起皺和筒壁傳力區(qū)的拉裂。凸緣區(qū)起皺是由于切向壓應(yīng)力引起板料失去穩(wěn)定而產(chǎn)生彎曲；傳力區(qū)的拉裂是由于拉應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度引起板料斷裂。同時(shí)，拉深變形區(qū)板料有所增厚，而傳力區(qū)板料有所變薄。這些現(xiàn)象表明，在拉深過(guò)程中，坯料內(nèi)各區(qū)的應(yīng)

11、力、應(yīng)變狀態(tài)是不同的，因而出現(xiàn)的問(wèn)題也不同。為了更好地解決上述問(wèn)題，有必要研究拉深過(guò)程中坯料內(nèi)各區(qū)的應(yīng)力與應(yīng)變狀。 圖1.2是拉深過(guò)程中某一瞬間坯料所處的狀態(tài)。根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)不同，可將坯料劃分為五個(gè)部分。圖1.2 拉深過(guò)程的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài) 、分別代表坯料徑向的應(yīng)力和應(yīng)變、分別代表坯料厚度方向的應(yīng)力和應(yīng)變、分別代表代表切向的應(yīng)力和應(yīng)變1. 凸緣部分（見(jiàn)圖1.2、圖1.2、圖1.2） 這是拉深的主要變形區(qū)，材料在徑向拉應(yīng)力 和切向壓應(yīng)力 的共同作用下產(chǎn)生切向壓縮與徑向伸長(zhǎng)變形而逐漸被拉入凹模。力學(xué)分析可證明，凸緣變形區(qū)的是按對(duì)數(shù)曲線分布的，其分布情況如圖2.3所示，在=r處（即凹模入口處），凸

12、緣上的值最大。圖1.3 拉深件的壁厚和硬度變化圖 在厚度方向，由于壓邊圈的作用，產(chǎn)生壓應(yīng)力，通常和的絕對(duì)值比大得多。厚度方向上材料的的變形情況取決于徑向拉應(yīng)力和切向壓應(yīng)力之間比例關(guān)系，一般在材料產(chǎn)生切向壓縮和徑向伸長(zhǎng)的同時(shí)，厚度有所增厚，越接近于外緣，板料增厚越多。如果不壓邊（=0），或壓邊力較小（?。?，這時(shí)板料增厚比較大。當(dāng)拉深變形程度較大，板料又比較薄時(shí)，則在坯料的凸緣部分，特別是外緣部分，在切向壓應(yīng)力 作用下可能失穩(wěn)而拱起，產(chǎn)生起皺現(xiàn)象。2. 凹模圓角部分（見(jiàn)圖1.2、圖1.2、圖1.2） 此部分是凸緣和筒壁的過(guò)渡區(qū)，材料變形復(fù)雜。切向受壓應(yīng)力而壓縮，徑向受拉應(yīng)力而伸長(zhǎng)，厚度方向受到凹模

13、圓角彎曲作用產(chǎn)生壓應(yīng)力。由于該部分徑向拉應(yīng)力 的絕對(duì)值最大，所以，是絕對(duì)值最大的主應(yīng)變，為拉應(yīng)變，而和為壓應(yīng)變。3. 筒壁部分（見(jiàn)圖1.2、圖1.2、圖1.2） 這部分是凸緣部分材料經(jīng)塑性變形后形成的筒壁，它將凸模的作用力傳遞給凸緣變形區(qū)，因此是傳力區(qū)。該部分受單向拉應(yīng)力作用，發(fā)生少量的縱向伸長(zhǎng)和厚度變薄。4.凸模圓角部分（見(jiàn)圖1.2、圖1.2、圖1.2） 此部分是筒壁和圓筒底部的過(guò)渡區(qū)。拉深過(guò)程一直承受徑向拉應(yīng)力和切向拉應(yīng)力的作用，同時(shí)厚度方向受到凸模圓角的壓力和彎曲作用，形成較大的壓應(yīng)力，因此這部分材料變薄嚴(yán)重，尤其是與筒壁相切的部位，此處最容易出現(xiàn)拉裂，是拉深的“危險(xiǎn)斷面”。原因是：此處

