基于CADCAE的方盒件变压边力冲压成形工艺设计
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基于CADCAE的方盒件变压边力冲压成形工艺设计,基于,CADCAE,方盒,变压,冲压,成形,工艺,设计
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本科毕业设计说明书（论文） 第I页 共页目 录1 绪论11.1 引言11.2 方盒件变压边力冲压成形的主要研究方向21.2.1 冲压成形工艺21.2.2 变压边力21.2.3 板料冲压成形CAE分析方法31.3 主要研究目标及内容41.4 论文的组织结构52 方盒件冲压成形工艺理论分析72.1 方盒件成形的拉深成形原理72.2 方盒形件变形特点82.3 方盒形件主要拉深失效形式93 方盒形件成形过程的变压边力分析与研究123.1 临界压边力影响因素分析123.2 板料成形安全区域研究143.3 变压边力中的控制曲线153.4 仿真与分析步骤154 基于CAD/CAE的方盒件变压边力冲压成形仿真与建模174.1 DYNAFORM软件概述174.2 基于CAD/CAE的方盒件模型建立184.3 方盒件冲压工艺模拟与分析前处理194.4 方盒件冲压工艺模拟与后处理分析214.5 不同压边力控制曲线仿真结果及分析224.6 同一压边力不同控制曲线结果分析294.7 小结32结束语33致谢34参考文献35 本科毕业设计说明书（论文） 第37页 共36页1 绪论1.1 引言拉深是板料冲压成形中的主要成形方式,在汽车、航空航天、石油化工等诸多等领域均有广泛的应用。例如,汽车车身覆盖件、大油罐等的成形均采用拉深工艺。然而,如何保证板料塑性成形零件的质量,降低废品率,减少模具的返工,缩短模具设计周期,一直是板料塑性成形领域的一大难点。板料成形过程包括了非常复杂的物理现象,涉及力学中的三大非线性问题:几何非线性、物理非线形和边界非线性1。因此,难以用传统的弹塑性理论的解析法进行研究。利用传统的方法进行冲压件工艺分析时，为了避免材料成形过程中出现断裂、起皱、颈缩等不良影响，必须反复修改成形加工的某些参数或修改模具形状，使得工艺过程耗资大、产品开发周期长，已不能适应激烈的场竞争和现代工业的发展要求。随着计算机技术的迅速发展及有限元方法的成熟,特别是商用有限元软件的不断完善,促进了板料成形中数值模拟技术的发展。该技术减少了试模过程,缩短了产品开发周期,降低了成本，对提高制成品的制成质量提供了良好的保障。方盒形件广泛应用于电子部件和汽车部件中，如电池盒、半导体盒和汽车反光镜、汽车油箱等。在实际生产中拉深件多为非轴对称形状，而方盒形件是典型的非轴对称形的拉深件，在方盒形件拉深过程中材料的变形较为复杂，因此以方盒形件为研究对象对拉深工艺作进一步的探讨更具有实际意义2。传统的压力机在冲压过程中压边力一般为恒定值，这制约了材料的成形性能，也影响了冲压件的尺寸精度和稳定性。为了获得更好的成形质量，变压边力控制曲线对成形性能的影响和变压边力预测成为目前冲压技术研究的关键技术之一。因此，选用非轴对称件方盒件，借助CAE对不同类型压边力控制曲线的板料成型性能的仿真，寻找合适的压边力控制曲线，将弹塑性力学理论和人工智能技术结合起来，提出预测板料拉伸过程中压边力控制曲线的办法，大幅度减少设计和试验的工作量，降低成本费用，提高板料的成形性能，最终奠定对复杂形状冲压件压边力的智能预测研究的基础，对智能数控冲压机床的研究和设计都具有重要的现实意义。本课题针对方盒件冲压成形对压边力控制的要求，采用变压边力方式，首先选取了简单的非轴对称件方盒形件作为研究起点，借助CAD/CAE手段通过对不同类型压边力控制曲线的板料成形性能仿真，寻找合适的压边力控制曲线，探讨方盒件冲压成形工艺。1.2 方盒件变压边力冲压成形的主要研究方向盒形件是金属薄板拉深成形中较为典型的冲压件，其变形规律具有一定的典型性，研究这类件的成形规律，不仅对这类件成形工艺参数和工艺步骤的确定是至关重要的，同时也是进一步认识复杂件成形规律的基础。因此国内外对此展开了大量的研究。主要集中在冲压成形工艺、变压边力和板料冲压成形CAE分析方法等方向上。1.2.1 冲压成形工艺板料成形加工是金属加工的一种重要工艺方法，它不仅生产效率高、原材料消耗少，而且可以有效地改善金属材料的力学性能和组织，因而在国民经济中得到了极为广泛的应用，特别是在航空、宇航、汽车、造船、电器、五金等工业部门。板料冲压成形的方式有很多，通常可用四种基本变形方式来认识，即膨胀、拉延、伸长类翻边以及弯曲变形板料冲压成形的方式有很多，通常可用四种基本变形方式来认识，即膨胀、拉延、伸长类翻边以及弯曲变形3。一般来说，板料成形性能依赖于压力、拉力、拉伸速率、温度这些与金属抗伸长断裂有关的因素，金属材料的尺寸、形状、第二相微粒的分布状况等对其性能影响也很大4。冲压是一种高效率的生产方式，适用于大批量的生产，其材料的成本占生产成本的60%80%，材料利用率的高低主要取决于排样方案的优劣。根据不同的加工工艺与加工方式，有普通单排、普通双排、对头单排、双头双排4种排样方式可供选择。在金属材料成形中，材料的成形过程受到材料的参数，工艺参数，材料尺寸等诸多因素的影响，其中材料参数主要包括材料的抗疲劳强度，屈顺强度，应变硬化指数，各向异性指数等。工艺方面参数主要是指冲压速度，压边力的大小和分布，成形润滑情况等等5,6。1.2.2 变压边力变压边力技术研究的关键在于：如何在保证成形质量前提下改善材料的成形极限。变压边力可以分为随时间变化的变压边力、随位置变化的变压边力、随时间和位置综合变化的变压边力。(1)随时间变化的变压边力对成形性能的影响：随时间变化的变化的变压边力是指在薄板成形过程中，在压边圈采用整体压边圈的前提下，压边力仅随凸模行程变化的变压边力，采用这种压边力可以有效改善材料的成形性能。