（光学工程专业论文）汽车覆盖件修边线计算方法研究及其工程应用.pdf

硕士学位论文 摘要 在汽车覆盖件冲压成型中，翻边及修边是很常见的工序。影响翻边成型性和 成型精度的一个重要因素就是零件修边后的形状和尺寸是否合理。拉延后如何确 定修边线的尺寸和形状，使翻边后突缘轮廓正好达到零件所需翻边高度，对于缩 短模具制造周期，减少生产成本都具有重要意义，同时也是整个模具行业亟待解 决的一大难题。 本文首先对几种常用的修边线计算方法进行了探讨。基于几何的翻边展开法 可快速得到初始修边线，但此方法无法考虑材料的厚向变形；建立翻边展开解析 模型来预示修边线位置虽考虑了零件厚向变形，但它也不能反映翻边成形过程材 料的真实流动情况，而翻边成型过程是一个非常复杂的物理过程；传统的手工试 错逼近法虽说最终可得到理想的修边轮廓，但它工序繁琐，且容易造成浪费；所 以不能简单地用以上方法来计算修边轮廓。 本文提出，利用基于变形路径的误差修正法( e r r o r a d j u s t m e n t ) ，结合c a e 技 术将对初始修边线的调试过程在计算机中进行模拟( 包括拉延、修边、翻边、整形 等) 计算，通过控制翻边后零件成型边界与实际目标轮廓之间的尺寸误差来优化修 边线，如果初始切边、翻边后的轮廓与目标体的边界存在较大偏差，则初始切边 轮廓中多余部分单元将沿其变形路径以相同体积量被切除，不足部分则沿其变形 路径以相同体积迸行补偿。而修改后的切边轮廓再次进行翻边计算，并将其翻边 轮廓与目标体轮廓进行比较。直到修边后的翻边高度与目标轮廓的尺寸误差小于 零件的允许加工误差。优化方法基于材料的实际变形路径并进行迭代计算，同时 采用最大迭代次数以控制计算时间，最终得到比较精确的修边轮廓线。 本文采用误差修正法对三个典型的汽车覆盖件修边线进行计算，将计算所得 的修边轮廓线对实际拉延件进行修边，并在翻边模上进行翻边，将翻边后所得零 件在检具上检测其边界误差，如果不合格，再进行边界调试，直到检具最终检测 合格为止。本文将实际调试出的合格零件的修边线与采用误差修正法计算所得的 修边线进行对比，其误差均在l m m 范围内，对于型面极其复杂的翻边零件，如 后地板前板，其修边误差也可控制在3 m m 范围内，这就有效地减少了汽车覆盖 件的修边、翻边调试次数和周期。 关键词：汽车覆盖件；冲压成型；翻边；修边；误差修芷 童圭矍苎竺堡鎏竺兰兰查堡丝圣垒苎三堡璧里 a b s t r a c t i t i sv e r yc o m m o nf o rs h e e tm e t a lf o r m i n gt of l a n g ea n dt r i m t h es h a p ea n d d i m e n s i o na f t e rt r i m m i n gi st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rw h i c ha f f e c t st h ef o r m i n g p r e c i s i o n s oh o w t od e t e r m i n et h et r i m m i n gs h a p e a 、n dd i m e n s i o nf o re x a c tf l a n g i n g i sv e r yi m p o r t a n tf o rr e d u c i n gt h ep e r i o do fp r o d u c i n gt r i m m i n gm o u l da n ds a v i n gt h e c o s t s i m u l t a n e o u s l yi ti sad i f f i c u l tp r o b l e mi nw h o l em o u l dm a n u f a c t u r e s e v e r a lc o m m o nm e t h o d so fc a l c u l a t i n gt h ec u t t i n gc o n t o u rw e r ed i s c u s s e di n t h i st h e s i s g e o m e t r i cd e v e l o p m e n to ff l a n g e sc a nr e c e i v et h ei n i t i a lc o n t o u rq u i c k l y b u ti td i d n tc o n s i d e rt h ed e f o r m a t i o na l o n gt h i c kd i r e c t i o n a l t h o u g he s t a b l i s h i n gt h e m a t h e m a t i cm o d e lo ff l a n g e sd e v e l o p m e n tt oi n d i c a t et r i m m i n gl i n ec o n s i d e r e dt