14、傳遞拉深力的截面積較小，因此產(chǎn)生的拉應(yīng)力較大。同時(shí)，該處所需要轉(zhuǎn)移的材料較少，故該處材料的變形程度很小，冷作硬化較低，材料的屈服極限也就較低。而與凸模圓角部分相比，該處又不象凸模圓角處那樣，存在較大的摩擦阻力。因此在拉深過(guò)程中，此處變薄便最為嚴(yán)重，是整個(gè)零件強(qiáng)度最薄地方，易出現(xiàn)變薄超差甚至拉裂。5.筒底部分（見(jiàn)圖1.2、圖1.2、圖1.2） 這部分材料與凸模底面接觸，直接接收凸模施加的拉深力傳遞到筒壁，是傳力區(qū)。該處材料在拉深開(kāi)始時(shí)即被拉入凹模，并在拉深的整個(gè)過(guò)程中保持其平面形狀。它受到徑向和切向雙向拉應(yīng)力作用，變形為徑向和切向伸長(zhǎng)、厚度變薄，但變形量很小。 從拉深過(guò)程坯料的應(yīng)力應(yīng)變的分析中可

15、見(jiàn)：坯料各區(qū)的應(yīng)力與應(yīng)變是很不均勻的。即使在凸緣變形區(qū)內(nèi)也是這樣，越靠近外緣，變形程度越大，板料增厚也越多。從圖1.4所示拉深成形后制件壁厚和硬度分布情況可以看出，拉深件下部壁厚略有變薄，壁部與圓角相切處變薄嚴(yán)重，口部最厚。由于坯料各處變形程度不同，加工硬化程度也不同，表現(xiàn)為拉深件各部分硬度不一樣，越接近口部，硬度愈大。圖1.4 圓筒件拉深時(shí)凸緣變形時(shí)的應(yīng)力分布1.3 拉深件的起皺及拉裂凸緣變形區(qū)的“起皺”和筒壁傳力區(qū)的“拉裂”是拉深工藝能否順利進(jìn)行的主要障礙。為此，必須了解起皺和拉裂的原因，在拉深工藝和拉深模設(shè)計(jì)等方面采取適當(dāng)?shù)拇胧?，保證拉深工藝的順利進(jìn)行，提高拉深件的質(zhì)量。 1.凸緣變形區(qū)

16、的起皺 拉深過(guò)程中，凸緣區(qū)變形區(qū)的材料在切向壓應(yīng)力的作用下，可能會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)起皺，如圖1.5所示。凸緣區(qū)會(huì)不會(huì)起皺，主要決定于兩個(gè)方面：一方面是切向壓應(yīng)力的大小，越大越容易失穩(wěn)起皺；另一方面是凸緣區(qū)板料本身的抵抗失 穩(wěn)的能力，凸緣寬度越大，厚度越薄，材料彈性模量和硬化模量越小，抵抗失穩(wěn)能力越小。這類似于材料力學(xué)中的壓桿穩(wěn)定問(wèn)題。壓桿是否穩(wěn)定不僅 取決于壓力而且取決于壓桿的粗細(xì)。在拉深過(guò)程中 是隨著拉深的進(jìn)行而增加的，但凸緣變形區(qū)的相對(duì)厚度 也在增大。這說(shuō)明拉深過(guò)程中失穩(wěn)起皺的因素在增加而抗失穩(wěn)起皺的能力也在增加。 圖1.5 凸緣變形區(qū)的起皺 2.筒壁的拉裂 拉深時(shí)，坯料內(nèi)各部分的受力關(guān)系如圖1.

17、6所示。筒壁所受的拉應(yīng)力除了與徑向拉應(yīng)力 有關(guān)之外，還與由于壓料力 引起的摩擦阻力、坯料在凹模圓角表面滑動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦阻力和彎曲變形所形成的阻力有關(guān)。筒壁會(huì)不會(huì)拉裂主要取決于兩個(gè)方面：一方面是筒壁傳力區(qū)中的拉應(yīng)力；另一方面是筒壁傳力區(qū)的抗拉強(qiáng)度。當(dāng)筒壁拉應(yīng)力超過(guò)筒壁材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，拉深件就會(huì)在底部圓角與筒壁相切處“危險(xiǎn)斷面”產(chǎn)生破裂，如圖1.6所示。 要防止筒壁的拉裂，一方面要通過(guò)改善材料的力學(xué)性能，提高筒壁抗拉強(qiáng)度；另一方面是通過(guò)正確制定拉深工藝和設(shè)計(jì)模具，合理確定拉深變形程度、凹模圓角半徑、合理改善條件潤(rùn)滑等，以降低筒壁傳力區(qū)中的拉應(yīng)力。圖1.6 筒壁的拉裂 2 設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)2.1 零