意大利的巴勒莫大学的L.Fratini和F.Micari进行了大量的模拟和实验，对不同材料和拉深比的轴对称件在不同压边力变化方式下进行成形性能研究，得出选择恰当的渐增的压边力变化方式可以使拉深深度最大的结论。新加坡的S.Thiruvarudchelvan以铝板、铜板杯形件拉深为例，分析了压边力与冲压力成正比（约34）拉深过程，在实验的基础上得出采用变压边力形式将有利于提高圆筒形件的成形质量，降低了拉延开始时的拉裂危险性，消除起皱时所用的最大压边力比采用恒压边力所需最大压边力要小，并且杯壁部分的减薄量小于恒定压边力作用时的减薄量。Ahmetoglu等人对渐减式压边力曲线进行了进一步的实验研究，实验和有限元分析的结果表明，从较大的压边力逐步减少到仅能消除起皱的恒定压边力的变化曲线能显著减小法兰起皱的高度，并且可以避免较大的恒定压边力所造成的断裂。(2)随位置变化的变压边力对成形性能的影响：随位置变化的变压边力是指在薄板成形过程中,在冲压件的法兰区不同位置施加大小不同但恒定的压边力，采用这种变压边力控制技术,不仅可以提高薄板的成形性能,减少和消除成形过程中起皱和断裂等缺陷,而且能提高冲压件的尺寸精度和冲压过程的稳定性。(3)随时间和位置综合变化的变压边力对成形性能的影响：随时间和位置综合变化的变压边力是指在薄板成形过程中,在冲压件的不同位置施加大小不同的压边力。这种变压边力技术是综合随时间变化的变压边力技术和随位置变化的变压边力技术，其更能提升材料成形性能。特别是对非对称件，这种变压边力更能改善材料的成形极限和质量。目前,国内外对变压边力改善板料成形性能的内在机理仍不够十分了解，研究结果不能直接用于指导实际生产，同时，最佳变压边力的确定仍依赖于手工“试错”，并且缺乏有效的确定最佳变压边力优化设计方法。研究发现，通过数值模拟与正交优化的有效结合，对方盒件成形进行研究也表明了正交设计优化方法对于方盒件冲压成形参数的优化是一种有效可行的途径。在冲压成形过程中，压边力的大小是影响冲压件起皱和破裂是否出现的主要因素7,8。适当的控制压边力在拉深加工中的数值，能够更好的控制制品成形的质量。1.2.3 板料冲压成形CAE分析方法板料成形数值模拟技术涉及到塑性力学、有限变形理论、有限元理论、板壳理论、计算数学、计算机辅助设计、计算机图形学和可视化技术等多方面的理论和技术。一般来说，一个成功的金属板料冲压成形CAE系统从功能上讲都是由前置处理、有限元求解器和后置处理三部分组成9。板料成形CAE分析的一般过程为前处理(网格划分、定义约束条件、施加条件和边界条件等)，求解(数值计算) 和后处理分析结果(应力、应变、材料厚度分布、能量等历史曲线、云图及动画、切取截面显示、回弹、FLD 图等)。金属板料冲压成形CAE技术主要是通过对结果的分析，使产品设计、模具结构更合理、工艺参数更满足要求。板料成形CAE分析的一般步骤如图1.1 所示。DYNAFORM是目前最常使用的CAE软件。DYNAFORM的主要功能包括分析拉伸、成形、回弹、翻边、切边等板料成形过程中的不同工序，也可以进行多步成形（或多工序加工）分析10。通过用户已定义好的冲压工艺及模具曲面形状来预测成形状态，其中包括减薄拉裂、起皱、回弹等各种问题，同时可以对成形力、压边力、拉延筋、模具磨损等各种工艺问题进行分析，以便优化工艺和模具设计。对于容易出现局部开裂的现象，拟定利用DYNAFORM在计算机上基于实际的边界条件进行数值模拟计算，验证和优化工艺参数。图1.1 板料成形CAE分析的一般步骤1.3 主要研究目标及内容本项课题以非轴对称件方盒形件为研究对象。通过对简单的方盒件进行有限元数值模拟。了解板料在拉深成形过程中冲压成形状况。通过比较几种不同情况下冲压成形效果较好的一种。并进一步通过变压边力法来优化其成形工艺。本课题的主要内容归纳如下：（1）分析国内外的研究现状，确定本课题的研究内容；（2）分析方盒形件拉深过程中所产生的缺陷，确定影响成形质量的因素，并初步提解决方案；（3）介绍板料成形的有限元数值模拟基本理论及 Dynaform软件的数值模拟过程，确定研究方盒件成形工艺的具体仿真实验方案；（4）选择板料及模具的参数，使用Pro/E建立CAD模型，Dynaform建立冲压模具、压边圈、板料的有限元模型，建立方盒件模型，选定合适的试验参数11,12；（5）采用不同的压边力对方盒件来冲压成形性能进行比较，得出较优解。 本论文将对仿真模型进行以下分析：（1）拉深过程施加不同的压边力，找出压边力对成形质量的影响特点，从而确定合适的压边力大小；（2）修改变压边力中控制曲线，分析不同压边力下同一加载方式的不同冲压成形效果；（3）在已寻找到的合适压边力下，分析同一压边力下6种不同加载方式的不同冲压成形效果，最后确定较好的加载方式。1.4 论文的组织结构本文以板料拉深成形中比较有代表意义的方盒形件为主要研究对象，基于CAD/CAE的方盒件变压边力冲压成形工艺研究使用板料成形模拟仿真专用软件包DYNAFORM对方盒形件进行仿真和分析，获取合适的压边力控制曲线，并寻找方盒形件成形的合适的压边力和合适的压边力下最佳的加载方式。全文分为五章，各章内容如下：第1章：简要介绍了课题研究的背景和意义，分析了目前方盒形件变压边力冲压成形相关技术的主要研究方向，确立了课题的研究内容和目标，阐述了论文的结构安排。第2章：分析方盒形件拉深过程的变形特点，并简要分析了板料拉深成形失效形式。第3章：介绍了方盒形件成形过程的压边力分析与研究的理论和方法，对方盒形件成形时破裂和起皱压边力理论进行了研究，分析了影响板料临界压边力的因素，并讨论了板料成形的安全区域。在板料成形安全区域，使用变压边力技术，且在变压边力过程中加载不同的控制曲线，以控制施加在压边圈上不同部位压边力的大小并简要列出6种不同变压边力的加载方式。最后给出了方盒形件成形过程的具体研究方法及步骤。