电机壳拉深成形工艺和仿真研究论文

毕 业 设 计 专 业 机械设计制造及其自动化 课 题电机壳拉深成形工艺及仿真研究65 / 70摘 要在计算机高速普及的信息时代,模具设计通过CAE的辅助功能显得简单快捷,尤其是对于拉深件模具的设计更显其优越性。在塑料模具、锻压模具、铸造模具等种类繁多的模具中,设计工艺复杂的拉深模具,除了要考虑其必要的工艺补充外还要对模具的拉深深度进行必要的计算。如果给的拉深深度过大不但会造成法兰边起皱,而且会在圆角较小的部位开裂,给制造带来极大的不便。按照传统的计算方法,会存在很大的误差。采用CAE 进行模具设计时,通过计算机辅助设计软件建立力学模型,使得设计计算变得简单可靠。对不合适的部位及时进行调整,确定合理拉深深度,避免在模具制造好后造成大量的修模。本文以典型盒形拉深件为研究对象,应用有限元仿真方法,分析不同工艺参数对盒形件拉深的影响,然后通过有限元软件DYNAFORM模拟拉深成形过程,获得成形的相关工艺参数及模具结构对盒形件成形质量的影响,并通过修改工艺参数来为工艺优化提供基础。关键词：DYNAFORM 5.6 拉深 模拟 工艺分析AbstractIn the information age of computer high-speed spread, die design through CAE seems quick and easy accessibility, especially for the mold design drawing even more to its advantages. In a wide variety of plastic mold, forging mold, casting mold and so on, the design process of complex drawing die, is not only considered the need for additional external process but also calculated the degree of deep drawing dies necessarily. If you spend over-big degree of drawing deep, it not only cause flange edge wrinkles, but also crack in smaller round parts and create great inconvenience for manufacturing. According to the traditional method, there will be a great error.Using CAE for mold design, the mechanical model is established by computer aided-design software, it makes design calculations easy and reliable. By adjustinginappropriate parts in time to determine a reasonable degree of deep drawing, it will avoid causing a large number of repairing model after a good model. The subject uses typical box-shaped drawing parts for forming process analysis and modeling, and byfinite-element simulation, analysis the effect of different material properties and process parameters to each other shaped box of drawing, and then by finite element software DYNAFORM simulate drawing process to obtain the relevant process parameters and forming the structure of the box-shaped mold parts forming quality, and by modifying the processing parameters to provide a basis for process optimization.Key words:DYNAFORM 5.6 Drawing SimulationProcess Analysis 目 录第1章 绪 论11.1 课题背景11.2 板材成形过程数值模拟发展概况21.2.1板材成形过程数值模拟进展21.2.2板料成形过程数值模拟技术研究进展31.2.3板料成形件及其模具的几何造型31.2.4成形件毛坯形状和尺寸的确定41.2.5 工艺条件的处理41.3 主要研究容4第2章 板料拉深有限元仿真的关键技术62.1 弹塑性有限元理论62.2 几何造型技术6第3章 