18、件的工藝分析 拉深件的工藝性是指從沖壓工藝方面來(lái)衡量設(shè)計(jì)是否合理。一般的講，在滿足工件使用要求的條件下，能以最簡(jiǎn)單最經(jīng)濟(jì)的方法將工件沖制出來(lái)，就說(shuō)明該件的沖壓工藝性好，否則，該件的工藝性就差。當(dāng)然工藝性的好壞是相對(duì)的，它直接受到工廠的沖壓技術(shù)水平和設(shè)備條件等因素的影響。以上要求是確定沖壓件的結(jié)構(gòu)，形狀，尺寸等對(duì)拉深件工藝的實(shí)應(yīng)性的主要因素。根據(jù)這一要求對(duì)該零件進(jìn)行工藝分析。 零件尺寸公差無(wú)要求，故按IT12級(jí)選取，利用普通拉深方式可達(dá)到圖樣要求。由于該件外形簡(jiǎn)單，形狀規(guī)則，適于拉深加工。材料為08鋼，厚度為0.8mm。2.2 壓力機(jī)選定目前實(shí)驗(yàn)室擁有兩套壓力機(jī)，一臺(tái)為倒裝式600KN的壓力機(jī)，

19、一臺(tái)為600KN小松伺服壓力機(jī)。倒裝式壓力機(jī)工作時(shí)，由壓力機(jī)提供所有的沖壓力和壓邊力，而此壓力機(jī)的壓邊力是由彈簧提供，壓邊力會(huì)隨著沖壓力的改變而改變，不但壓邊力很難精確的測(cè)出，而且壓力機(jī)實(shí)際給出的沖壓力無(wú)法達(dá)到600KN（壓力機(jī)還要提供壓邊力）。小松伺服壓力機(jī)工作時(shí)，壓力機(jī)提供沖壓力，四個(gè)油缸提供壓邊力，同時(shí)壓力傳感器會(huì)記錄下拉深過(guò)程中壓邊力的變化曲線，通過(guò)易控軟件，將壓邊力曲線準(zhǔn)確的顯示在計(jì)算機(jī)上并保存；位移傳感器會(huì)對(duì)拉深時(shí)候可能出現(xiàn)的位移誤操作報(bào)警，使實(shí)驗(yàn)過(guò)程更加安全可靠；由于小松壓力機(jī)只提供沖壓力，壓邊圈的壓邊力由四個(gè)油缸提供，所以無(wú)形中放大了壓力機(jī)的工作壓力。比起倒裝式壓力機(jī)，小松伺服

20、壓力機(jī)有著無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，所以本課題選擇小松伺服壓力機(jī)。2.3 坯料尺寸計(jì)算及拉深系數(shù)的確定2.3.1 坯料尺寸計(jì)算在不變薄拉深中，雖然在拉深過(guò)程中坯料的厚度發(fā)生一些變化，但在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，可以不計(jì)坯料的厚度變化，概略地按拉深前后坯料的面積相等的原則進(jìn)行坯料尺寸的計(jì)算。旋轉(zhuǎn)體拉深件采用圓形坯料，其直徑可按面積相等的原則計(jì)算。計(jì)算坯料尺寸時(shí)，先將拉深件劃分為若干便于計(jì)算的簡(jiǎn)單幾何體，分別求出其面積后相加，得拉深件總面積藝A，則坯料直徑為 （2.1）圖2.1 圓筒件坯料尺寸計(jì)算如圖2.1所示的圓筒形件，可劃分為三部分，各部分的面積分別為：帶入，得坯料直徑為 （2.2）零件的相對(duì)高度為，查表得出對(duì)應(yīng)圓

21、筒直徑下的修邊余量，最后得出修正后的拉深件總高為。由公式（2.2）可求出坯料直徑 2.3.2 拉深系數(shù)的確定不帶凸緣圓筒形件的拉深系數(shù)為 （2.3）由公式2.3可求出拉深系數(shù)為 表2.1為厚度為1mm材料為08鋼的坯料在不同圓筒直徑下拉深高度為40mm時(shí)所需的坯料直徑以及拉深系數(shù)關(guān)系表表2.1 拉深高度為40mm的圓筒件在不同直徑下坯料與坯料直徑關(guān)系圓筒件直徑(單位：mm）坯料直徑(單位：mm）拉深系數(shù)54890.6160970.62651030.63681080.63721130.64761170.65801220.66841280.66881350.65901380.65由表2.1可以看出

