（机械工程专业论文）lg挖掘机斗杆槽板深弯成形工艺研究.pdf

摘要 摘要 挖掘机斗杆用于连接动臂与铲斗，加大工作范围，协调整机重心，是挖掘机的重要 组成部分。深弯成型是斗杆槽板的主要成型工艺，深弯模具的设计是深弯成型工艺的重 要内容，基于传统的模具设计方法很难完全满足生产的需要，随着计算机技术和有限元 方法的发展，深弯成型数值模拟已经成为金属塑性加工领域的重要课题之一，通过对板 材成型过程进行数值模拟，可以全面的了解板材在成型过程中的应力、应变分布，预测 成型缺陷的出现，为设计者提供进行工艺分析和模具设计的科学依据，从而提高模具设 计水平、缩短模具设计周期、提高产品质量。 本文对l g 挖掘机斗杆槽板深弯成形工艺的关键技术进行了研究，并利用c a d c a e 相结合的技术对l g 挖掘机斗杆槽板深弯进行了工艺设计。探讨了基于特征的工艺特征 建模方法，并利用该方法，在s o l i d e d g e 环境下给出了l g 挖掘机斗杆槽板工艺特征模 型；研究了型面结构设计中的变量化设计方法，基于s o l i d e d g e 给出了挖掘机斗杆槽板 模具的型面结构模型；讨论了数值模拟中的增量模拟方法，基于d y n a f o r m 对板料弯曲 成形进行了数值模拟；比较了弯曲工艺的几种优化方法，构建了以回弹作为变量的优化 目标函数，并以板料未出现起皱和破裂的现象作为约束条件，采用序y o - 次规划法对圆 角半径进行了优化设计。本文采用了c a d c a m 技术相结合的设计方法，提高了工艺设计 的效率，降低了设计成本。 关键词：l g 挖掘机斗杆槽板，深弯成形工艺，c a d c a e ，数值模拟 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee x c a v a t o ra r mt r o u g hp l a t ef u n c t i o n sa s c o n n e c t i n gt h ea rma n d b u c k e t ，i n c r e a s i n gw o r k i n gr a n g ea n dc o o r d i n a t et h ec e n t e ro fg r a v i t y s oi ti s a n i m p o r t a n tp a r t o ft h e e x c a v a t o r d e e pb e n d i n g i st h ek e yp r o c e s st o m a n u f a c t u r et h ee x c a v a t o ra r mt r o u g hp l a t e d e e pb e n d i n gm o d e ld i ed e s i g ni s o n eo ft h em o s tc o n t e n t so f d e e pb e n d i n gt e c h n o l o g y i ti sd i f f i c u l tt os a t i s f yt h e p r o d u c t i o n sn e e d sb yt r a d i t i o n a ld i ed e s i g nm e t h o d s ，a l o n gw i t ht h ec o m p u t e r t e c h n o l o g ya n df i n i t e - e l e m e n tm o t h o d sd e v e l o p m e n t ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n o fs h e e td e e pb e n d i n gh a sa l r e a d yb e c a m eo n eo ft h ei m p o r tt o p i c si nm e t a l p l a s t i c i t yp r o c e s s i n gd o m a i n t h r o u g hc a r r i e so nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ot h e s h e e td e e pb e n d i n gp r o c e s s ，w ec a nu n d e r s t a n dt h es h e e t s s t r e s sa n ds t r e s s d i s t r i b u t i o nc o m p r e n h e n s i v e l yi nd e e pb e n d i n gp r o c e s s a n dw ec a nf o r c a s tt h e a p p e a r a n c eo ff o r m i n gd e f e c t s i tp r o v i d e st h es c i e n t i f i cb a s i sf o rt h ed e s i g n e ro n d o i n gt e c h n o l o g ya n a l y s i sa n dm o u l dd e s i g n ，t h e r e f o r ei tc a ni m p r o v em o u l d s d e s i g nq u a l i t y , r e d u c ed i ed e s i g np e r i o da n di m p r o v et h ep r o d u c t i o nq u a l i t y i nt h i sp a p e r , t h ek e yt e c h n o l o g yo ft h el ge x c a v a t o ra r l t lt r o u g hp l a t e d e e pb e n d i n gp r o c e s s i s c o n d u c t e d ，a n dt h ec o m b i n a t i o no fc a d c a e t e c h n o l o g yi s u s e df o rl ge x c a v a t o ra l t nt r o u g hp l a t ed e e pb e n d i n gp r o c e s s d e s i g n f e a t u r em o d e l i n gt e c h n o l o g yb a s e do ns o l i d e d g ea n ds u r f a c e g e o m e t r ym o d e ld e s i g n ，b a s e do nt h ed y n a f o r mo nb e n d i n gf o r m i n go f s h e e tm e t a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o na n ds t u d yo no p t i m i