制件的工艺分析83.1计算毛坯尺寸93.2 计算拉深次数93.2.1 孔拉深93.2.2 孔的变薄翻边和整形103.2.3 外孔的成形103.2.4 各工序的尺寸图11第4章 基于DYNAFORM有限元工艺仿真分析154.1引言154.2创建三维模型154.3 盒形件有限元仿真分析前处理过程164.3.1坯料工程164.3.2 工具网格划分194.3.3材料模型的选取及设置194.3.4 单位的设置214.3.5 仿真工程214.4 后处理过程25第5章 参数对模拟成形质量的影响305.1压边力的影响305.2摩擦因素的影响325.3 模拟结果的分析34总结36致37参 考 文 献38附录一 科技文献及翻译39附录二 毕业设计任务书63电机壳拉深成形工艺分析及仿真研究机械与电气工程学院 机械设计制造及其自动化专业07机械班 田明 指导老师 从升第1章 绪 论1.1 课题背景图1-1 拉深件拉深是用平面板坯制作杯形件的冲压成形工艺又称拉延。通过拉深可以制成圆筒形球形锥形盒形阶梯形带凸缘的和其他复杂形状的空心件。采用拉深与翻边胀形扩口缩口等多种工艺组合可以制成形状更复杂的冲压件。汽车车身油箱盆杯和锅炉封头等都是拉深件。拉深设备主要是机械压力机。在圆筒形工件的拉深过程中板坯由初始直径D0 缩小为冲压件的圆筒直径。表示拉深变形的大小称为拉深变形程度。变形程度很大时拉深所需变形力可能大于已成形零件侧壁的强度而把工件拉断。为了提高拉深变形程度以制出满意的工件常常把变形程度较大的拉深分为两道或多道成形逐步缩小直径增加高度1。目前,我国经济仍处于高速发展阶段,国际上经济全球化发展趋势日趋明显,这为我国模具工业高速发展提供了良好的条件和机遇。一方面,国模具市场将继续高速发展,另一方面,模具制造也逐渐向我国转移以及跨国集团到我国进行模具采购的趋向也十分明显。因此,放眼未来,国际、国的模具市场总体发展趋势前景看好,预计中国模具将在良好的市场环境下得到高速发展,我国不但会成为模具大国,而且一定逐步向模具制造强国的行列迈进。随着我国工业的迅速发展,工业产品的外形在满足性能要求的同时,变的越来越复杂,而产品的制造离不开模具,利用计算机辅助软件进行模具设计不但提高模具的制造精度而且还缩短了设计及加工的时间2。经过几十年的发展,板料成形数值模拟技术逐渐走向成熟,已形成商品化的板料成形分析CAE软件,得到许多工业部门的重视和应用,美国的通用、福特、德国的大众、奔驰、日本的丰田、日产等大型汽车制造公司,都已开始应用板料成形分析CAE软件指导板料成形件的开发和生产,产生了很好的经济效益。随着我国汽车、飞机等工业的发展,板料成形过程分析的需求日益迫切,板料成CAE软件在我国的应用越来越广泛。1.2 板材成形过程数值模拟发展概况1.2.1板材成形过程数值模拟进展自从有限元方法应用到板材冲压加工过程的模拟方面以来,己取得了很大的进展。从整体上看,板材成形有限元分析的发展可以分为以下几个阶段:七十年代末以前,主要是建立有限元模型和一些简单的应用,包括二维平面问题和轴对称问题,这个阶段采用的有限元模型主要是薄膜单元。八十年代初期和中期,板材成形分析基本上没有大的进展。这段时间人们主要是在材料模型方面进行了一些研究。相继出现了一些新的材料本构关系。八十年代末,研究人员开始三维板料成形分析。从1988年开始,有限元算法及其在工程问题中的应用都取得了很大进展。到1989年,板材成形分析己经引起了广泛的注意。有关单元工时、商用软件测试、摩擦定律、本构方程和成形极限的初步研究己有较大的进展,在NUMIFORM89会议上,研究者对二维成形问题进行了模拟,但不同分析者的预测结果差别很大,没有人能够可靠地、准确地对三维板材成形过程进行模拟,并且大多数程序依赖于薄膜单元,在起皱方面几乎没有什么进展。接触和摩擦条件是这一时期板材成形过程数值模拟中最难处理的问题。这一阶段几乎所有程序均以静态隐式算法为基础,收敛困难仍然是采用静态隐式方法的程序的主要障碍。虽然Nakamac开发了静态显式算法,Mattiassonl用DYNA程序对动态显式算法进行了测试,但当时显式算法的精度仍然无法保证。1.2.2板料成形过程数值模拟技术研究进展板料成形的数值模拟经过20多年的研究已经有了很大的发展。在实际生产中往往由于零件所要求的变形程度超过了材料的一次成形所允许的最大变形程度,必须采用多道次拉深成形的方法。如何处理多道次拉深变形的分配,以及如何精确确定材料首次拉深后的性能参数是板料成形方面亟待解决的问题。另外由于板料成形模拟技术在汽车覆盖件方面的应用,如何精确模拟复杂曲面的成形过程也是大家正在研究的热点之一。今后板料成形的数值模拟研究还要注意以下几方面：1进一步优化时间积分方案,能够将几种时间积分方案综合起来运用,各取所长。2继续对摩擦行为进行研究,建立更合适的接触算法。3优化各种本构关系,能够将成形极限图和有限元分析更好地结合起来。4对缺陷问题还要深入研究,优化数值模拟模型。5将有限元模拟系统和神经网络、自动控制等结合起来,形成大的分析系统。1.2.3板料成形件及其模具的几何造型目前所有有限元计算仿真软件的前置处理一般具有较强的有限元建模功能,但都不具备构造复杂几何型面的能力。对于由许多复杂曲面构成的零件来说,需要对零件的各个部位进行曲面造型,进而得到光顺的复合曲面。一般只有大型的CAD软件才能实现。