22、，相同材料拉深高度相同圓筒直徑改變，所需坯料的直徑會(huì)增大，但拉深系數(shù)基本保持一致，在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)。2.4 拉深模工作零件設(shè)計(jì)與尺寸計(jì)算2.4.1 凸、凹模間隙的確定 拉深模的間隙，過(guò)小會(huì)增加摩擦力，使拉深件容易破裂，且易擦傷表面，和降低模具壽命，但間隙過(guò)大，則易使拉深件起皺，并影響工件精度。單邊間隙?。?式中： 為材料厚度的最大極限尺 凹模尺寸； 凸模尺寸。2.4.2 拉深模工作部分尺寸的確定尺寸標(biāo)注在外徑的拉深件，以凹模為準(zhǔn)，間隙取在凸模上，即減小凸模尺寸得到間隙。尺寸標(biāo)注在內(nèi)徑的拉深件，以凸模為準(zhǔn)，間隙取在凹模上，即增加凹模尺寸得到向隙。 式中： 為凹模的制造公差； 凸模的制造公差； 拉

23、深件外形的基本尺寸； 拉深件內(nèi)形的基本尺寸。但在實(shí)際工作中，按以上公式計(jì)算確定的尺寸與實(shí)際需要有一定差距。按上述公式計(jì)算可得：而以此凸、凹模尺寸加工的拉深件直徑為。且根據(jù)實(shí)測(cè)：滿足設(shè)計(jì)計(jì)算要求，但依此生產(chǎn)的零件達(dá)不到產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，即按上述公式計(jì)算所得的凸、凹模尺寸比實(shí)際需要偏小。為了確定確切的凸、凹模尺寸。確定決定拉深件尺寸的基準(zhǔn) 拉深凸模如圖2.2所示，修正了凸、凹模尺寸：如圖2.3、圖2.4所示，即取負(fù)間隙，實(shí)際尺寸為，修正后所得拉深件尺寸為，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。圖2.2 拉深凸模圖2.3 凹模鑲塊2.4 凹模固定架 通過(guò)以上計(jì)算和實(shí)際實(shí)踐，我們可以得出：對(duì)于尺寸標(biāo)注在外徑且精度要求較高的拉深

24、件，在設(shè)計(jì)拉深模時(shí)，在依據(jù)原有設(shè)計(jì)理論確定凸、凹模尺寸的基礎(chǔ)上，還須對(duì)此進(jìn)行修正，修正量的大小則須根據(jù)零件設(shè)計(jì)要求而定。根據(jù)實(shí)踐，通常在確定凹模尺寸(名義尺寸減1/2公差)后，再確定凸模尺寸，隨著料厚的變化，間隙大小也隨之不同一般取料厚的單邊負(fù)間隙的2 6。 3 模具結(jié)構(gòu)的確定3.1 傳統(tǒng)拉深模分類及典型拉深模結(jié)構(gòu)受材料拉深系數(shù)的限制，有的拉深件要經(jīng)過(guò)幾道拉深才能成形，故有首次拉深模和以后各次拉深模。拉深可以喝其他沖壓工序組合成復(fù)合?；蚣?jí)進(jìn)模，如落料、拉深和沖孔復(fù)合模等。根據(jù)拉深件的大小，拉深?？梢苑譃榇笮透采w件拉深模和中小型件的拉深模；按使用的沖壓設(shè)備可以分為單動(dòng)壓力機(jī)拉深模和雙動(dòng)壓力機(jī)拉深

25、模。3.1.1 單動(dòng)壓力機(jī)用拉深模圖3.1為在單動(dòng)壓力機(jī)上使用的不用壓邊圈的拉深模。這種模具僅適用于拉深形變程度不大，材料的相對(duì)厚度較大的零件。拉深完成后，工件的口部會(huì)產(chǎn)生彈性恢復(fù)，在凸模1回程時(shí)，被凹模3下底部刮落，達(dá)到卸料的目的。由于模具結(jié)構(gòu)是相對(duì)簡(jiǎn)單的無(wú)導(dǎo)向模，為了保證裝模時(shí)的調(diào)整方便，間隙均勻，該模具附有一專用的的校模定位圈2，工作時(shí)應(yīng)將該件拿開(kāi)。圖3.1 不用壓邊圈的拉深模1凸模 2校模定位圈 3凹模 4緊固圈5定位板 6凹模套圈 7墊板圖3.2為具有彈性壓邊圈的首次拉深模。彈性壓邊裝置由彈簧1、卸料螺釘 2、限位螺釘6和壓邊圈5組成。凸模的形成越大，彈簧的壓縮量越大，壓邊力也就越大