第4章：基于CAD/CAE的方盒件变压边力冲压成形进行工艺研究，使用模拟仿真专用软件DYNAFORM对6种不同形式的压边力曲线控制下的方盒形件成形过程进行了仿真分析，确定了合适的压边力并在较优的成形效果下寻找控制曲线中较好的加载方式。最后简要总结了本课题研究所取得的成果与不足，并对今后的工作进行展望。2 方盒件冲压成形工艺理论分析板料拉深是在模具的作用下，板平面内产生切向压应力和径向拉应力，坯料通过拉深凹模向直壁流动，使板料成形为空心零件，或浅的空心毛坯成形为更深的空心零件的冲压工序13,14。拉深变形总是与弯曲的胀形等其他方式的变形同时发生。因此需要从方盒形件的拉深成形工艺着手，了解其主要成形缺陷机理以及板料成形失效中破裂和起皱的评价标准从而寻找到合适的压边力变化的规律和范围15。2.1 方盒件成形的拉深成形原理方盒形件拉深成形是属于盒形件一种基本的拉深成形方式。如图2.1所示，宽度为L的板料在冲压力、压边力和圆角半径为的凸模、圆角半径为、转角半径为、截面宽度为B的凹模共同作用下，被拉入凸模和凹模之间的间隙里，成为开口的方盒形件。方盒形件上高度为h的直壁部分是由毛坯的法兰区部分转化而成的。图2.1 方盒形件拉深原理方盒形件可以看作由直边部分及圆角部分组成。方盒形件拉深变形时，圆角部分近似圆筒形件的拉深，直边部分近似板料弯曲。因此方盒形件的拉深成形是圆角部分拉深、直边部分弯曲两种方式的组合16。但是，方盒形件的圆角及直边是联系在一起的整体，因而变形时必然又相互的作用及影响，以至圆角不是简单的圆筒件拉深，直边部分不是单纯的平板弯曲。在直边部分横向间距缩小，愈靠角部缩小愈多；纵向间距增大，愈靠盒形转角处增大愈大。这是由于在拉深时，圆角部分的材料要向直边部分流动，使直边部分材料受压。其结果使横向间距变小，纵向间距变大，愈近角部变化愈大。圆角部分并不是单纯的弯曲变形。由于圆角部分的材料要向直边部分流动，因而直边部分也增加了横向压缩、纵向伸长的变形。而圆角部分，由于直边区存在金属的流动，使得圆角部分的变形程度大为减小17,18。2.2 方盒形件变形特点因此，盒形件得变形特点可归纳为以下几点：（1）盒形件拉深时，角部变形基本上与圆筒形件拉深变形相似，只是由于金属向直边流动，使得径向应力在角部的分布是不均匀的，拉应力在圆角中间处最大，直边中间处最小，而且平均拉应力比相应圆筒形件的拉应力小的多，于是减小了危险断面的载荷，不易被拉断，故盒形件的成形极限较高。（2）拉深时，压应力的分布也如同分布不均匀，在圆角中间处最大，直边中间处最小，如果直边较长，中间部分近似为零。（3）盒形件的最大拉应力和最大压应力均出现在角部。因而破裂、起皱等现象也多在角部发生。在远离角部的直边部分一般不会产生起皱19,20。（4）由于变形速度的不一样，从而导致应力分布不均匀。因此在方盒形件的圆角区和直边区的过渡区域，存在剪切应力。在过渡区域的中间处剪切应力最大，然后向两边逐渐减小。由此可见，毛坯的变形主要集中在凹模表面的凸缘上，拉深的过程就是使凸缘部分逐渐收缩，转化为方盒形件壁的过程。拉深过程中凸模圆角以上的材料为主要变形区，而底部通常是不参加变形的不变形区。盒形件拉深时，不仅在直边部分的凹模圆角处产生弯曲变形，而且在法兰区产生切向收缩、径向伸长的变形与圆角区的变形性质基本相同。通过分析盒形件成形机理指出，盒形件变形时，变形区圆角处与直边处的金属由于位移不同而诱发的剪应力能降低圆角处传力区的轴向拉应力；由于变形区直边处产生拉深变形，使圆角处变形区的变形抗力得到降低。方盒形件是一种非轴对称的零件，它的筒壁是由直边部分与圆角部分构成。拉深变形时，应力、应变在变形区内沿周边的分布很不均匀，而且随着零件的几何参数、毛坯形状以及拉深条件的变化，其不均匀程度也会变化21,22。此外还有板材本身的各向异性等，这些构成了盒形件拉深的一系列特点，也是盒形件拉深的难点所在。因此，人们对于盒形件的成形机理，缺陷的分析，成形极限和材料各向异向性对拉深的影响等作了大量的研究。由于盒形件形状的非轴对称性和自身结构的复杂性，决定了盒形件成形时不同于圆筒形件最大特点就是不均匀性，这种不均匀性主要体现在以下几个方面：（1）受力分布不均匀性盒形件拉深变形过程中，在法兰变形区，圆周部分的正应力沿切向和径向的分布、直边部分正应力沿横向和纵向的分布都是不均匀的。在已变形的直壁部分，直边区和圆周区所承受的单位载荷也是不同的。（2）变形分布不均匀性盒形件成形过程中变形主要在法兰区进行，而冲头的底部材料基本不变形或有少量的胀形部分。研究表明:法兰区平面内圆周区和直边区的变形程度是不同的，圆周区的变形程度大于直边区。（3）变形速度不均匀性盒形件拉深成形时，直边部分的流动速度大于圆周部分的流动速度。但是，直边区和圆周区是一连续的整体，因而其位移速度场的分布也是连续的23，不存在间断点，两区之间也不存在明确的分界线。2.3 方盒形件主要拉深失效形式由于盒形件的成形情况较为复杂，既包括圆角部分的圆筒形拉深,又存在直边上的弯曲和拉延,加之盒形件的应力应变状态也很难分析,所以它的成形工艺设计和控制变形非常困难，其成形过程常常产生许多缺陷，如起皱、拉裂、回弹、内凹、弹复补偿不当、滑痕、形状歪扭等。方盒形件在拉深时的主要失效形式有破裂、起皱、回弹、内凹等。（1）起皱所谓起皱是指在原为光滑的平面或曲面上出现褶皱的现象。在板料冲压成形时，为了使板料产生塑性变形，模具要对板料施加一定的外力，在板料内部产生复杂的应力状态。由于板厚方向尺寸与其他两个方向的尺寸相比很小很小，因此变形过程中厚度方向是不稳定的。故当外力在板平面内引起的压应力使板厚方向达到失稳极限时便产生失稳起皱。起皱是板料拉深成形中的一种有害现象，轻微的起皱会影响产品的形状精度、尺寸精度以及表面质量等，而严重的起皱可能会妨碍和阻止加工过程的顺利进行。因此，对起皱问题进行研究，深入了解其产生机理，科学地掌握其发生的规律，对板料成形技术的进步具有十分重要的意义。在板料冲压过程中产生的起皱是多种多样的，大致可以分为压缩力、剪切力、不均匀拉深力以及平面内弯曲力等四类。