h e t h i c kv a r i e t y ，i tc a n tr e p r e s e n tt h et r u ef l o wo ft h em a t e r i a li nt h ed e f o r m a t i o n b e c a u s et h ef l a n g i n gi sac o m p l e xp r o c e s s t h et r y - e r r o rm e t h o dc a i lo b t a i ni d e a l t r i m m i n gl i n e st h r o u g ha d j u s t i n gb yh a n d b u tt h i sm e t h o di sv e r ym i s c e l l a n e o u sa n d w i l lb r i n gm u c hw a s t e i nt h i st h e s i si tw a sp r o p o s e dt os i m u l a t et h ed r a w i n g ，t r i m m i n g ，f l a n g i n gb y u s i n ge r r o r - a d j u s t m e n tm e t h o d t h ei n i t i a lt r i m m i n gl i n e sw o u l db ea d j u s t e da n d o p t i m i z e di nt h ec o m p u t e rb ya d j u s t i n ge r r o r i ft h es h a p ee r r o rb e t w e e nt h ef l a n g i n g b o u n d a r yl i n ea n dt h et a r g e ti sl a r g e rt h a np r e s c r i b e d ，t h er e d u n d a n ta r e ai ss u b t r a c t e d f r o mt h ei n i t i a lb l a n kb ys o m ea m o u n to fv o l u m ea l o n gt h ed e f o r m a t i o np a t h ，a n dt h e i n s u f f i c i e n tv o l u m e sa r ea d d e dt ot h ei n i t i a lb l a n kb yt h es a m ea m o u n t t h e o p t i m i z i n gc a l c u l a t i o ni s b a s e do nt h er e a l i t yd e f o r m a t i o np a t ha n dt h ec a l c u l a t i o n p r e c i s ei sc o n t r o lb yt h el i m i te r r o r a tt h es a m et i m ec o m p u t a t i o nt i m ew a s c o n t r o l l e d b yt h em a x i m u mi t e r a t i o n t h ei d e a lc u t t i n gc o n t o u rw o u l db eo b t a i n e d t h ec u t t i n gc o n t o u r so ft h r e et y p i c a lc o v e rp a n e l sw e r ec a l c u l a t e db yu s i n gt h e e r r o r - a d j u s t m e n tm e t h o d 。f i r s t l yu s i n gt h ec a l c u l a t e dc u t t i n gc o n t o u rt o c u tt h e d r a w i n gp a r t ，t h e nf l a n g eo nt h ef l a n g i n gm o u l d ，a n dt h e nc h e c kt h ee r r o rf o rf l a n g i n g p a r t t r y o u tt h ep a r tu n t i li t i sc o r r e c t i ti ss h o w nt h a tt h ee r r o ro fc a l c u l a t e dc u t t i n g c o n t o u ri si nt h er a n g eo f lm m t h r o u g hc o m p a r e di tw i t ht h ec o r r e c tc o n t o u r s o u s i n gt h ee r