26、。為了防止壓邊力過(guò)大，在壓邊圈上安裝了若干限位螺釘6。為了減少拉深件與凹模直壁的摩擦，凹模的直壁不宜過(guò)長(zhǎng)，對(duì)于一般精度的拉深件，凹模直壁部分的高度為8-13mm為宜。圖3.2 帶彈性壓邊圈的首次拉深模1彈簧 2卸料螺釘 3凸模 4凸模氣孔5壓邊圈 6限位螺釘 7定位板 8凹模3.1.2 雙動(dòng)壓力機(jī)用拉深模圖3.3為帶拉深筋的雙動(dòng)壓力機(jī)用球形件拉深模。球形凹模4通過(guò)凸模固定座1與壓力機(jī)的內(nèi)滑塊連結(jié)。拉深時(shí)，壓力機(jī)的外滑塊通過(guò)壓邊圈固定座2使壓邊圈3緊壓在毛坯凸緣上，凸模繼續(xù)下行，毛坯在凹模5拉深筋阻力和壓邊力的作用下，徑向拉應(yīng)力急劇增加，球形凸模頂端毛坯發(fā)生脹形變形，毛坯中間懸空部分在徑向拉應(yīng)力

27、的作用下緊貼凸模，防止了毛坯凸緣部分和中間懸空部分的起皺。壓邊力的大小可通過(guò)調(diào)節(jié)壓力機(jī)外滑塊閉合高度來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖3.3 帶拉深筋的雙動(dòng)壓力機(jī)拉深模1凸模固定座 2壓邊圈固定座 3壓邊圈 4球形凸模5帶拉深筋凹模 6凹模座 7定位圈以上介紹的兩類拉深模為傳統(tǒng)的拉深模具，在工作時(shí)通常需要多道工序拉深才能達(dá)到零件的尺寸要求，工序相對(duì)復(fù)雜。3.2 本課題模具結(jié)構(gòu) 本課題所使用的壓力機(jī)及模具模架都是打破傳統(tǒng)的，不但在模具上裝有壓力傳感器（如圖3.4所示）和位移傳感器（如圖3.5所示）監(jiān)控壓邊力和拉深力的變化以及沖裁過(guò)程行程量，而且凸、凹?？筛鶕?jù)不同零件的尺寸要求和形狀調(diào)換，真正做到一模多用。位移傳感器A位

28、移傳感器B圖3.4 位移傳感器圖3.5 壓力傳感器3.2.1 模具的形式 正裝可調(diào)換凸、凹模的通用模。3.2.2 定位裝置 采用定位模板定位，模板安裝在凹模上，可根據(jù)坯料尺寸調(diào)換。3.2.3 卸料裝置傳統(tǒng)的拉深模具一般都采用打料裝置或擋料裝置，用打桿或者擋料銷將工件從凸模或凹模上推下，本課題模具采用如圖3.6、圖3.7所示的頂出裝置，用頂桿推動(dòng)頂聊塊將零件從凹模中頂出，頂出所用頂出力由油缸提供。卸料油缸如圖3.8所示。卸料裝置如圖3.9所示圖3.6 頂件塊圖3.7 頂件塊導(dǎo)柱3.8 卸料油缸圖3.9 卸料板3.2.4 導(dǎo)向裝置導(dǎo)向零件有許多種，如用導(dǎo)板導(dǎo)向，則在模具上安裝不便而且阻擋操作者視線

29、，所以不采用；若用導(dǎo)向裝置為滑動(dòng)式導(dǎo)柱導(dǎo)套極限導(dǎo)向，雖然使得模具在壓力機(jī)上的安裝比較簡(jiǎn)單，操作方便，但加工的零件精度太低，不適用于新型金屬板料的性能測(cè)試；本課題所使用的導(dǎo)向裝置為滾珠式導(dǎo)柱導(dǎo)套進(jìn)行導(dǎo)向(如圖3.10、圖3.11所示），雖然結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但導(dǎo)向精度高、壽命長(zhǎng)。圖3.10 滾珠導(dǎo)柱圖3.11 導(dǎo)套3.2.5 模架 若采用中間導(dǎo)柱模架，則導(dǎo)柱對(duì)稱分布，受力平衡，滑動(dòng)平穩(wěn)，拔模方便，但只能一個(gè)方向送料。若采用對(duì)焦導(dǎo)柱模架，則受力平衡，滑動(dòng)平穩(wěn)，可縱向或橫向送料。若采用后側(cè)導(dǎo)柱模架，則可三方向送料，操作者視線不被阻擋，結(jié)構(gòu)比較緊湊，但模具受力不平衡，滑動(dòng)不平穩(wěn)。本設(shè)計(jì)決定采用后側(cè)導(dǎo)柱模架