方盒件成形过程中，一般会在法兰区、壁部、过度区以及凸模头部部分产生皱褶。法兰区的皱褶也是其它部位产生皱褶的原因。法兰区的皱褶是由于料在成形过程中受到切向压应力和径向拉应力的作用，板料开始顺着凹模口的法线方向凹模腔延伸，法兰随着收缩变小，应力发生变化，多余的板料则相互挤压，切应力过大，引起法兰失稳，产生皱褶。盒形件圆周处垂直壁上产生褶皱的原因是在于法兰上先发生皱褶引起的，或是拉深凹模圆角的磨损。在凸模底面上出现的皱褶是因板料在型腔内被凸模头部与凹模底部所压形成再拉深状态。冲程结束后，在凸模面及凸模肩的拐角处产生皱褶，是因为拐角处的材料在拉深过程中变薄，多余的材料相互挤压产生应力所致。图2.2 板料起皱类型（2）破裂破裂是拉深失稳在薄板冲压成形中的主要表现之一。在以拉为主的变形方式中，板料往往过度变薄甚至拉断，这种现象实质上和起皱一样，也是变形不能稳定进行的结果。不同的是，拉伸失稳只可能发生在材料的塑性变形阶段。（a）底裂也称为拉深破裂，多出现在冲头底部的圆角区，严重时直边部分也会出现，如图2.3 a所示，这种破裂首先发生在底角圆弧与直壁相接的过渡区，其原因是这个部位在变形过程中发生两次弯曲，变形程度较大，材料变薄严重，当变形力超过其承载能力时，就产生破裂，多在最大变形力出现之前。（b）壁裂发生在筒壁的圆周和直边区。一般有V型壁裂和横向壁裂两种情况。 V型壁裂，是一种比较常见的破裂。多发生在直壁圆角靠近凹模肩部的地方(图2.3 c)，一般呈“V”型，无论变形力是否达到最大力，都可能产生这种破裂。关于这种破裂机理的基本观点是:法兰变形区金属流动不均匀8，圆周部分变形程度大，硬化严重；圆周部分材料增厚，压边力集中于此，形成直壁承载时的应力集中；凹模圆角处金属材料经历了强烈的纵向弯曲、反弯曲和横向弯曲，金属严重变薄，致使破裂。图2.3 常见的几中不同破裂情况（c）横向壁裂发生在盒形件直壁区直边上的横向裂纹。多发生在尺寸比较大的盒形件，特别是有拉深筋或在凹模肩部受到胀形及反复弯曲的直壁部位更容易发生。一般观点认为横向壁裂的原因主要有：拉深深度过大、凹模圆角半径过小、压边力过大及拉深筋的存在、润滑条件不好等。（3）回弹在板料成形结束阶段，随着变形力的释放或消失，成形过程中存储的弹性变形能要释放出来，引发内应力重组，进而导致零件整体形状改变，这种现象称为回弹。产生回弹的原因主要由两个：一是因为当板料内外缘表面纤维进入塑性状态，而板料中心仍处在弹性状态，这时当凸模上升去除外载后板料产生弹性回跳；二是金属塑性变形时总是伴有弹性变形，所以板料弯曲时，即使内外层纤维全部进入塑性状态，当凸模上升去处外力后，弹性变形消失，也会出现弹性回弹。回弹是板料成形中不可避免的现象，它的存在影响零件成形精度，增加试、修模以及成形后校形的工作量，故在生产实际中迫切需要采取行之有效的措施。零件的最后回弹是整个成形历史的累积效应，而板料成形过程中与模具几何形状、材料特性、摩擦接触等诸多因素密切相关，所以板料成形的回弹问题非常复杂。3 方盒形件成形过程的变压边力分析与研究在冲压成形过程中，压边力（简称BHF）主要用于产生摩擦阻力，以增加板料中的拉应力，控制材料流动，使拉深过程中不起皱或不破裂。若压边力过小，会产生起皱现象；压边力过大，则会使板料产生破裂现象。故压边力的大小是影响冲压件起皱和破裂是否出现的主要因素。变压边力技术研究的关键在于：如何在保证成形质量前提下改善材料的成形极限。由于工作条件的差异、仿真软件的差异、仿真模型建立的差异、起皱区域的划分、摩擦条件的不确定性等因素，导致合适的压边力曲线还没有明确的结论。因而，进一步从理论上解析板料拉深成形过程，并结合实际生产研究出最有利于提高板料成形性能的压边力曲线是很有必要的。3.1 临界压边力影响因素分析从理论上讲，板料起皱和断裂的临界压边力并不是唯一的。下面就在前面方盒形件破裂和起皱的临界压边力理论推导的基础上具体分析模具几何形状、板料厚度、毛坯宽度L、摩擦系数、厚向异性指数、强度系数K、应变强化指数n、材料强度、材料屈服极限等因素对方盒形件成形质量的影响24。（1）模具的几何形状凸模圆角半径和凹模圆角半径主要影响破裂临界压边力曲线，对起皱临界压边力曲线影响比较小。不难想象，较大的凸模和凹模圆角有利于增大成形安全区域，凹模圆角半径对破裂临界压边力的影响大于凸模圆角对破裂临界压边力的影响。其中凸模圆角半径过小，成形阻力大，凸模圆角半径过大，容易造成板料冲压时，底部材料的破裂。同时合理的转角半径，对于提高成形质量也是有很大影响，如果转角半径过小，板料很容易发生破裂。同时凹模截面尺寸B，对于拉深成形也有很大的影响，凹模截面尺寸越小，材料越不容易进入模腔，材料容易发生起皱。（2）板料厚度板料的厚度越大，起皱临界压边力越大。当板料的厚度增加时，材料越不容易产生破裂失效，故其破裂临界压边力也增加。但是厚度较大会引起冲压过程中板料的内凹，经过仿真发现在=1.8mm时，材料易发生内凹。图3.1 板料厚度对成形影响（3）毛坯外形尺寸L合理的毛坯外形不仅可以减小加工用料，而且能减少甚至免除后续的修边工序，大大降低了生产成本。另一方面，合理的毛坯外形能改善成形过程中材料变形，减轻局部变薄，因而有利于提高产品质量。（4）摩擦系数摩擦系数的大小对拉深成形过程的影响具有两面性。从减少板料在拉深过程中的摩擦损耗，减少方盒形件壁传力区的负担来讲，凹模与压边圈和板料接触的工作表面应比较光滑，尽量减小摩擦系数，有利于改善盒形件金属流动条件，有利于材料的拉深成形。另一方面，凸模与方盒形件壁之间的摩擦可以增大拉深能力。根据前面的结论可知，随着摩擦系数的增大，破裂临界压边力减小。当摩擦系数增大时，则有板料法兰变形区的径向拉应力增大，相应地切向拉应力减小。因而增大时，拉深中的起皱临界压边力则减小，有利于降低起皱的可能性。（5）厚向异性指数由于板料在生产过程中要经历轧制与退火等工艺，使得板料塑性在各个方向上存在一定的差异，即板料的塑性各向异性。