z a t i o nm e t h o do f b e n d i n g p r o c e s s t h ef e a t u r e - b a s e dd e s i g nm e t h o dw a su s e dt oc o n s t r u c tt h ee x c a v a t o r u i 山东大学石贞士学位论文 a r i 1f e a t u r em o d e l v a r i a t i o nd e s i g nm e t h o di su s e df o rp r o c e s sd e s i g ns u r f a c e s t r u c t u r e n ei n c r e m e n t a lm e t h o di su s e df o rs i m u l a t i o nd e e pb e n d i n g p r o c e s s i ti sd e s i g n e di nt h eu s eo ft h em e t h o do fc o m b i n a t i o no fc a d c a m t e c h n o l o g y t h em e t h o di m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fp r o c e s sd e s i g n ，a n dr e d u c e dt h ed e s i g n c o s t k e yw o r d ：l ge x c a v a t o ra r mt r o u g hp l a t e ，b e n d i n gp r o c e s s ，c a d c a m ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) a b s t r a c t c o n t e n t s c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n i i i 1 1s i g n i f i c a n c eo f r e s e a r c h 1 1 2r e v i e wo nc u r r e n tr e s e a r c h 2 1 2 1r e v i e wo nf e a t u r em o d e l i n gt e c h n o l o g y 2 1 2 2r e v i e wo np a n e ld i es u r f a c ed e s i g nt e c h n o l o g y 3 1 2 3r e v i e wo nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f m e t a ls h e e tf o r m i n g 4 1 2 4r e v i e wo nt h ep r o c e s so p t i m i z a t i o n 5 1 3o v e r v i e w 6 c h a p t e r2d e s i g no nb e n d i n gp r o c e s s e so fl ge x c a v a t o ra r mt r o u g hp l a t e 8 2 1c o n t e n ta n d s t e pf o rb e n d i n g p r o c e s s e so fl ge x c a v a t o ra r mt r o u g hp l a t e 8 2 1 1p a r td r a w i n ga n a l y s i s 9 2 1 3d e s i g nf o re a c hs t e po f p r o c e s s 1 0 2 1 4s e l e c t i o no fm o d e l ：11 2 1 5s t a m p i n ge q u i p m e n ts e l e c t i o n 11 2 1 6c o m p i l eo f p r o c e s sd o c u m e n t sa n ds p e c i f i c a t i o n 1 2 2 2s t a m p i n gf e a t u r e sf o rb e n d i n gp r o c e s s e so fl ge x c a v a t o ra r mt r o u g hp l a t 12 2 3p r o b l e mf o rb e n d i n gp r o c e s s e so fl ge x c a v a t o ra r mt r o u g hp l a t 12 2 4c h a p t e rc o n c l u s i o n 13 c h a p t e r3 f e a t u r em o d e f i n gf o rp r o c e s s e so fl ge x c a v a t o ra r m t r o u g hp l a t 1 4 3 1 c o n t e n ta n di m p o r t a n c eo f f e a t u r em o d e l i n g 1 4 3 2f e a t u r em o d e l i n gm e t h o d 1 4 3 3d i f f i c u l t i e sa n dp r o b l e m si nf e a t u r em o d e l i n gt e c h n o l o g y 1 5 3 4f e a t u r em o d e l i n gf o rp r o c e s s e so f e x c a v a t o r a r mt r o u g hp l a tb a s e do ns o l i d e d g e 1 6 3 5c h a p t e rc o n c l u s i o n 18 c h a p t e r4 d i es u r f a c ed e s i g nf o rp r o c e s s e so fl ge x c a v a t o ra r m t r o u g hp l a t 4 1 c o n t e n ta n di m p o r t a n c ef o rd i es u r f a c ed e s i g n 1 9 山东大学硕士学位论文 4 2 p r i n c i p l e so fd i es u r f a c ed e s i g n 2 0 4 3 m e t h o d sa n ds t e p sf o rd i es u r f a c ed e s i g no fl ge x c a v a t o ra r m t r o u g hp l a t 2 0 4 3 1 m e t h o d so f d i es u r f a c ed e s i g n 2 0 4 3 2 m e t h o