30、。(如圖3.12、圖3.13所示）圖3.12 上模架3.13 下模架4 拉深模具結(jié)構(gòu)圖（圖4.1 圖4.2 圖4.3）圖4.1 模具結(jié)構(gòu)后視圖圖4.2 模具結(jié)構(gòu)前視圖圖4.3 模具零件拆分結(jié)構(gòu)示意圖5 CAE模擬分析5.1 數(shù)值模擬軟件Dynaform簡(jiǎn)介本課題CAE模擬分析采用數(shù)值模擬軟件DYNAFORM。該軟件是由美國(guó)ETA公司和LSTC公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)，用于板材成形模擬的專用軟件包，可以幫助模具設(shè)計(jì)人員顯著減少模具開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)間及試模周期，不但具有良好的易用性，而且包括大量的智能化自動(dòng)工具，可方便地求解各類板料成形問(wèn)題。Dynaform可以預(yù)測(cè)成形過(guò)程中板料的裂紋、起皺、減薄、劃痕和回彈，評(píng)估

31、板料的成形性能，從而為板料成形工藝及模具設(shè)計(jì)提供幫助；Dynaform用于工藝及模具設(shè)計(jì)的復(fù)雜板料成形問(wèn)題；Dynaform包括板料成形分析所需的與CAD軟件的接口、前后處理、分析求解等所有功能。5.2 數(shù)值模擬分析步驟 Dynaform軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析流程如圖5.1所示。(1)讀入用戶提供的數(shù)學(xué)模型。Dynaform可以直接讀入U(xiǎn)G、CATIA和ProE等數(shù)學(xué)模型。(2)利用Dynaform提供的網(wǎng)格劃分工具對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行有限元?jiǎng)澐?、檢查、修改、重分和優(yōu)化。(3)進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬的邊界、單元法向一致、合模等檢查。(4)根據(jù)工藝和實(shí)際加工確定沖壓方向，創(chuàng)建凹模和壓料面。(5)定義凸模、凹模、壓

32、料面和毛坯等部件及拉延力、摩擦因數(shù)的等效數(shù)學(xué)模型，然后進(jìn)行模擬分析，最后根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化。圖5.1 模擬數(shù)值分析步驟5.3 基于DYNAFORM的圓筒件拉深數(shù)據(jù)模擬5.3.1 模型的建立擬用拉深件坯料直徑90mm，拉深筒形件直徑54ram，拉深高度40mm、材料厚0.8mm如圖5.2。模具相關(guān)參數(shù)：凹模工作部分直徑55mm，圓角半徑1mm；凸模工作部分直徑53mm，圓角半徑4ram；模具單邊間隙05mm如圖5.3。為了便于模型的導(dǎo)人，采用Solidworks軟件，在Solidworks中建立板料和凹模的模型，再以IGES格式導(dǎo)出到DYNAFORM中，通過(guò)凹模間隙自動(dòng)生成凸模。圖5

33、.2 毛坯圖5.3 凸模5.3.2 讀取數(shù)模零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分的好壞對(duì)模擬的精確和計(jì)算時(shí)間有一定的影響。一般情況，在彎曲變形較大的部位網(wǎng)格劃分較密，在變形較小的部位網(wǎng)格劃分較稀。Dynaform提供了自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，可快速劃分模型網(wǎng)格。把零件的IGES格式導(dǎo)人Dynaform中，用網(wǎng)格劃分工具Tools模塊中的(Blank Generator)毛坯零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分；利用(Preprocess)模塊中的(ElementSurfaee Mash)對(duì)凹模進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分好的網(wǎng)格模型如圖5.4所示。圖5.4 坯料和凹模的網(wǎng)格圖5.3.3 沖壓方向的確定沖壓方向是拉延工序設(shè)計(jì)中應(yīng)首先確定的參數(shù)。