r o r - a d j u s t m e n tm e t h o dt oc a l c u l a t ec u t t i n gc o n t o u rc a nr e d u c et h et r y o u t t i m e sa n dp e r i o do ft r i m m i n ga n df l a n g i n ge f f e c t i v e l y k e yw o r d ：c o v e rp a n e l ：s h e e tm e t a lf o r m i n g ；f l a n g i n g ；t r i m m i n g ；e r r o r a d j u s t m e n t i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 席氏彩 日期：加6 年厂月，p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及选题意义 由于车身覆盖件的精度要求高、生产批量大，汽车制造业均采用冲压成形技 术进行生产，冲压成形的材料利用率高，产品质量稳定，易于实现自动化生产。 覆盖件尺寸较大，形状复杂，多为空间自由曲面，其成形过程涉及几何非线性、 材料非线性和复杂的接触与摩擦等问题，在传统的冲压生产过程中，无论是覆盖 件模具的设计、制造，还是坯料形状和尺寸的确定，包括本文所要研究的翻边零 件修边轮廓尺寸的计算，冲压工序、工艺参数的规划，都要设计制造原型，经过 多次试生产和多次调试修正才能确定，这是一个试错逼近的过程，造成人力、物 力和财力的大量消耗，生产成本高，周期长。 如果有一种技术使得汽车制造工程师在不经过试生产的条件下，能够根据所 设计的模具和工艺，预见所选板材在冲压后的成形情况，这将大大降低生产成本， 缩短生产周期，赢得市场竞争。这是1 9 6 5 年当时担任美国通用汽车公司商业顾问 ( b u s i n e s sc o n s u l t a n t ) 的哈佛大学教授b b u d i a n s k y 提出的设想。他把这项技术称 为一个“黑盒子( b l a c kb o x ) ”。b u d i a n s k y 教授的设想很快引起了学术界和工业界 的研究兴趣几年之后，他所设想的这项技术的轮廓日渐清晰，这就是建立在塑性 成形理论和当时刚刚诞生不久的有限元分析( f e a ) 技术和开始蓬勃发展的计算机 技术基础上的薄板成形过程的数值仿真技术1 1 1 。 翻边是在成型毛坯的平面部分或曲面部分上使板材沿一定的曲线( 翻边线) 翻成竖立的边缘的冲压加工方法。用翻边方法可以加工形状较为复杂、具有良好 剐度的空间形状 2 , 3 1 。 在汽车覆盖件冲压成型工艺中，一般来说翻边工序是轮廓形状或立体形状成 形的最后一道加工工序。翻边部分主要用于覆盖件之间的连接( 焊接、铆接、粘 结等) ，有的翻边是产品流线或美观方面的要求或者考虑修边方向之后的翻边。翻 边成型时，覆盖件的一部分材料相对于另一部分材料发生翻转，翻边的准确形状 是靠模具保证的。 拉延后如何确定修边线的尺寸和形状，使翻边后突缘下正好达到零件所需翻 边高度，对于缩短修边模的制模周期，减少生产成本都具有重要意义，同时也是 整个模具行业亟待解决的一大难题1 4 , 5 。所以修边工序是保证覆盖件零件尺寸的 道重要工序，修边线的确定是该工序的关键。同时，修边模也必须是在拉延模和 翻边模调试合格、确定修边线之后才能进行制造。这就使修边线的确定成为缩短 生产周期的主要环节。 汽车覆盖件修边线计算方法研究及其工程应用 修边后的冲压件实际是拉延后的翻边前的毛坯轮廓，所以修边线的计算问题 实质上是毛坯反求问题。但到时目前为止，毛坯形状和尺寸的反算仍是覆盖件中 的一个难题。而且现有的计算毛坯尺寸的方法仅仅适用于计算非拉延毛坯，而对 已部分拉延的成型毛坯的反算研究仍是寥寥无几。 为此，急需找到一种计算翻边前成型毛坯尺寸的有效方法，来解决工程上这 一重大难题。本课题来源于十五攻关项目“智能化大型复杂模具设计、制造成套 技术与装备的开发和应用示范”( 2 0 0 1 j 5 3 1 2 2 ) ，同时也是国家“9 8 5 工程”资助 项目湖南大学机械工程平台中的一个子项目，意在解决汽车覆盖件模具设计中的 关键技术。 1 2 薄板冲压件翻边修边研究概述 近年来，国内外各汽车制造企业都将车身外形的设计和制造能力作为衡量汽 车特别是轿车车型开发水平的重要标志【“8 1 。覆盖件成形时，板料上各部分的变 形状况复杂，各处的应力分布极不均匀，一个零件的成形往往需要经过拉深、冲 孔、修边、翻边、整形等多道工序来完成，这就对工艺设计提出了很高的要求。 目前，覆盖件工艺设计基本上依赖于设计者的经验，采用设计一检查一修改一再 设计的方法来实现，增加了产品开发成本，延长了产品投放市场的周期，影响了 企业的竞争能力。 1 2 1 翻边修边基本概念 翻边是在成型毛坯的平面部分或曲面部分上使板材沿一定的曲线( 翻边线) 翻成竖立的边缘的冲压加工方法。