根据得到的成形件三维几何型面。在适当增加工艺补充部分后构造出工序件型面,以此为基础来构造模具的几何型面,此时需要CAD软件具有曲面偏移的功能,以便使凸模型面和凹模型面之间有稍大于一个板料厚度的间隙。将生成的几何模型以标准的图形交换文件IGES格式输出。再由有限元软件的前置处理工具读入,完成有限元仿真的几何建模。1.2.4成形件毛坯形状和尺寸的确定在构造的模具结构中,成形件的初始状态为平板毛坯。毛坯的形状和尺寸对于材料的流动情况有着明显的影响。如何根据工序制件形状和尽寸来预测毛坯尺寸显得十分重要,这方面国外一些学者从不同的角度做了一些工作。Gerrdeen和Sowerby提出和发展的几何映射法不计材料在成形过程中的厚度变化,对于产生大变形的板料来说是很粗略的估计；后来Guo等人提出了反推法；Chong等人提出的理想成形设计理论等由于作了许多简化和假设,所以结果较为粗略；S. Kim等人提出的利用刚塑性有限元来预测杯形件毛坯尺寸的方法,是在假设杯形件侧壁等高的条件下推导的,无法推广到一般形状覆盖件。如何建立一种考虑了加载路径的基于增量理论的方法来预测毛环尺寸,将是今后的研究方向。1.2.5 工艺条件的处理板料在拉深成形过程中,工艺参数如压边力的作用、凸模的运动速度、板料与模具间的润滑条件等的改变对成形质量影响是显著的。只有恰当地描述各种工艺参数,使之较为接近真实情况,才能得到合理的仿真结果。由于板料成形件模具的压料面往往是复杂空间曲而,因此材料在成形过程中具有明显的二个阶段,即压边圈成形、凸模成形、卸载回弹。在描述压边力作用和凸摸运动速度时,必须要求压边力的作用能使凸摸在接触板料之前,由压边圈将板料压紧,即压边圈成形。一般认为压边力在压紧坯料后保持恒定,并且让凸模匀速运动。为了降低凸模运动的动力效应,也可将凸模的运动描述为正弦曲线形式,这样在凸模行程结束时。速度和加速度均为零。根据拉深工艺中摩擦状况对板料成形性能的影响特点,在板料与模具接触的不同区域应采用不同的润滑条件,即取不同的摩擦系数,以便真实地模拟材料的流动。具体摩擦系数值应根据实验来确定。1.3 主要研究容本课题主要任务是建立盒形制件拉深成形分析的三维有限元模型,并对其拉深成形过程进行仿真分析,获得成形的相关工艺参数,分析各参数对成形过程的影响,如压边力,冲模速度,毛坯尺寸,板料成形性能等。最后达到优化工艺的目的。首先,计算毛坯尺寸并对盒形制件和毛坯使用Solidworks软件进行三维建模,利用曲面偏置出凹模型腔面,导入Dynaform软件中,建立凸模和压边圈,定位工具进行仿真分析,修改各种参数观察参数对成形结果的影响。然后,研究各种参数的影响,进行工艺参数优化。本论文的正文包括以下三个部分:第一部分为绪论部分,主要阐述本研究课题的背景,理论与实际意义,并对主要研究容作初步概括。第二部分为本论文的主体部分,在该部分里,介绍了板料成形制件的工艺分析及各参数对分析过程的影响,同时介绍了一些拉深过程中的关键技术。第三部分为本论文的结论部分。对整个论文主要成果的总结。第2章 板料拉深有限元仿真的关键技术为充分理解板料拉深有限元仿真的基本原理和仿真过程,有必要将其涉及到的关键技术作一下简要介绍。2.1 弹塑性有限元理论根据材料的本构关系,可以将用于板料拉深仿真的有限元法分为弹塑性有限元法和刚塑性有限元法。相对于弹塑性有限元法来说,刚塑性有限元法由于不计弹性,所以不能计算弹性变形区的应力、应变分布,也不能处理回弹、残余应力等卸载问题,因而限制了它在板料成形中的应用。目前,弹塑性有限元法在板料拉深有限元仿真中的应用最广泛。板料的拉深过程是一个准静态过程,根据时间积分方法的不同,有限元方程的求解算法通常分为三种：即静力显式算法、静力隐式算法和动力显式算法。静力隐式算法需要构造和求解刚度矩阵,因此往往会出现迭代不收敛的情况,计算速度慢,但计算精度较高；而动力显式算法计算速度快,但其在计算残余应力等影响回弹仿真精度的关键因素时不太准确。一般来说,对于二维问题,静力隐式算法更为有效一些,而对于三维问题,动力显式算法则更有效一些。因此,我们一般采用动力显式算法来仿真板料的冲压过程,以提高计算效率和减少储存量,而采用静力隐式算法来仿真板料的回弹过程,以提高计算精度。2.2 几何造型技术目前所有的有限元仿真软件的前置处理工具一般都具有较强的有限元建模功能,但都不具备构造复杂几何型面的能力,一般需借助于第三方CAD软件才能实现。常用的商品化CAD造型软件有Solidworks、UG、CATIA、IDEAS、ProE等,这类软件各有特点,而且它们的数据点处理、曲线曲面重构,以及曲面生成质量的检测功能都比较强大,很适合于覆盖件产品测量后的造型工作。但在选用CAD造型软件时,必须考虑到所选软件要具有常用的数据转换接口,以免数据转换时出现问题,本课题选用了Solidworks来进行CAD造型。第3章 制件的工艺分析本课题制件为筒形件,采用的是自由公差。材料是37号钢DQSK,料厚为1.6mm。该毛坯应为一圆形板材。如图3-1所示：图3-1 电机壳剖视图由图3.1可以看出,该电机壳体成形较为复杂,尺寸要求精度高,主要工艺是孔和外孔的拉深成形,制件底部与外壁厚度不同,壁厚度为1.36mm,外孔壁厚度为1.45mm,所以还有变薄拉伸的过程,零件的圆角较小,拉深后还需增加整形工序。