厚向异性指数反映了板料在板平面方向和厚度方向上由于各向异性而引起应变能力不一致的情况。反映了板料在板平面内承受拉力或压力时抵抗变薄或变厚的能力。值越大，表示板料在宽度方向上易于产生变形，可以减少起皱的可能性；在拉应力作用下，值越大，板料在受拉处不易变薄，可以减少被拉裂的可能性。当r值增大时，破裂临界压边力也增大，而起皱临界压边力几乎不受r值的影响，因此安全区域随着厚向异性指数r值的增大而增大。（6）强度系数K强度系数K表示材料的强度性能，其数值取决于材料的种类。当K值增大时，起皱临界压边力增大，由前面的分析可知，破裂失效时的极限载荷随着K值增加而增加，故破裂临界压边力也增加。（7）应变强化指数n应变强化指数n值也称为加工硬化指数或硬化系数，它表示板料在冷变形过程中材料的变形抗力(强度)随变形程度增大而增加的性质。n值越大的材料，在相同的变形程度下，应力增加得越多。故加工硬化越强的材料在拉深过程中越不容易产生细颈，因而危险断面的变薄甚至拉断现象也就可以相应的延迟很多。因而可想而知，破裂临界压边力随n值的增大而增大，而随着n值的增大，起皱临界压边力减小25。所以安全区域随着应变强化指数n值的增大而增大。（8）材料的强度由前面的分析可知，当材料强度增大时，破裂临界压边力增大，而其对起皱临界压边力影响不大。（9）屈服极限屈服极限越小，材料越容易发生塑性变形，材料在拉深成形时所需要的拉深力就越小。（10）成形速度和温度成形速度、温度对板料成形性能的影响因成形方式及材料而异。3.2 板料成形安全区域研究传统压力机压边力一般都是恒定值，不随凸模行程而变化，从而制约了板料的成形性能，同时也影响了冲压件的质量。实际上在拉深过程中，毛坯发生断裂和起皱失效的趋势在不同的阶段是不同的，合理的压边力的取值范围应该是由凸模行程内的起皱极限曲线和断裂极限曲线所围成的区域所决定的26。该区域即是板料成形的“安全区域”如图3.2所示。安全区域的形状是受模具的几何参数、板料的力学性能以及工艺参数等多种因素影响的，合理的压边力变化曲线必须考虑这些因素。图3.2 板料成形安全区域3.3 变压边力中的控制曲线在安全区域确定的情况下，压边力控制曲线的形式对成形极限的影响可以通过施加恒定压边力控制曲线、渐减压边力控制曲线、渐增压边力控制曲线等多种压边力控制曲线得以体现。凸模行程/mm压边力KN1234651-渐增 2-渐减 3-先增后增减型 4-先减后增型 5-恒定型 6-先增恒定后减型图3.3 压边力加载模式 虽然在板料成形安全区域中可以采用多种压边力控制曲线，但是哪一种压边力曲线更能提高成性极限和成形质量，这是需要通过具体仿真分析的方法确定合适的压边力控制曲线。3.4 仿真与分析步骤为了板料制备简便也为了便于比较，本课题采用比较具有典型性的方盒件作为研究对象，从板料拉深成形过程的力学变形特点出发，并用板料成形模拟仿真专用软件包DYNAFORM对方盒形件进行仿真和分析，获取合适的压边力控制曲线，并对方盒形件拉深成形最佳压边力控制曲线进行实验，以寻求合适的的加载方式。（1）首先，使用Pro/E建立方盒件模型，对生成的实体模型单击文件，保存副本，文件类型选择*igs格式。（2）导入DYNAFORM，对模型进行单元网格化处理。定义板料的材料与属性，模具间距。（3）定义凸模的运动和压边力，对模型进行有限元计算，后处理。（4）分析成形极限图（FLD），并截下FLD图，回到前处理，重新定义压边力载荷曲线作用力取值范围为100KN300KN。找出冲压成型效果合适的的压边力。（5）在合适的的压边力下，按照6种不同的加载方式（渐增，渐减，先增后减，先减后增，恒定，先增恒定后减）修改加载控制曲线，然后仿真分析、后处理。比较应力图、应变图、薄厚图，找出最佳的加载方式。4 基于CAD/CAE的方盒件变压边力冲压成形仿真与建模方盒形件是薄板金属冲压中较难成形的一类零件，并且在其成形过程中的变形特点具有一定的典型意义，因此很有必要对其进行数值模拟。在方盒形件拉深成形过程中，板材不同部位的受力状态、变形方式以及变形性质存在较大差异27，材料的性能参数、模具几何参数和压边力等因素，都影响着方盒形件的成形规律和拉深性能。本章应用 DYNAFORM有限元软件，方盒件变压边力采用动力显式算法模拟了方盒形件拉深成形过程，基于CAD/CAE进行冲压成形工艺研究。4.1 DYNAFORM软件概述计算机技术的飞速发展和有限元技术的日趋成熟，采用CAE仿真分析金属在塑性成形过程中的变形规律在实际生产中得到了越来越广泛的应用。CAE技术的成功应用不仅大大缩短了模具和新产品的开发周期，降低了成本，提高了企业的市场竞争力，而且还有利于有限元分析法和传统的实验方法相结合，从而推动现代制造业的快速发展。本文采用了DYNAFORM来对方盒形件拉深过程仿真研究，DYNAFORM作为一款专用的板料成形软件，能够模拟压边、拉深、翻边、弯曲、多工步成形等工艺，可以预测成形过程中板料的破裂、起皱、减薄、划痕、回弹，评估板料的成形性能。通过对这几个比较流行的软件进行对比，发现DYNAFORM无论在易操作性、前处理、后处理、模拟的准确度都具有很大的优势。与其他的有限元分析软件相比，DYNAFROM软件有如下几个方面的技术特点：（1）DYNAFORM具有功能丰富的前处理器。它具有强大的图形文件导入功能，能够方便而无数据丢失地读入IGES格式文件以及UG、Pro-E、Catia等主流CAD软件的图形文件，同时用户也可以在DYNAFORM中很方便地创建点、线、面等几何模型。（2）DYNAFORM的求解器采用了业界非常著名的非线性动力显式有限元软件Ls-dyna。Ls-dyna是采用显隐结合的算法进行板料成形模拟的最具有代表性的软件，计算稳定，效率高，模拟结果准确性很好。虽然Ls-dyna也能够进行仿真，但是其材料库相对DYNAFORM而言就有一些欠缺，软件的易操作性也较差。（3）DYNAFORM具有强大的后处理功能。