修边工序是指将为保证拉深成形面在冲压零件 的周围增加的工艺补充部分和冲压件内部增加的工艺补充部分冲裁剪切掉的冲压 工序。修边工艺的修边线一般定义为零件的外轮廓线，但当有翻边工序时，则需 要将翻边展开确定修边线的位置，即在翻边条件及翻边高度给定的条件下，确定 翻边坯料取什么形状与尺寸时翻边后的突缘高度正好达到所需的翻边高度。 对于翻边修边工艺的研究问题主要有两个方面：一方面中如何保证翻边时制 件既不发生皱曲，也不发生破裂。另一方面是如何确定修边线位置。在翻边条件 及翻边高度给定条件下，翻边坯料采取什么形状与尺寸时翻边后突缘高度正好达 到所需翻边高度，也就是如何确定修边线形状与尺寸问题。这问题具有重大实践 意义。垂直方向翻边的高度和水平或倾斜方向翻边的宽度，一般通称翻边高度。 在生产实践中，为了得到所需翻边高度要反复修正修边模轮廓，不仅造成大量材 料与人工浪费，也影响整个制模与调模周期，增大制模成本。 翻边时，材料的变形区域基本上限制在凹模圆角以内，凸模底部为材料的主 要变形区，因为孔的边缘材料变形程度最大，所以通常均以板料的原始孔径以与 硕士学位论文 翻边完成后的孔径d 之比值k ，表示翻边变形程度的大小( 如图1 1 所示) ： 一。 i (。 燃 卜一 2 1 测 由 1i r 图1 1 翻边系数 巧= 軎 ( 1 1 ) 置，称为翻边系数。世，的数值越小，翻边时板料的变形程度愈大 9 , 1 0 】。 1 2 2 影响翻边零件修边线的主要因素 在实际翻边过程中，沿翻边高度上的变形是不均匀的。同时，翻边成型过程 也是一个非常复杂的物理过程，涉及力学中的三大非线性问题：几何非线性( 翻 边过程中板料产生大位移、大转动和大变形) 、物理非线性( 又称材料非线性，指 材料在翻边过程中产生的弹塑性变形) 、边界非线性( 指模具与板料接触摩擦引起 的非线性关系) 。这些非线性的综合，加上不规则的工件形状，使得工件在修边后 的翻边成型过程中材料的流动更加复杂，所以不能简单地用翻边展开法来计算修 边轮廓【1 卜1 4 。 随着汽车工业及相关工业发展对产品质量和精度要求的不断提高，金属板材 在冲压过程不可避免的脱模回弹与切边回弹现象正在愈来愈引起产品制造部门工 程技术人员的重视。特别是各种浅拉延件，回弹问题更加明显，解决回弹问题的重 要性也更加突出。对回弹问题控制的准确性与否将严重影响汽车覆盖件的成形质 量和尺寸精度，也是实际工艺中很难有效克服的成形缺陷之一。由于成形问题本 身的复杂性，回弹问题的解决已经成为世界性的难题。目前，美国国家自然科学 基金委员会联合一些汽车公司，正在投入很大的资金，研究解决三维复杂回弹问 题的技术和方法。 切边回弹是一个复杂的三维应力释放过程。就采用计算机仿真方法而言，切 边回弹能否精确预示，取决于成形过程数值模拟的精度和回弹过程的有效数值处 理方法两个方面。在已保证成形加载过程精确分析的基础上，切边回弹数值处理 的关键步骤之一，是如何保证切边线单元结点力的转化与精确计算。由于在有限 汽车覆盖件修边线计算方法研究及其工程应用 元计算中，要对切边边界处的结点力进行弹性卸载，切边边界单元质量的好坏也 直接影响到计算的结果 1 5 a 6 】。这就给翻边零件修边线的计算带来了更大的困难。 1 3 汽车覆盖件模具c a d c a e c a m 技术发展概况 汽车覆盖件是指覆盖发动机、底盘、构成驾驶室和车身的薄钢板的异形体的 表面零件和内部零件而言。在汽车覆盖件冲压成型中，翻边及修边是很常见的工 序。而影响翻边成型性和成型精度的一个重要因素就是零件修边后的形状和尺寸 是否合理。而修边轮廓形状很难通过经验或是其它解析法进行精确计算。通过有 限元方法和c a e 技术可以将翻边、修边模的试模过程准确的在计算机中进行模拟 并对修边线优化计算。这种方法将计算机c a d 与c a e 技术有效地结合起来，并 通过与c a m 技术的融合，形成一套自己的模具c a d ，c a e c a m 技术，对实际生 产起到了重要的指导作用。 c a e 技术与c a d c a m 技术在覆盖件领域的综合应用，使设计师在制造和 调试修边轮廓，翻边高度之前可用c a e 分析和模拟设计方案，节约大量的时间消 耗和报废模具的制造费用。一般统计数据说明，用合理的计算机辅助分析方法分 析某一修边、翻边工艺方案所需费用和时间消耗，与传统制造和试模所需周期相 比，可以节约两倍的工作量。同时，还能加深对设计产品投入使用后的物理效应 的理解。整个成本仅是预算的百分之几，且可以不再进一步修改设计或重新制造 模具，因为这些工作都已在计算机内完成了。 轿车的车前板和车身、载重汽车的车前板和驾驶室等都是由覆盖件和一般冲 压件构成的。覆盖件的制造是汽车车身制造的关键环节，覆盖件模具是汽车车身 生产的基础工艺装备。同一般冲压件相比，覆盖件具有材料薄、形状复杂、结构 尺寸大和表面质量要求高等特点。覆盖件的工艺设计、冲模结构设计和冲模制造 工艺都具有特殊性。因此，在实践中常把覆盖件从一般冲压件中分离出来，作为 一种特殊的类别加以研究和分析。虽然不同车型的同名外覆盖件形状各异，但由 于它们最终总是要构成车身这一整体，具有各自相应的功能，这就决定了它们的 整体或局部形状毖然具有一定的相似形。 