34、它不但決定能否拉延出合格的產(chǎn)品，而且影響到工藝補(bǔ)充部分的多少，以及拉延后各個(gè)工序的設(shè)計(jì)方案。調(diào)整沖壓方向時(shí)，要考慮零件便于成形及放置。利用Dynaform中DEF模塊，以Preparation命令中的Tipping進(jìn)行沖壓方向調(diào)整。采用自動(dòng)調(diào)整(AutoTipping)及手動(dòng)調(diào)整(Manual Tipping)功能聯(lián)合調(diào)整,以保證無(wú)死區(qū)及盡可能減小拉延深度為原則確定沖壓方向。5.3.4 創(chuàng)建壓邊圈為了防止拉深過(guò)程中板料的起皺，一般采用壓邊圈和足夠大的壓邊力，大的壓邊力盡管可以防止零件的起皺但同時(shí)可能導(dǎo)致零件的拉裂，因此要控制壓邊力的大小。利用Dynaform中的Parts模塊創(chuàng)建壓邊圈(Bin

35、- der)，從凹模中選擇元素添加到壓邊圈中，再用(Separate)把它們分離。5.3.5 模型的生成把板料、凹模以及壓邊圈劃分完網(wǎng)格，利用Dynaform 中的Quick Setu模塊中的Draw Die快速建立模型，選擇單動(dòng)(Single Action或者Inverted Draw)、下?？捎?Lower Tool Available)拉延類型，選擇相應(yīng)的命令定義坯料(選擇材料庫(kù)中的CQTYPE36)和工具(壓邊圈和凹模)。建立的三維幾何模型如圖5.5所示。 圖5.5 三維模型5.3.6 模擬壓邊力值的計(jì)算拉深成形過(guò)程與毛坯的相對(duì)厚度tD、拉深系數(shù)m、凹模工作部分的幾何形狀等因素有關(guān)，通

36、常采用壓邊圈來(lái)防止工件凸緣部分起皺。使用壓邊圈的條件：所建立的模型顯然滿足上面的條件。因此，在零件拉深過(guò)程中需采用壓邊圈，最小單位壓邊力q，可取為3MPa。圓筒形件拉深理論最小壓邊力的大小可以按下式計(jì)算：式中： 為壓邊力；為毛坯直徑；。為拉深件直徑；為凹模圓角半徑；為單位壓邊力。計(jì)算得5.3.7 數(shù)值模擬結(jié)果及分析計(jì)算的理論最小壓邊力值可能與實(shí)際情況并不完全一致，本人在模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)首先采用接近理論計(jì)算的最小理論壓邊力值15kN進(jìn)行模擬。再根據(jù)模擬結(jié)果逐步調(diào)整壓邊力的值，直到得到最優(yōu)的壓邊力值。壓邊力為15kN時(shí)模擬結(jié)果的成形極限圖如圖5.6所示。從圖中可以看出，成形后板料的外圍部分起皺較多，其它

37、部分處于成形安全區(qū)域。同時(shí)從模擬結(jié)果的增厚變薄圖(圖5.7)可以看出，板料成形后的法蘭外沿增厚最多，厚度達(dá)1032 951mm，增厚率為824 ；而凸模圓角過(guò)渡部分是變薄最嚴(yán)重的區(qū)域，最小厚度為0964 283mm，減薄率為893 圖5.6壓邊力為15KN時(shí)的fld圖 圖5.7 壓邊力為15kN時(shí)的增厚變薄圖壓邊力為15kN時(shí)模型出現(xiàn)了起皺，根據(jù)壓邊力理論可以適當(dāng)增大壓邊力的數(shù)值來(lái)降低起皺。因此在其它條件不變的情況下，再采用20kN、30kN、40kN、50kN一組壓邊力值進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。圖5.8為使用不同壓邊力值的成形極限曲線圖。顯然隨著壓邊力的增大，起皺得到明顯改善，其區(qū)域逐漸縮小，安全

38、區(qū)域明顯擴(kuò)大，40kN時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)破裂危險(xiǎn)區(qū)域，50kN時(shí)出現(xiàn)明顯的破裂區(qū)域。模擬結(jié)果的相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表如表5.1所示。圖5.8 不同壓邊力的成形極限曲線表5.1 數(shù)值模擬統(tǒng)計(jì)表 從以上的模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)采用壓邊力數(shù)值為1530kN時(shí)，模擬零件質(zhì)量比較好。取壓邊力為20KN，進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖5.9所示圖5.9 壓邊力為20kN時(shí)的增厚變薄圖5.4 模擬結(jié)論取壓邊力為20KN時(shí)，零件質(zhì)量非常好，未發(fā)現(xiàn)明顯的起皺，壁厚均勻。故在調(diào)整壓力機(jī)壓邊力時(shí)，可將壓邊力數(shù)值調(diào)整到20KN左右進(jìn)行試驗(yàn)。利用Dynaform軟件能夠較好地模擬板料成形過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變分布，特別是實(shí)際加工中難以測(cè)量的部分