eta-Post是ETA公司开发的一款专门针对DYNAFORM的后处理软件，它可以方便用户直观地得到求解结果。在eta-Post中新增加的GRAPH模块中，用户可以利用曲线图表功能来显示拉深过程中各种参数随时间变化的曲线。（4）支持从个人机、工作站到巨型机的所有硬件平台。可兼容个人机、工作站、大型机及巨型机等硬件平台上的全部数据文件。在个人机、工作站、大型机及巨型机等硬件平台上具有统一的用户界面。可与大多数的 CAD 软件集成并有接口。具有智能网格划分。良好的用户开发环境。4.2 基于CAD/CAE的方盒件模型建立方盒形件成形应考虑到冲压件受工件几何参数、模具几何参数、材料性能、摩擦系数、材料厚度、冲压力、拉深极限、变压边力等因素的影响，因此要获得良好的实验效果，首先应建立合理工艺模型，步骤如图4.1：图4.1 方盒件建模流程图（1）确定方盒形件的尺寸在PRO/E中建立凸模、凹模、板料的模型，在草绘状态下绘制凸模、凹模、板料的尺寸。对于凸模和凹模草绘后进行拉深，拉深深度为20mm；对板料草绘后填充。（2）根据工件尺寸利用Pro-e建立方盒形件的*.igs格式文件对生成的实体模型单击文件，保存副本，文件类型选择*igs，单击确定，在输出IGES窗口，选取曲面，坐标缺省，单击确定。这样就能把相应的模型转换为*igs文件，供Dynaform调用。同时将相应的实体模型保存以便在后面改变模具参数重新建模所用。4.3 方盒件冲压工艺模拟与分析前处理（1）将*.igs数据导入DYNAFORM并对模型进行单元网格化处理。打开Dynaform软件，单击file，选择input项，找到刚才保存的*igs文件，依次将凸模、板料、凹模导入，凹模导入两次，因为要将其中一个凹模文件做成压边圈。单击Parts，选择Edit，在Edit part窗口为导入文件重新命名。单击Preprocess（前处理），选择surface对导入的模型进行处理，删除不必要的表面，在Surface窗口选择，在selectByCursor选择，然后在窗口中选中不需要的表面，单击OK即可。单元网格化处理，单击Preprocess（前处理），选择Element，选中，相应的单元的参数设置如下图，Max.Size为30.000，Min.Size为0.5，Chordal Dev为0.150，Angle为20.000,Gap tol为2.500，Ignore Hole Size为0.000。然后点击Select Surfaces，点击，分别对凸模、凹模、压边圈进行网格化。对如板料的网格化Tools，选择Blank Generator，单击SURFACE，选中板料，在Mesh Size窗口，Tool Radius为1.750000，单击确定，板料单元网格化完成。 图4.2 网格化后的模型（2）定义板料的材料、属性与模具间距板料的材料和属性设定，单击Tools，选择Define Blank，单击Add添加板料B为毛胚，然后点击Material，单击Material Library，进入材料库窗口选择低碳钢Mid中DQSK，Type37所对应的材料。相应的中文参数如表4.1：表4.1 材料性能参数厚度t/ mm宽度L/ mm屈服极限强度系数K/ MPa厚向异性指数r应变强化指数n1200154.30512.21.650.23单击Property，在Property窗口单击New按钮，新建板料属性，UNIFORM THICKNESS（板厚为1mm）为1.000000E+000。模具间隙的确定，首先定义模具，单击Tools，Define Tools，选中User Define Tools，然后在User Define Tools Neme中打击New按钮新建用户工具，并在Include Parts List中选择相应的模型件。其中t对应凸模，b对应板料，y对应压边圈，a对应凹模。定义模具间的距离，单击Tools，Position Tools中Move Tools，选择要移动的模具，在Distance中输入移动距离，移动方向为Z Translation。使得t在Z方向移动0.5mm，y在Z方向移动0.5mm,a在Z方向移动-0.5mm。（3）定义凸模的运动和压边力单击Tools，选择Define Tools，选择User Define Tools，选中t，然后单击Define Load Curve按钮，Curve Type选择Motion，Z方向，选择Set Death Time,单击Auto按钮，定义凸模的运动，Veloctity（速度），Stroke Dist（冲压行程）负号表示Z的负方向，然后单击OK即可。定义压边力，选中y，单击Define Load Curve按钮，Curve Type选择Force，Z方向，选择Set Death Time,单击Auto按钮,定义作用在压边圈上的压边力，Force输入压边力的大小，打击OK即可。（4）对模型进行有限元计算单击Analysis，选择LS_Dyna，为了在后处理中能够较好的观察成形过程，一般设定STEP=20。求解器采用Full Run Dyna,求解器精度采用单精度。同时在计算机内存较大时，为了加快运算速度，可以适当提高DYNAFORM运算器的内存值，即可进行有限元的计算。图4.3 Analysis的参数设置4.4 方盒件冲压工艺模拟与后处理分析在仿真结束后， 可以进入DYNAFORM的PostProcess的后处理环境，进行一系列后处理。（1）等值线对单元应力和相关的结果等进行显示。在同一等值线上是以同一颜色显示的，相应的等值线值在图形窗口右边的颜色柱显示(图4.4(a)。（2）矢量图标将结果以矢量形式显示(图4.4(b)，能够对材料的流动性进行显示。（3）成形极限图用来评价板料的可成形性(安全和失效区域)。