1 3 1 发达国家薄板成形数值仿真研究进展 尽管从6 0 年代末以来，国际上已兴起了薄板成形数值仿真的研究热潮，但 早期的研究都集中在二维和轴对称情况下的分析，分析的问题都是像半球冲头胀 形或平底圆形冲头拉深这样的简单问题，分析方法都是基于薄膜理论( m e m b r a n e t h e o r y ) 或轴对称理论的二维分析方法，尚不能完成像覆盖件( a u t o b o d yp a n e l ) 这样 复杂零件的成形分析，8 0 年代初，通用公司的n m w a n g 和福特公司的s c t a n 2 等人经过长期探索，成功地对轿车的行李箱盖( t r u n kd e c k 1 i d ) 年f l 前翼子板( f r o n t f e n d e r ) 的冲压成形过程进行了仿真，在薄板成形数值仿真研究基础上，开创了车 身覆盖件冲压成形仿真分析的应用研究领域。 8 0 年代后期，随着计算机科技的飞速发展和有限元方法的成熟，在世界汽车 工业应用需求的推动下，薄板成形过程的计算机仿真迎来了蓬勃发展的时期，时 至今日，仍方兴未艾。有三个重要标志反映了这一时期的进展：第一，建立了能 够分析像覆盖件这样复杂零件成形过程的三维非线性壳理论( 弯曲理论) 和考虑儿 何非线性的接触和摩擦问题处理算法。第二，为了有力推动薄板成形的仿真研究， 考察薄板成形数值分析算法的可靠性，国际上的权威研究组织先后共同设计了五 组标准考题( b e n c h m a r k ) ，即o s u ( o h i os t a t eu n i v e r s i t y ) 标准考题( 1 9 8 8 年) 、v d i ( 德 国汽车学会) 标准考题( 1 9 9 1 年) 、n u m i s h e e t 9 3 板料成形数值仿真国际会议标 准考题和n u m i s h e e t 9 6 、n u m i s h e e t 9 9 标准考题；s g 些标准考题从不同角度 考核有限元软件预测破裂( s p l i t t i n g ) 、起皱( w r i n k l i n g ) 、波纹( b u c k l i n g ) 和回弹 ( s p r i n g b a c k ) 的能力，考题范围涉及简单零件和复杂的覆盖件。第三，涌现了多种 格式的有限元软件，这些软件都参加了上述标准考题中部分或全部考题的考核， 有些软件己在汽车工业获得了广泛应用；参加m u m s h e e t 9 3 薄板成形数值仿真 国际会议标准考题考核的这类软件就有2 3 个，其中参加轿车前翼子板成形分析考 核的就有9 家软件，表明这些软件能够处理覆盖件成形中高度的几何非线性、材 料非线性和复杂的接触与摩擦问题，能够对覆盖件成形中的起皱和破裂( w r i n k l i n g & s p i t t i n g ) 进行预测。 十几年来，车身覆盖件冲压成形仿真分析有了很大发展，国际上众多的汽车 生产企业都建有覆盖件成形仿真分析系统。覆盖件成形仿真分析在多方面对这些 企业的冲压生产提供有力的支持：在设计工作的早期阶段评价覆盖件及其模具设 计、工艺设计的可行性( a s s e s sf e a s i b i l i t y ) ；在试冲试模阶段进行故障分析，解决 问题( t r o u b l es h o o t i n g ) ；在批量生产阶段用于缺陷分析，改善覆盖件生产质量 ( i m p r o v eq u a l i t y ) ，同时可用来调整材料等级，降低成本 1 3 2 国内车身覆盖件冲压成形c a e 技术研究概况 国内在车身覆盖件冲压成形数值仿真方面起步较晚，但正在迎头赶上1 9 9 0 年，北京航空航天大学的熊火轮采用a d i n a 程序，开发了“分步修正法”来处 理板料成形过程中的动态接触条件，从而仿真了宽板拉伸、液压胀形及汽车暖风 罩的成形过程。1 9 9 1 年，华中理工大学的董湘怀采用薄膜三角形单元，建立了用 于板料成形分析的有限元模型，用“弹性边界层”的方法处理接触边界，并用独 立开发的弹塑性有限元程序对盒形零件和机油收集器的成形过程进行了分析。哈 尔滨工业大学的张凯峰采用刚粘塑性本构关系，开发了粘塑性板壳成形有限元分 析程序，并已经得到工业应用。湖南大学工程软件研究所的李光耀在国家自然科 汽车覆盖件修边线计算方法研究及其工程应用 学基金的资助下，开展了冲压成形过程的动力显式有限元分析程序的开发和研究。 清华大学的研究人员开发了一种“修正的自适应动力松弛方法”，可节省内存， 减少计算量，改善收敛性，还可用来分析一般情况下冲压成形中的起皱问题。吉 林工业大学胡平领导的研究小组在前人工作的基础上，建立了可合理反映塑性变 形导致材料模量软化，并能描述由正交法则向非正交法则光滑过渡的弹塑性有限 变形的拟流动理论。用这个理论仿真了圆板的胀形，圆筒件、盒形件、锥形件和 红旗4 8 8 轿车油底壳的拉深等过程，仿真了盒形件拉深过程中法兰部分的起皱， 锥形件的拉深过程中侧壁的起皱，并用空单元技术形象地仿真了破裂过程。目前， 他们在1 9 9 8 年国家自然科学基金重大项目的资助下，正在从事软件的商品化工 作。 