39、也能通過(guò)該軟件模擬反映出來(lái)。本人結(jié)合實(shí)例，利用Dynaform軟件對(duì)圓筒件拉深過(guò)程中的壓邊力數(shù)值進(jìn)行模擬，快速確定合適的壓邊力值，最終獲得合格的產(chǎn)品，既減少了試模時(shí)間，又提高了生產(chǎn)效率。6 模具零件實(shí)裝調(diào)試6.1 模具實(shí)裝將設(shè)計(jì)好的模具安裝固定在如圖6.1所示的小松伺服壓力機(jī)的模架上，用以進(jìn)行調(diào)試及實(shí)驗(yàn)。圖6.1 安裝了模具的小松伺服壓力機(jī)6.2 模具調(diào)試及實(shí)驗(yàn)用直徑為90mm，厚度為0.8mm的08鋼坯料進(jìn)行拉深實(shí)驗(yàn)。6.2.1 第一次拉深實(shí)驗(yàn)拉深模具相關(guān)參數(shù)：凹模工作部分直徑55mm，圓角半徑1mm；凸模工作部分直徑53mm，圓角半徑4ram；模具單邊間隙05mm；壓邊力50KN；圓筒件半

40、徑54rad；拉深高度30mm。第一次拉深實(shí)驗(yàn)后成形零件如圖6.2所示6.2 第一次拉深成形零件由圖6.2可以看出，由于施加的壓邊力過(guò)大，第一次拉深實(shí)驗(yàn)的成形零件出現(xiàn)了非常明顯的拉破現(xiàn)象。6.2.2 第二次拉深實(shí)驗(yàn)拉深模具相關(guān)參數(shù)：凹模工作部分直徑55mm，圓角半徑1mm；凸模工作部分直徑53mm，圓角半徑4ram；模具單邊間隙0.5mm；壓邊力13KN；圓筒件半徑54rad；拉深高度40mm。第二次拉深實(shí)驗(yàn)后成形零件如圖6.3所示圖6.3 第二次拉深成形零件由圖6.3可以看出，零件邊緣出現(xiàn)了明顯的起皺現(xiàn)象，可能是因?yàn)槟＞唛g隙過(guò)大造成，也可能是因?yàn)閴哼吜μ?dǎo)致，目前還不明確，所以要進(jìn)行第三次

41、拉深實(shí)驗(yàn)。、6.2.3 第三次拉深實(shí)驗(yàn)拉深模具相關(guān)參數(shù)：凹模工作部分直徑55mm，圓角半徑1mm；凸模工作部分直徑53mm，圓角半徑4ram；模具單邊間隙0.5mm；壓邊力20KN；圓筒件半徑54rad；拉深高度40mm。第三次拉深實(shí)驗(yàn)后成形零件如圖6.4所示圖6.4 第三次拉深成形零件由圖6.4可以看出，第三次拉深實(shí)驗(yàn)后的成形零件無(wú)起皺現(xiàn)象，說(shuō)明第二次拉深實(shí)驗(yàn)的起皺現(xiàn)象是由于壓邊力過(guò)小造成的，同時(shí)第三次拉深實(shí)驗(yàn)的成形零件外壁出現(xiàn)了明顯的鏡面現(xiàn)象，說(shuō)明凸、凹模之間間隙過(guò)小，很容易損壞模具，同時(shí)造成成形零件壁厚不均勻，影響零件質(zhì)量。6.2.4 第四次拉深實(shí)驗(yàn)拉深模具相關(guān)參數(shù)：凹模工作部分直徑55mm，圓角半徑1mm；凸模工作部分直徑53mm，圓角半徑4ram；模具單邊間隙1.0mm；壓邊力20KN；圓筒件半徑54rad；拉深高度40mm。第四次拉深實(shí)驗(yàn)成形零件如圖6.5所示圖6.5 第四次拉深成形零件由圖6.5可以看出，第四次拉深實(shí)驗(yàn)后的成型零件壁厚均勻，無(wú)明顯起皺現(xiàn)象，零件質(zhì)量達(dá)