图中每一点的X坐标和Y坐标代表每一单元的最大和最小应变，基于零件的可成形性分析将FLD图（forming limit diagram）（图4.4(c)）划分为7个区域，CRACK断裂区域、RISK OF CRACK断裂危险区域、SAFE安全区域、WRINKLE TENDENCY起皱趋势、WARINKLE起皱、SEVERE WAINKLE严重起皱、INSUFFICIENT STRETCH不充分拉深，每个区域用不同的颜色表示。（4）厚度用来模拟坯料在成形中的厚度等值线变化，以评估冲压质量。数值的读取，根据所要的点颜色到图形右边的颜色柱找到对应颜色，所显示的数值即为所求的。其中单位为mm(图4.4(d)。 (a) 成形等值线图 (b) 成形矢量图 (c) 成形FLD图 (d) 成形厚度变化图图4.4 后处理成形图4.5 不同压边力控制曲线仿真结果及分析为了说明问题，本课题在Dynaform软件上对模型采用不同加载方式（渐增、渐减、先增后减、先减后增、恒定，先增恒定后减）进行仿真分析。具体实验数据如下：（1）凸、凹模的间隙为1.1t，凹模圆角尺寸10mm，凸模圆角尺寸10mm，转角半径10mm；（2）材料参数如表4.2：表4.2 方盒件冲压成形材料参数表厚度t/mm宽度L/mm屈服极限强度系数K/MPa厚向异性指数r应变强化指数n1200154.30512.21.650.23（3）拉深深度20mm，拉深速度2000mm/s。根据上述的参数设定在DYNAFORM中进行分析，分别采用不同的压边力进行模拟，模拟实验结果如下：（a）渐增曲线数据图表表 4.3 渐增曲线下各数据压边力KN100150200250300最大正应力Pa321.55342.56345.70363.26367.36最大负应力Pa-306.43-300.93-291.39-287.19-281.65最大变薄率%9.2810.8812.3414.2916.32最大变厚率%3.833.433.132.832.49最大正应变mm0.2400.2430.2490.2510.245最大负应变mm-0.234-0.225-0.217-0.207-0.190(a)(b) (c) 图4.5 渐增曲线不同压边力的应力、薄厚和应变变化（b） 渐减曲线数据图表表4.4 渐减曲线下各数据压边力KN100150200250300最大正应力Pa313.87303.62319.47320.79321.03最大负应力Pa-312.70-305.62-300.18-296.17-298.34最大变薄率%8.479.2010.1911.2312.07最大变厚率%4.123.893.663.573.08最大正应变mm0.240.240.250.250.26最大负应变mm-0.24-0.23-0.23-0.22-0.22(a) (b) (c) 图4.6 渐减曲线不同压边力的应力、薄厚和应变变化（c） 先增后减曲线数据表表4.5 先增后减曲线下各数据压边力KN100150200250300最大正应力Pa319.99329.78328.32342.66353.98最大负应力Pa-311.82-305.79-304.43-287.18-283.45最大变薄率%8.529.5110.1211.7212.88最大变厚率%4.103.733.583.292.88最大正应变mm0.230.240.250.250.26最大负应变mm-0.24-0.23-0.23-0.22-0.21(a) (b) (c) 图4.7 先增后减曲线不同压边力的应力、薄厚和应变变化（d）先减后增曲线数据表表4.6 先减后增曲线下各数据压边力KN100150200250300最大正应力Pa318.36315.36335.15338.26345.00最大负应力Pa-311.44-304.22-306.65-292.55-290.15最大变薄率%8.499.1510.1411.3212.51最大变厚率%4.103.873.663.423.21最大正应变mm0.230.240.240.240.24最大负应变mm-0.24-0.23-0.23-0.22-0.21(a) (b) (c) 图4.8 先减后增曲线不同压边力的应力、薄厚和应变变化（e）恒定曲线数据图表表4.7 恒定曲线下各数据压边力KN100150200250300最大正应力Pa317.59330.50338.37345.88356.47最大负应力Pa-309.43-305.17-292.05-291.12-281.31最大变薄率%8.609.6311.3012.6014.83最大变厚率%4.053.693.343.002.70最大正应变mm0.240.240.250.250.25最大负应变mm-0.24-0.23-0.22-0.22-0.20(a) (b) (c) 图4.9 恒定曲线不同压边力的应力、薄厚和应变变化（f）先增恒定后减曲线数据图表表 4.8 先增恒定后减曲线下各数据压边力KN100150200250300最大正应力Pa306.80312.07321.45311.40331.63最大负应力Pa-315.71-310.58-305.19-297.77-293.49最大变薄率%8.60%9.57%11.19%12.51%14.65%最大变厚率%4.08%3.76%3.45%3.09%2.80%最大正应变mm0.230.240.250.250.25最大负应变mm-0.24-0.23-0.22-0.21-0.21(a)(b) (c) 图4.10 先增恒定后减曲线不同压边力的应力、薄厚和应变变化g）在系统默认控制曲线下不同压边力拉深成形极限图拉深完整拉深不完全 （a) P=250KN （b) P=300KN 图4.11 不同压边力下的拉深成形极限图不同压边力方案结果分析：（1）从压边力直壁的厚薄变化关系图可以看到随着压边力的增大，最大变薄率不断增大，而最大变厚率却逐渐减少，这说明了当压边力较小时使得法兰处的阻力较小，材料的流动速度快，造成材料拉伸不完全，部分厚度较大的情况；而压边力较大时增加法兰处的阻力，使得材料的流动速度减慢，直壁的厚度变薄，材料拉伸较多。