改革开放以来，我国轿车工业有了很大发展，形成了一定规模的年生产能力， 但尚未形成完整而独立的自主开发能力，总体上仍是处于引进、改进、就地批量 生产发展阶段，国内汽车企业在总体设计和制造技术方面，仍远远落后于国外 尤其是不具备设计和制造大型覆盖件模具的能力，缺乏覆盖件成形工艺设计的技 术和经验积累。 覆盖件冲压成形是一个高度非线性的大变形弹塑性复杂过程，对这一过程进 行动态仿真研究需要大量的财力物力投入，需要学术界和汽车工业界的密切合作 国内的一些汽车企业为了提高企业的市场竞争力，减少试错逼近的试模环节，降 低生产成本，缩短生产周期，开始与高校合作，展开了覆盖件冲压成形动态仿真 的工业应用研究。1 9 9 6 年，一汽集团、上海大众、上海宝钢等单位和上海交大汽 车工程研究所相互合作，开始了覆盖件冲压成形动态仿真的工业应用探索，先后 完成了小红旗轿车、s a n t a n a 系列轿车等若干覆盖件的冲压仿真分析与试验分析， 开展了汽车板成形性能等方面的研究。 国内相应的覆盖件模具c a e 软件开发也取得了长足的发展，如华中科技大 学开发的f a s t f o r m 、f a s t s t a m p 等，不但具有模拟、评价成型性的功能，还 可快速计算翻边展开线，为修边模的设计起一定的指导作用。 但目前国内的模具c a d c a e c a m 技术仍存在以下不足之处： 1 、在模具设计中由于没有合适的有限元软件，多数工程应用中，只能做到 c a d c a m 一体化，而不能真正实现模具c a d c a e c a m 体化。 2 、对于覆盖件翻边展开线的计算，大多数有限元软件只能得到基于几何的 翻边展开计算，而不能充分考虑材料的真实变形情况。 3 、前人所研究的毛坯反求方法无法用来求解己拉延的成型件的轮廓尺寸。 硕士学位论文 1 4 研究内容与技术方案 本文的研究内容主要有以下几个方面： 1 、分析覆盖件修边工艺设计方法及翻边变形时的应力应变状态 修边工序是指将为保证拉深成形面在冲压零件的周围增加的工艺补充部分 和冲压件内部增加的工艺补充部分冲裁剪切掉的冲压工序。该工序是保证汽车覆 盖件零件尺寸的一道重要工序，修边线的确定是该工序的关键。修边工艺研究的 一个重要方面包括确定修边方向、确定修边线的位置。 覆盖件成形时，板料上各部分的变形状况复杂，各处的应力分布极不均匀； 而且一个零件的成形往往需要经过拉深、冲孔、修边、翻边、整形等多道工序来 完成，这就对修边工艺设计提出了更高的要求。对翻边成型过程中材料变形时的 应力应变状态进行分析，有助于修边线的计算。 2 、建立翻边过程数学模型预示修边线位置 用翻边方法可以加工出形状较为复杂、具有良好刚度和合理空间形状的立体 零件，所以在冲压生产当中应用较广，尤其在汽车、拖拉机、车辆等工业部门的 应用更为普遍。在生产实践中，为了得到合适的拉延件翻边高度，要反复修正修 边模轮廓，造成大量人力财力的浪费。因此，建立拉伸收缩翻边过程数学模型， 科学地预示修边线位置，对于加快制模进程，减少制模成本具有重大意义。本文 首先对现有理论研究工作进行分析，并对此进行某些改进；基于全量形变理论和 膜应变假设导出新的拉伸收缩翻边数学模型；将己有研究工作所提出的数学模型 计算结果与实验结果相比较，进一步证实所提数学模型的可靠性。 3 、利用基于实际变形路径的误差修正法( e r r o r a d j u s t m e n t ) 及c a e 技术优化 修边线 无论是几何算法，还是传统的试错法，包括建立拉伸，收缩翻边数学模型预示 修边线位置，都无法考虑实际翻边过程中材料成型的真实变形情况。利用有限元 方法及c a e 技术可以模拟材料真实流动状态，通过考虑材料的变形路径的误差修 正法( e r r o r - a d j u s t m e n t ) 对翻边零件的修边线进行优化计算，实际上是把有限元技 术用于传统的逐次逼近法中，把过去的手工试验修改坯料外形发展为通过有限元 软件反复模拟修改坯料外形。充分利用计算机和有限元的优势，既保证了计算结 果精度，又节约了计算时间。 4 、将误差修正法计算所得的修边线与工程中实际修边轮廓进行对比 通过将误差修正法计算所得的修边线应用于实际工程中，并对此修边后的零 件进行翻边试模，经模具检测报告显示所得翻边零件具有一定误差。需对此修边 轮廓线进行调整，将调整后的最终修边轮廓与计算修边线进行对比，其尺寸误差 值较小，说明计算所得的修边线对工程应用具有一定的指导意义。 汽车覆盖件铬边线计算方法研究及其工程出用 1 4 小结 本章分析了本课题研究背景及选题意义，从翻边及修边的基本概念和影响影 响翻边零件修边线的主要因素着手讨论了薄板冲压件的翻边修边概述，最后介绍 了本课题的研究内容及主要技术方案有以下内容：分析薄板冲压件修边工艺设计 方法及翻边变形时的应力应变状态；建立翻边过程数学模型预示修边线位置 利 用误差修正法( e r r o r - a d j u s t m e n t ) ) 及c a e 技术优化修边线。 