该电机壳体是轴对称的筒形件,按照一般筒形件的拉深方法成形。孔高度为14.67mm,径为14.15mm,需要多次拉深。根据冲压件的成形特点确定该制件的冲压工序为：落料拉深变薄拉深整形。拉深成形时主要考虑以下问题,拉深的变形区较大,金属流动性大,拉深过程中位于凸缘部分的材料因切向压缩极易起皱,处于凸模圆角区的材料因受到径向强烈拉伸而严重变薄,甚至断裂,从而导致拉深失败。因此,有必要分析拉深时的变形特点,找出发生起皱、拉裂的根本原因,指导工艺的制定和模具的设计,以提高拉深件的质量。3.1计算毛坯尺寸由于该电机壳体的孔壁厚、外孔壁厚以及底端厚度都不同,出现变薄拉深,故,我们采用等体积法计算毛坯尺寸。冲预制孔的体积查表的修边余量为1.2mm,所以需增加的体积为所以,总体积为根据体积不变得,设坯料直径为 ,则由得所以毛坯直径为3.2 计算拉深次数3.2.1 孔拉深 首先,对孔的拉深进行工艺计算。确定其拉深系数、拉深高度、拉深次数和凸凹模圆角半径。孔的拉深属于带凸缘圆筒形件的拉深,且是宽凸缘件拉深。孔拉深的各次的尺寸数据如下表表3-1所示表3-1 拉深工序尺寸次数筒部直径拉深高度圆角半径中径外径中线总高中线表面127.8029.411.0412.646.86220.3221.9212.1513.755.64.8315.2716.8712.4143.833.2.2 孔的变薄翻边和整形 孔拉深成形后,将进行冲预制孔,孔的直径为,然后是变薄翻边工序,变薄前厚度为1.6mm,变薄后壁厚为1.36mm,变薄因数 ,能够一次变薄成形,经过以上几个工序后,高度和圆角半径可能没达到图纸的要求,所以需要增加一道整形的工序,使之达到图纸的要求。3.2.3 外孔的成形接下来,是外孔的成形,是属于无凸缘筒形件的拉深。外孔的拉深成形是在以上步骤后进行的,首先,判断能否一次拉深成形,其拉深系数为 ,由毛坯相对厚度,查表得,故可以一次拉深成形,取凸凹模圆角半径。外孔拉深成形后,下一个工序是外孔的变薄拉深,根据经验,一般的临界变薄率为之间,该壳体的变薄率为,小于临界值,所以一次变薄拉深不会产生裂纹,凸凹模圆角半径可取,最后,经过整形工序,使得圆角半径达到图纸要求。综上所述,整个电机壳体的成形工序可及参数可以用下表表3.2所示。表3-2 电机壳体成形工艺参数表工序数工序名称拉深系数拉深高度拉深直径凸模圆角半径凹模圆角半径1孔拉深0.4611.0427.7662孔拉深0.7312.1520.324.84.83孔拉深0.7512.415.27334冲预制孔5变薄翻边1.56整形0.57外孔拉深0.5631.2558变薄拉深1.539整形0.23.2.4 各工序的尺寸图ab图 3-2 各工序尺寸图a、b、c孔拉深；d冲预制孔；e变薄翻边；f孔整形；g外孔拉深；h外孔变薄拉深；i外孔整形第4章 基于DYNAFORM有限元工艺仿真分析4.1引言本模具的工艺仿真是基于DYNAFORM5.6软件的,可使模具的设计制造周期大大缩短。仿真技术可以减少试模次数,在一定条件下还可使模具和工艺设计一次合格从而避免修模。这就可以大大缩短新产品开发周期,降低开发成本,提高产品品质和市场竞争力。随着CAD/CAM/CAE技术的进一步推广应用及数控加工机床的普及,这种设计制造工艺路线一定会越来越显示出其优越性,并被更加广泛的应用于模具制造领域。4.2创建三维模型由于DYNAFORM软件仅具备对简单的对称形状的工件的造型能力,对于像方形盒这样的复杂形状的工件的造型工作根本无法胜任,所以应读入预先由CAD软件造型好的几何模型,把CAD模型输出为*.igs文件,在DYNAFORM的前置处理器中进行网格划分,以得到DYNAFORM的仿真模型。利用Solidworks软件建立制件和下模DIE的实体模型,如图4-1所示。图4-1 三维模型图4.3 盒形件有限元仿真分析前处理过程4.3.1坯料工程1数据库操作 启动DYNAFORM5.6软件,选择BSE|Preparation|Import菜单项,将上面所建立的*.igs格式的制件模型文件导入到数据库中,编辑零件层名为Part,如图4-2所示。图4-2 文件导入界面2自动曲面网格划分 利用曲面网格划分功能进行有限元网格划分,这一步对于成功的模拟来说很重要。这里使用的是Surface Mesh来生成网格,其中,使用Part Mesh可以产生高精度的网格来最大限度的适应工具的几何形状,保证和实际冲压分析尽可能地接近。划分单元格时设置的各项参数如图4-5所示。划分网格后要检查边界和平面法向,如果网格上有间隙、孔洞、退化的单元,则需要修补这些缺陷,此图为划分好网格并检查无误的结果。PreprocessElement进行曲面网格划分,这里网格划分越细,所得计算结果越精确,在此选择最大尺寸1.0mm。划分结果如图4-3所示。图 4-3 网格划分结果3 检查和修补网格 在BSE PREPARTION对话框中选择MESH REPAIR选项,在弹出的对话框中单击Boundary Display工具,显示制件的边界,观察边界是否与实际边界相同,若有差异需进行修改。再单击Auto Normal工具,选择CursorPick选项,然后移动鼠标来选择制件上的一个单元,接受法线方向。按钮为图中红色框中显示。退出网格检查结果如图4-4所示。