（2）由成形极限应力图，当P=100KN时，冲压法兰变形区沿 Z 向位移趋于零，没有产生起皱现象，侧壁区等值线非常平滑，未见起皱和破裂等缺陷，但是未完全冲压到底，说明压力过小；当P=150KN时，也未见起皱和破裂，成型还不可以，但是还未冲压到底，压力还是偏小，但是比100KN时的冲压效果有所改善；当200KN时，冲压效果比150KN时更好点，当P=250KN时，明显看出冲压成型比前几次大幅度改善；当P=300KN时，图形底部已完全变成绿色，可见已经冲压完全，冲压成型效果为最佳。所以，最佳的冲压作用力应选择P=300KN。（3）从最大的应变和应力折线图，随着压边力的增加，应变和应力的增大缓慢，处于一个恒定的水平，说明压边力对拉深过程中的应变和应力变化影响不太。施加压边力后，材料被逼在压边圈和凹模平面的间隙中流动，稳定性得到增加，起皱也就不容易发生。而压边力的大小对拉深影响很大，压边力过大，则会增加危险断面处的拉应力，导致破裂或严重的变薄，太小则防皱效果不好。由上述可知，从以上的实验结果看压边力的大小应在200KN300KN为合理。4.6 同一压边力不同控制曲线结果分析 选择合适的压边力P=300KN，变化不同的加载方式对冲压效果进行分析比较，数据表格如下：表4.9 压边力为300KN时数据表加载方式渐增渐减先增后减先减后增恒定增恒定后减最大正应力Pa367.36321.03353.98345.00356.47331.63最大负应力Pa-281.65-298.34-283.45-290.15-281.31-293.49最大变薄率%16.3212.0712.8812.5114.8314.65最大变厚率%2.493.082.883.212.702.80最大正应变mm0.250.260.260.240.250.25最大负应变mm-0.19-0.22-0.21-0.21-0.20-0.21(a) (b) (c) 图4.12 P=300KN时不同加载方式的应力、薄厚和应变变化最大负应力最大正应力 （a) 渐增 （b) 渐减 （c) 先增恒定后减图4.13 P=300KN时不同控制曲线下应力变化图变薄值值 （d) 先增后减 （e) 先减后增 （f) 恒定 图4.14 P=300KN时不同控制曲线下薄度变化图 结果分析：（1）当冲压曲线不对时，在实验中会起皱，所以在实验中通过调试加载曲线中坐标轴数值可以得到优化的加载曲线，从而减小起皱的程度或消除起皱现象，得到较好的冲压效果。（2）从应力图所示，渐增曲线最大应力值最大，渐减曲线最大应力值最小，压边力越大就会增加法兰处的阻力，使得材料的流动速度减慢，直壁的厚度变薄，材料拉伸较多，压边力越小就会使得法兰处的阻力较小，材料的流动速度快，造成材料拉伸不完全，部分厚度较大的情况。从应变折线图可以看出，应变随应力的增大缓慢，处于一个恒定的水平，说明压边力对拉深过程中的应变和应力变化影响不太。从薄厚变化图可以看出，变压边力对最大减薄量的影响较对最大增厚量的影响更为显著,渐增加载曲线减薄最为严重，这也验证了传统压边方式（如弹簧、橡胶或固定间隙压边）的不合理性。实际上，由于间隙等因素的影响，法兰部分起皱趋势增强，在这6种加载方式中，压边力无法避免拉深后期起皱，并且由于法兰起皱增厚，导致进料阻力加大，使拉深变形出现局部减薄和破裂。当变薄率最低且板料冲压未压破也未起皱时冲压工艺最好，则渐增、渐减、先增后减、先减后增、恒定和先增恒定后减曲线中，在渐减控制曲线下冲压所得的变薄率值最低，所以渐减加载方式冲压工艺控制较合适。4.7 小结通过上面的模拟分析结果，可以看到可以通过改变压边力控制曲线的形状来改变拉深的质量。结合实际生产中在模具参数一定的时候通过改变拉深速度和压边力的调节来得到较好的拉深质量。从上面的实验数据分析知道，凹凸模间隙1.1mm，凹模截面尺寸102.2mm102.2mm，凸模截面尺寸100mm100mm，凹模圆角尺寸10mm，凸模圆角尺寸10mm，转角半径10mm，压边力 P 为 90KN300KN之间，凹模、凸模和板料间及压边圈和板料间的摩擦系数都为0.125，凸模的模拟运动速度为2000mm/s，行程为20mm，通过渐增、渐减、先增后减、先减后增、恒定和先增恒定后减控制曲线来改变方盒件板料拉深质量。盒形件成形的最薄弱区为两直壁区与方盒形件的底部的交界处，因为它发生了多次弯曲和拉伸变形，因此保证该交界处的成形质量是方盒形件拉深成功的关键。根据方盒形件拉深成形的特点进行分析：方盒形件在拉深过程中的最大减薄量越大，则越容易产生破裂缺陷；最大增厚量越大,则越易出现起皱缺陷。由此可知，在不同类型的变压边力曲线控制下，方盒形件的最大减薄量的变化较板料最大增厚量的变化显著。因此采用变压边力控制曲线时，以板料最大减薄量进行其板料拉深成形特性的评定：所采用的6种压边力控制曲线中，控制最大减薄量合适的的变压边力曲线为渐减控制曲线，最差的则为渐增控制曲线。结束语近年来，随着板料成形理论的深入研究以及先进制造技术、信息技术、自动化技术、人工智能技术及系统集成技术的快速发展，冲压技术也在发生着深刻的变化。本文以法兰区金属流动速度不一样的方盒形件为研究对象，通过调整压边力来提高成形质量和极限，并对方盒形件成形过程中变压边力预测技术进行了研究，主要工作及成果如下：（1）根据板料成形原理，分析了方盒形件拉深工艺的过程特点、方盒形件成形的主要缺陷及其机理。（2）通过对方盒形件拉深过程成形特点和方盒形件拉深过程中板料破裂和起皱原因的研究，发现合适的压边力加载方式以改善产品的拉深质量。（3）通过应用板料的成形原理、有限元的分析方法、PRO/E三维实体模型的建立、有限元分析软件ANSYS和Dynaform对所采用的6种变压边力控制曲线进行板料拉深成形特性的评定，发现控制最大减薄量合适的变压边力曲线为渐减控制曲线，最差的则为渐增控制曲线。
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