硕士学位论文 第2 章修边翻边变形分析 翻边是在成型毛坯的平面部分或曲面部分上使板材沿一定的曲线( 翻边线) 翻成竖立的边缘的冲压加工方法。覆盖件的翻边既为了满足装配和焊接需要，也 为了使覆盖件边缘光滑、整齐和美观。翻边成型时，覆盖件的一部分材料相对于 另一部分材料发生翻转，翻边的准确形状是靠模具保证的。 在生产实践中，由于翻边变形的应力状态相当复杂，所以确定翻边前的修边 线位置相当困难，为了得到合适的拉延件翻边高度，要反复修正修边模轮廓，以 确定翻边前的修边线轮廓尺寸，造成大量人力财力的浪费。因此，分析翻边件的 形状及变形特点，研究翻边变形性质及变形时的应力应变状态，讨论修边时的工 艺设计方案，对于提高修边、翻边质量，精确计算修边轮廓，具有重要的指导意 义。 2 1 翻边件的形状特点 翻边件的形状大致有以下六种类型。 1 、平腹板直线翻边 如图2 1 ( a ) 所示，翻边变形集中在弯曲圆角，翻边后板材厚度没有变化。吉 普车前围板的翻边，型材类的翻边属于这个类型。 2 、平腹板凸曲线翻边 如图2 1 ( b ) 所示，翻边轮廓线呈凸曲线形状，翻边宽度上的板材厚度在变形 后增厚。汽车顶盖拉延成型后，流水槽的向上翻边属于这种类型。 3 、平腹板凹曲线翻边 如图2 1 ( c ) 所示，翻边轮廓线呈凹曲线形状，翻边后翻边宽度上的板材厚度 变薄。汽车型材的s 型凹角处属于这种类型。 4 、凸腹板翻边 如图2 1 ( d ) 所示，覆盖件腹板呈凸起的曲面形状，向下翻边时板材厚度变厚。 这类覆盖件较多，如车门外板拉延切边后，再向内翻边属于这个类型。 5 、凹腹板翻边 如图2 1 ( e ) 所示，燕盖件腹板凹陷，翻边方向和腹板凹陷方向一致。翻边时 材料厚度变薄。如拉延件侧壁经侧切后向外翻边属于此类型。 6 、封闭状窗口翻边 如图2 1 ( f ) 所示，翻边轮廓线呈封闭或半封闭状，内孔翻边材料厚度变薄。 这种覆盖件较多，特别是汽车内覆盖件、零件中间存在许多凸边孔亦属此类。 图2 1 ( g ) 所示为同时具有凸凹两种类型曲线翻边的工件示意图。 塞耋矍苎竺竺垫堡盐兰耋鎏翌鍪墨董三堡堡星 禽 琶 ( f ) ( a ) 平腹板直线翻边( b ) 平腹板凸曲线翻边( c ) 平腹板凹曲线翻边 ( d ) 凸腹板翻边( e ) e 腹板翻边( f ) 窗口翻边( g ) 凸凹曲线翻边 图2 1 覆盖件翻边类型示意图 2 2 翻边变形性质及翻边极限 覆盖件的表面多呈复杂空间立体曲面形状，翻边轮廓线的变化也多种多徉， 其变形性质不能一概而论，分析时要根据具体情况加以鉴别1 7 “9 1 。例如，图2 1 ( a 、 属弯曲性质，图2 1 ( b ) 、( d ) 属拉延性质，图2 1 ( c ) 、( e ) 属翻边性质，图2 1 ( g ) 的外 缘属拉延，内缘属翻边；图2 1 ( o n 要按窗口形状分段分析。 外缘翻边的变形程度可从以下几个方面进行说明： 2 2 1 直翻边变形性质 直线翻边，翻边轮廓为直线，类似于直边弯曲成形，除弯曲半径处以外其他 部位没有纵向应力作用。直翻边的变形区集中在弯曲圆角处，板厚方向中性层以 内受压，中性层以外受拉，变形程度主要取决于弯曲半径的大小。最小弯曲半径 的确定在所有冲压资料中均有介绍，本文不予重述。 2 2 2 纯翻边变形的应力应变分析 2 2 2 1 应力应变状态 圆孔翻边时，平底变形区处于双向受拉的应力状态【2 0 州】，如图2 2 所示。这 里有两个未知应力，即径向拉应力盯，与切向拉应力，o o 盯，。 et 图2 2 翻边应力状态示意图 为求解上述两个未知应力，需要两个独立的方程式：一个为微分平衡方程式， 即 r 等坞一= o 另一个是塑性方程式，取o 1 = ，o 3 = 仃，= 0 ，= 1 1 ，则 = 1 1 c r 。 联立求解式( 2 2 ) 与式( 2 3 ) ，即可求得当翻边孔的半径扩大为r 时， 意r 处的径向拉应力盯，与切向拉应力为 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 变形区任 铲1 1 以( 卜云j ( 2 4 ) = 1 1 叽( 2 5 ) 如图2 3 ( a ) 所示，为按式( 2 4 ) 与式( 2 5 ) 求得的平底变形区1 3 ，与的变化规 律。式( 2 4 ) 与式( 2 5 ) 是理想塑性体( 吒= 常数) 的计算结果，如果考虑应变强化的效 应，计算结果虽略有出入，但是径向拉应力以与切向拉应力0 8 总的变化趋势基 本一致，如图2 3 ( b ) 所示。 汽车覆盖件修边线计算方法研究及其工程应用 o 日，o t 。一o ， | f 123455 r r ( a ) 、 ， o 日， 、4，一 多 ， 1 ， ： r = 1 i r o - - n = o 。l ， 一- n = o3 l2 3 4 5 6 卧 ( b ) 图2 3 平底变形区盯，与变化规律 同样，如果仿照拉深突缘变形区应力分析的办法也可进而推导翻边过程中径 向拉应力的变化规律等等，但这在实际应用中并无必要，因为翻边与拉深的性质 迥然不同，影响拉深过程顺利进行的主要障碍，一是突缘变形区失稳起皱，二是 筒壁传力区危险断面的拉断；而造成翻边过程中断的主要原因是因为翻边时孔的 边缘拉断。