图4-4 检查和修补4毛坯尺寸估算 选择BSE|Blank Size Estimate菜单项,依次单击NULL和 Material Library按钮定义材料。选择DQSK作为材料。点击OK 退出MATERIAL TYPE 37 对话框图如图4-5所示：图4-5 毛坯尺寸估算坯料排样 冲裁件在条料上、带料或板料上的布置方法叫排样。大批量生产时,材料费用一般占冲裁件的60%以上。所以,材料的经济利用是个重要的问题。确定搭边值,搭边主要的作用是使条料定位,保证零件的质量和精度,补偿定位误差,确保冲出合格的零件,并使条料有一定的刚度。 考虑到模具简单,操作方便,采用如下的排样形式,工件间距离为1mm,工件与条料的间距为1.2mm。排样图如图4-6所示。 这种方式的排样,一个进距的材料利用率为73%。图4-6 排样图4.3.2 工具网格划分在进行模具的网格划分时,网格应尽量采用矩形单元,并尽量细分,以保证模具的网格描述精度。要防止仿真过程中由于网格过疏或过密,网格过疏会造成接触表面网格发生穿透现象,而网格过密则会影响仿真运算效率。较好的解决方法是：对于接触摩擦较为剧烈的圆角部位,网格应划分得密一些；而对于相对较为平缓的直壁段,网格可以划分得稀疏一些。筒形件凹模、凸模划分好的网格模型如图4-7,4-8所示。划分过程如上步的坯料划分方法,在此不再赘述。图4-8 凸模网格模型图4-7 凹模网格模型4.3.3材料模型的选取及设置在导入筒形件的Solidwords模型并划分好网格后,还要检查网格的生成质量,如翘曲度、长宽比等设置得是否合理等,以使其能够满足仿真的要求,接下来就要选取和设置材料模型了。本课题采用的材料是37#低碳钢板,其材料性能参数如表4-1所示,其应力应变关系式为,根据此公式绘出的应力应变关系曲线如图 4-9所示表4-1 低碳钢板的材料性能参数材料种类密度氏模量屈服强度破裂强度应变强化指数泊松比厚向异性指数厚度低碳钢2.061.572.810.25090.31.770.78DYNAFORM软件提供了超过100种的材料模型,但实际上只推荐使用18#、24#、36#、37#、39#五种材料模型,本课题采用了37#材料模型,它是一种基于Barlet理论的材料模型,其中需要确定的材料参数有材料密度、氏模量、泊松比、屈服应力、硬化指数和各向异性指数六个参数。其中,各种钢板的密度、氏模量和泊松比一般相差很小,因此实际中要确定的只有屈服应力、硬化指数和各向异性指数三个参数。应变应力Mpa图 4-9 材料的应力应变曲线4.3.4 单位的设置DYNAFORM软件采用单位无关性输入,即输入数据时不需附带单位,但必须保证所有单位的一致性。本文采用的单位体系见表4-2。表4-2 DYNAFORM采用的单位体系长度力时间应力毫米mm牛顿N秒s兆帕Mpa4.3.5 仿真工程前处理过后模型图如图4-10所示：图4-10 前处理后模型图1自动设置。点击 设置/ 自动设置 菜单,自动加入新建界面。设如下图4-11所示。图4-11 自动设置 定义板料及材料 板坯/定义几何模型/添加零件层,选择BANK1毛坯,如图4-12所示图4-12 定义板料 板坯/材料/材料库,选择DQSK37图4-13 定义材料3定义工具工具/punchdie、binder/定义几何模型,选择对应模型,如图4-14所示图4-14 定义成形工具4各工具定位 工具/定位/10-die,如图4-15图4-15 工具定位图5计算设置 工序/drawing 设置如图4-16所示图4-16 计算设置6计算过程图4-17 网格计算过程4.4 后处理过程在DYNAFORM中计算完成后,单击PostProcess,选择yes,进入到ETA/POST-PROCESS界面,选择OPEN FILE,打开刚才算好的d3plot格式文件,如图4-18。在这个界面中我们可以观察到许多变化,比如：成形极限的变化,如图4-19；厚度的变化,如图4-20；主应变的变化,如图4-21；次应变的变化,如图4-22；表面应变的变化,如图4-23；边界移动的变化,如图4-24。等等。在后处理中我们可以清晰、准确的把握材料成形过程中的各个方面的变化,有助于指导实践。图4-18 后处理运行界面图4-19 成形极限图图4-20 厚度的变化图图4-21 主应变的变化图图4-22 次应变的变化图图4-23 表面应变的变化图4-24 边界移动的变化第5章 参数对模拟成形质量的影响 人们对于工艺参数对板料成形性能的影响的基于理论上的认识只是定性的。利用板料成形计算机数值模拟技术, 可以定量地考察各种工艺参数对板料成形性能的影响。前面我们使用板料成形有限元分析软件DYNAFORM,对该零件的成形过程进行了有限元数值模拟,从而研究工艺参数对该零件成形的影响。本章中,我们将根据模拟结果逐步修改压边力和摩擦因子的大小直至获得合适的压边力和适当的摩擦因素。5.1压边力的影响首先,修改压边力要方便的多,所以,我们先研究压边力对成形的影响。在这部分里,我们在不改变凹模圆角半径情况下改变压边力进行模拟从而得出压边力的变化对拉深结果的影响。底部安全底部处于安全阶段如图4-19所示,出现了拉裂的情况,开始,采用的压边力为200KN,所以,这里需要减小压边力,我们取压边力为100KN、120KN以及130KN,圆角半径为R6。