因此，对于翻边，分析平底变形区应变分布的情况更为重要。 图2 4 所示为翻边时某一变形瞬间( r = 1 1 r o 时) ，平底变形区径向应变s ，、切 向应变岛与厚向应变的分布规律。由图中曲线可以看出整个变形区材料都要变 薄，而在孔的边缘变薄最为严重。此处材料的应变状态相当于单向拉伸，切向拉 1 应变岛最大，厚向压应变岛= 一妄。其次，在一部分区域内径向应变为压应变 z t ，因此，变形区的宽度将略有收缩。翻边终了以后，零件的高度将略有缩短。 e 自 、 汐二； e t p , j r 图2 4 平底变形区0 、岛与变化规律 2 2 2 2 极限翻边系数 切向拉应变岛在孔的边缘数值最大，而在翻边终了时增加到最大值。为了研 究翻边的极限变形程度，有必要对翻边终了时，孔的边缘切向拉应变岛的大小进 行分析。 概 呲 呲 o仉 呲 o 假设材料上的原始孔径为比，翻边终了平均孔径为d ，翻边系数巧= 軎； 板料的原始厚度为t o ，翻边以后的厚度为t ，如图2 5 所示。翻边终了以后，孔的 内、外边缘，切向应变的数值实际上是不相等的。 图2 5 圆孔翻边示意图 在孔的内边缘切向拉匣燹知为 f 0 = l n d r - th 等 在孔的外边缘切向拉应变岛为 铲h 等引n 警 边缘的平均切向拉应变 晶= 扣们= 圭( h 百d - t o + - n 等 = l r l 孕 翻边终了时厚度方向的应变为 叫n 毒 因为，q = 一三昂，所以 l i l t ! l n 亚王_ l n t o 2 哦 即 以巧= 万d o 的关系代入上式，得 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 晖 压 磊 = 4 1 1 汽车覆盖件修边线计算方法研究及其工程应用 当鱼很小时，可得 d t “巧岛 ( 2 1 3 ) 由此可见，翻边系数越小，板料边缘拉薄愈严重。当翻边系数减小到使孔的 边缘濒于拉裂时，这种极限状态下的翻边系数称为极限翻边系数，以k 。表示。 2 2 3 凹曲线翻边( 内曲拉伸翻边) 极限 凹曲线翻边又称内曲拉伸翻边( s t r e t c hf l a n g i n g ) ，内曲拉伸翻边时翻边轮廓 是内凹的，突缘上变形区金属材料受拉应力，切向产生伸长变形，导致厚度变薄。 内曲拉伸翻边的变形程度世。可用下式表示( 见图2 6 ) ： 妒半 ( 2 1 4 ) 式中：r o 一一外缘翻边展开半径； r 1 一一翻边半径。 由于 显i r o = b ( 1 一c o s o ) ( 2 1 5 ) r o = r m b( 2 1 6 ) 所以 耻笺掣川。 ( 2 1 7 ) 式中：b 一翻边宽度( m m ) ； r m 一一翻边轮廓半径( m m ) ； 口一一翻边斜角( 。) 。 当计算得出的髟大于表2 1 所列数值时，翻边会发生裂纹裂口，翻边不能继 续进行。 图2 6 凹曲线翻边的变形参数 硕士学位论文 2 2 4 凸曲线翻边( 外曲收缩翻边) 极限 凸曲线翻边又称为外曲收缩翻边( s h r i n kf l a n g i n g ) ，翻边曲率是外凸的，突缘 上变形区金属材料切向受压缩应力，产生压缩变形，厚度增大。图2 7 所示为外曲 内斛翻边 扑斜翻边垂直翻边 展开图h 正 l j 鹫 墨 磴。 固 翊 盈 斤 图2 7 凸曲线翻边的变形参数 表2 1 翻边许用变形程度( 单位：) 凸曲线翻边k r凹曲线翻边髟 材料名称及牌号 橡皮成型模具成型橡皮成型模具成型 l f 2 1 m2 33 064 0 l f 2 l y l 58 3 1 2 l f 2 m2 02 563 5 铝 l f 2 y 15 8 31 2 合 l y l 2 m1 42 063 0 金 l y l 2 y68o 59 l y l l m1 42 043 0 l y l l y56 -， 1 0 钢 3 8 l o 钢 2 0 钢 2 21 0 翻边的变形参数，其变形程度足，可用下式表示： k ，：盟 1 由于 r o r 1 = 6 ( 1 一c o s ( z ) 尺l = r m + 6 所以 k ，：b ( 1 - c o s a ) 1 0 0 。 r + b ( 2 18 ) ( 2 1 9 ) f 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 当计算得出的置，大于表2 1 所列数值时，翻边将起皱，设计时必须采取防皱 措施。 由上面分析可知，覆盖件翻边的概念已经超出一般冲压书籍中所说的圆孔翻 边范畴。变形性质既有翻边，也有弯曲和拉延；面变形的危险既有拉伸过长产生 的裂口，也有压缩量过大产生的皱纹。在实际设计中要分析具体情况，采取相应 措施。 2 3 翻边成形对修边工艺的影响 修边工艺研究的一个重要方面是确定修边线的位置。覆盖件修边工艺的修边 线一般定义为零件的外轮廓线，但当有翻边工序时，则需要将翻边展开确定修边 线的位置，即在翻边条件及翻边高度给定的条件下，确定翻边坯料取什么形状与 尺寸时翻边后的突缘高度正好达到所需的翻边高度【2 “”】。 修边工