实验模拟结果如下图5-1、5-2、5-3所示：图5-1 压边力为100KN的成形极限图底部出现危险底部出现危险图5-2 压边力为120KN的成形极限图底部出现断裂图5-3 压边力为130KN的成形极限图通过上图观察,在减小压边力后拉裂的情况明显好多了,但凸缘有严重起皱和凹模圆角处有起皱趋势,拉深件凸模顶部没圆角处有拉裂的趋势。改进方案后模拟结果显示,起皱,未成形部分出现频繁,而且均出现在零件上。根据覆盖件的成形理论,起皱产生的原因是拉深时凸缘变形区的每个小扇形块在切向受到压应力的作用。当作用力过大,扇形快又较薄。此压应力超过此时扇形块所能承受的临界压应力的话,则扇形块就会失稳弯曲而拱起。当沿着周围的每个小扇形块都拱起,则在凸缘变形区沿切向就会形成高低不平的皱折,即起皱。变形区一旦起皱,对拉深的正常进行是十分不利的,尤其是首次拉深,还有后续拉深的零件。理论上加大压边力是可以实施的方案。但在此前,在筒形件的两端圆弧处,拉裂出现,而且均出现在零件上。根据覆盖件的成形理论,破裂产生的原因板料入模阻力过大,进料阻力超过板料的屈服极限时,板料就会变薄直至拉裂。实质上这是由于压边力过大造成的。可见单独改变压边力不能使结果有更好的变化。5.2摩擦因素的影响我们知道,板料拉深时的破裂是由于最大拉应力大于板料的抗拉强度,而影响板料成形过程中最大拉应力大小的因素主要有径向拉应力、弯曲力和摩擦力等。实践证明,通过加强润滑降低最大拉应力的方法最方便,也最有效。合理的润滑不但可以减少缺陷的发生,极提高成形极限,还可以减少模具的摩擦磨损,大大提高模具的使用寿命。本实验工艺参数是：取压边力为120KN,摩擦因数分别取和。以上的模拟过程默认的摩擦因数为模拟结果如图5-2所示：图5-2 摩擦因数为0.06时的厚度变化图当摩擦因数为时,如图5-4所示,法兰边在流动时所受到的阻力较小,比较容易流到凹模,直边侧壁出现凹陷现象,而且圆角处未出现明显的变薄现象。当摩擦因数增大为时,如图5-3所示,板料变薄率有所增大,在盒形件的两端圆弧处有拉裂的危险了。图5-3 摩擦因数为0.1时的厚度变化图当摩擦因数增大到0.125时,如图4-26所示,法兰的流动状况发生了很大的变化,由于板料流入凹模口的阻力增大,法兰处的材料流动性变差,厚度变化也很小,导致盒形件的两端圆弧处的侧壁变薄极大,从成形极限图上可以看出,成形后此处的很多单元都处在危险区域。因此,可以推断,盒形件已经拉裂。对比以上仿真结果,可以得出以下结论：在筒形件拉深中,摩擦润滑条件对其成形有着极大的影响,良好的润滑状况可以减小毛坯与模具间的摩擦力,减小板料的拉深阻力,改善板料的流动状况,避免板料厚度过度减薄而发生拉裂,从而提高材料的拉深成形极限。反过来,从仿真结果中可以看出,随着摩擦系数的增加,板料成形过程中的流动阻力增加,板料的流动性能降低,造成侧壁在成形过程中得不到压边圈下的材料的补充,造成板料的拉深破裂趋势急剧增加。如上仿真结果证明,摩擦因数过小容易造成板料凹陷,相反会造成阻力过大而拉裂,所以适当加大板料与凸模间的摩擦系数对板料的拉深成形是有利的,因此,实际生产中应根据工件的不同部位来涂抹润滑剂,使得整个工件的摩擦条件随部位的不同而不同,以改善拉深成形条件。5.3 模拟结果的分析综合分析以上模拟结果可得出如下结论： 压边圈可以对板料的冲压成形产生重要影响,可以有效地控制法兰各部分的金属流动,改变压边力可以改变变形阻力的大小,改变材料变形程度,增加零件的整体强度,降低起皱的产生因素,通过调整压边力可有效改善起皱、拉裂等缺陷； 摩擦因数的影响在拉深成形过程中也是非常重要的,板料拉深时的破裂是由于最大拉应力大于板料的抗拉强度,而影响板料成形过程中最大拉应力大小的因素主要有径向拉应力、弯曲力和摩擦力等。实践证明,通过加强润滑降低最大拉应力的方法最方便,也最有效。合理的润滑不但可以减少缺陷的发生,极提高成形极限,还可以减少模具的摩擦磨损,大大提高模具的使用寿命。15由于板料成形的复杂性,影响因素的多样性,因此单靠调整某一参数和布局是难以彻底消除起皱、拉裂等缺陷,实际上工厂在生产中,也都是同时调整多项工艺参数来防止缺陷的,如改变冲压速度,改善润滑条件,优化毛坯及优化工艺补充面等,这些措施都可以有效防止成形过程中缺陷的产生。数值模拟的结果有非常高的可信度,可以很好的预测出冲压成形过程中可能出现的缺陷,通过对缺陷的预测和分析,并提出改进措施,可以有效的减少试模的工作量,缩短模具的制造周期,也证明了数值仿真模拟对实际生产的指导作用。总结本课题主要研究筒形件的拉深成形,以Solidworks、DYNAFORM为工具,对筒形件的成形进行了研究,对工艺参数对筒形件的拉深结果的影响进行了仿真分析,重点分析了压边力、摩擦因素对板料成形的影响,通过对模拟结果的分析来改进参数设置,最终使板料成形达到了良好的状态。通过本次研究,可以认识到几种参数对板料成形过程的重要影响。同时板料拉深中的一些关键技术和关键问题如模型建立、几何模型传递、单元划分、接触摩擦的设置等对更好地发挥有限元仿真技术的作用有着巨大的作用,在实践中还需要更多的总结。通过本次研究可以说明,合理的数值模拟仿真的正确性,可以对实际生产起指导作用,可以预测缺陷的产生,从而在实际生产中避免这些缺陷,缩短产品试制的时间,可以缩短开发新产品的周期,从而提升企业的竞争力。在研究中,作者深切体会到了有限元分析过程的困难性与复杂性,更体会到了其对实际生产的重要指导意义,这坚定了作者继续努力学习下去的信心,在以后的工作中不断探索,将数值模拟与实际生产更好的结合起来。作者认为,研究前人所提出的拉深工艺和模具结构,对于更好地掌握板料拉深时的变形规律,减少工艺和模具设计时的盲目性有着重要的意义。致本论文在指导从升老师的多次指导下终于完稿,感激之情,溢于言表。在论文写作过程中,得到了许多教师和同学的指导和帮助,老师严谨的治学态度、渊博的专业知识、崇高的职业品德、无私的奉献精神令我很感动,我从老师身上学到了做学问的态度、方法与知识,但更重要的是学到了做人的道理与做任何事情都应有的认真、严谨的态度。这将使我受用终身！在这里我要对指导教师表达衷心的敬意与意。在此过程中,有众多的老师和同学帮我搜集、查阅资料,校对文章,我不胜感激！同时对所有关心过我的领导、老师、同学表达我由衷的敬意！最后衷心感在百忙之中抽出时间参加答辩的各位专家、教授,你们！参 考 文 献1高锦主编.塑性成形工艺与模具设计M；：机械工业；2001.82 军等.基于数值模拟的深筒形件多次拉深工艺与实验研究J；金属铸锻焊技术；20XX09期3揭小平,叶建雄,袁有录,国泰.盒形件拉深成形工艺的数值模拟J；锻压技术；20XX03期4樊百林,严,管克智,临,黄永健；不锈钢热变形流动应力数学模型J；科技大学学报；20XX03期5成允,邓明,乐经钢；厚板小孔冲裁力学分析J；工学院学报；20XX05期6卫和,熊洪淼；锥形件拉深变形过程研究J；塑性工程学报；1997年02期7美国工程技术联合公司；eta/DYNAFORM 应用手册,2006.18文亮；板料成形CAE分析教程M.：机械工业,2005.39 杜东福主编；冷冲压工艺及模具设计M;科学家技术,199910 邓明,吕琳等编著；冲压成形工艺及模具M;：化学工业,2006.711 晖；基于CAE的冲压工艺分析理论与关键技术研究D；：大学,200312王秀凤,郎利辉；板料成形CAE设计及应用：基于DYNAFORMM；：航空航天大学,2008.1附录一 科技文献及翻译英文原文：Effect of theBlank Holder Force on Drawing ofAluminum Alloy Square Cup: Theoretical and Experimental InvestigationAbstract： In this study, the influence of AA5754-O material, an aluminum alloy, in forming the blank holder force in deep drawing process has been investigated. For this purpose, a new experimental system has been prepared. By means of this system, deep drawing process can be implemented through applying variable forces in computer-controlled manner on the blank holder and sheet plate. The numerical model of forming with deep drawing process has been built up and analyzed via the LS-DYNA software. Cup depths, tearing and wall thickness variations of the experimental and numerical results have been compared. It has been observed that no earing and wrinkling have occurred in BHFs between 1.3 and 8MPa in square deep drawing process, and that tears have occurred in forces exceeding 18MPa. It has further been observed that the best forming has occurred at 5MPa, and that the numerical and experimental model developed is in harmony with one another at a rate of 85%.Keywords: Square deep drawing Finite element analyze AA5754-O Earings. IntroductionAs thin-walled cups are intensively employed in the industry, plastic deformation by means of deep drawing process has been investigated by myriad of researchers. Majority of the surveys have concentrated on the limit drawing ratio in plastic deformation or problems occurring during the deep drawing process such as folding, wrinkling and tearing.Folding and tearing problems in deep drawing process may depend on several effects, in addition to the BHF. These are; the clearance between the matrix and the punch, rate of rounding the matrix edges, rate of rounding the punch edges, lubricity between the matrix of the plate drawn and the punch, drawing speed and drawing force. All of these parameters have been investigated by various researchers . Deviation of any of the above-mentioned parameters under optimum efficiency conditions closely relates to the sensitivity in deep drawing process and the volume of deep drawing. When the above parameters are determined by the method of trial and error, increase in time and cost occurs. Therefore, practically obtaining the values pertaining to the material to be processed will provide advantages in manufacturing and production costs. Currently many researches are carried out on this subject . There is focus particularly on studies regarding the decrease of earing on aluminum and magnesium alloys and regarding its effect on the surface structure .Aluminum material of AA5754-O Turkish grade series with a sheet thickness of 2mm that is highly employed in deep drawing processes has been used in this study for determining BHF and deep drawing process results compared with experimental and numerical.A blank holder system is developed with computer control in accordance with the control of the BHF, and the optimum BHF for the formability of the material using this system is determined experimentally and theoretically.2. Experimental studies2.1. Experiment setupThe experiment setup has been provided in Fig. 1. Thehydraulic press has a 60 tonnes force. Hydraulic cylindersemployed for controlling the BHF have a diameter of60mmand they are computer operated.2.2. Mold designSince the purpose of the study is to examine the change onformation and the wall thickness by controlling the BHF andto determine the optimum BHF, the sheet metal thickness hasbeen selected as 2mm to minimize the measuring sensitivity.Dimensions and thicknesses of the square cup to be