d sf o ra v o i d a n c eo f s p r i n g b a c k 2 1 4 4c h a p t e rc o n c l u s i o n 2 2 c h a p t e r5 n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rl ge x c a v a t o ra r m t r o u g hp l a t e 2 3 5 1c o m e mf o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fl ge x c a v a t o ra r m t r o u g hp l a t e 2 3 5 2 p r o b l e m se x i s t e di nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fl ge x c a v a t o ra r mt r o u g hp l a t e 2 4 5 3 m e t h o d sa n ds t e p sf o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fl ge x c a v a t o ra r mt r o u g hp l a t e 2 5 5 3 1 m e t h o d so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 2 5 5 3 2 s t e p sf o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 2 5 5 4 an u m e r i c a ls i m u l a t i o na p p l i c a t i o nb a s eo i ld a n y f o r m 2 6 5 5c h a p t e rc o n c l u s i o n 2 9 c h a p t e r 6 o p t i m i z a t i o nf o rb e n d i n gp r o c e s s e so fl ge x c a v a t o ra r mt r o u g hp l a t3 0 6 1c o n t e ma n di m p o r t a n c ef o rp r o c e s so p t i m i z a t i o n 3 0 6 1 1 0 p t i m i z a t i o no f b e n d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s 3 0 6 1 2 0 p t i m i z a t i o no f d i es u r f a c es t r u c t u r e 3 1 6 2 0 b j e c t i v ef u n c t i o n 3 3 6 3 c o n s t a i nc o n d i t i o n 3 3 6 4 0 p t i m i z a t i o nm e t h o df o rb e n d i n gp r o c e s s e so f l ge x c a v a t o r a r mt r o u g hp l a t 3 4 6 5 c h a p t e rc o n c l u s i o n 3 5 c h a p t e r7 c o n c l u s i o na n do u t l o o k 7 1 c o n c l u s i o n 3 6 7 2 0 u t l o o k 3 7 r e f e r e n c e s a c k n o w l e d g e 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究意义 挖掘机斗杆作为工作装置中的一部分，其结构强度要求很高，是关键的受力部件之 一。基于斗杆的重要作用，作为斗杆的主要零件槽板其质量要求很高。目前生产过程中 存在的主要问题：由于槽板属于深弯曲成形，成形后存在回弹误差，影响零件成形质量。 本课题主要通过有限元对槽板成形过程的数值模拟计算，来校核和优化l g 挖掘机槽板成 形模具工艺设计和结构设计方案，减少模具设计和模具调试周期，降低生产成本，提高 产品质量。 目前，板材成形加工生产主要依靠传统经验设计来制定深弯工艺、开发相关模具， 具有相当大的随意性和不确定性。然而板料成形的力学过程及成形影响因素非常复杂， 是一个集几何非线性、材料非线性、接触非线性于一体的强非线性问题，用传统的解析 方法很难求解。塑性成形理论经过1 0 0 多年的发展，已相当成熟。随着计算机应用技术 的普及，板料塑性成形过程用有限元方法进行数值模拟已成为解决该问题的有效途径。 有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法，是解决工程实际问题的一种有力的 数值计算工具。最初有限元法被用来研究复杂的飞机结构中的应力，它是将弹性理论、 计算数学和计算机有机地结合在一起的一种数值分析技术。由于这种方法具有灵活、快 速和有效性等特点，迅速发展成为求解各领域的数理方程的一种通用的近似计算方法， 并在许多学科领域和实际工程问题中都得到了广泛的应用。 金属成形c a e 技术主要以有限元方法为主，它与传统的理论解析方法比较起来，在 模拟复杂零件的成形与回弹过程时，具有很大的优势。它可以引入相应的力学和物理模 型真实地反映成形与回弹过程的规律。实际上金属成形有限元数值模拟是一个非常复杂 的问题，它涉及到变分原理和单元模型；材料的各向异性、应变强化、随动强化等物理 模型；摩擦与润滑、拉深筋、压边力分布、毛坯形状、温度场变化等工艺条件的模型化； 毛坯与模具间的界面接触判断与约束处理；以及所有这些模型的正确与有效实施。所有 这些因素都直接影响有限元模拟的精度。 随着我国汽车、飞机等机械工业的发展，板料成形过程分析的需求日益迫切，板料 成形c a e 软件在我国的应用必将越来越广泛。在现有的板料成形c a e 分析技术方面的著 作和资料中，大多侧重于板料成形有限元数值模拟的理论和方法，涉及板料成形c a e 技 山东大学硕士学位论文 术实际工程应用的技术资料还很少。因此，本文以c a e 技术在板料成形过中的实际应用 来进行研究和讨论具有重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 ，传统的工艺设计依靠个人经验，通过粗略分析和计算，最后完成整个工艺设计，对 于复杂冲压件的工艺设计常常暴露出许多弊端。随着计算机技术的发展， c a d c 舢w c a e 技术在深弯工艺设计中得到了应用，、并成为了国内外学者的研究热点。 目前对深弯工艺的研究重点为：深弯工艺特征建模、模具型面结构设计、板料成形模拟 及工艺优化技术。 1 2 1 特征建模的发展现状 特征建模是建立在实体建模基础上的，它基于特征的概念面向产品整个设计过程和 制造过程进行设计，不仅包含与制造过程有关的信息，而且可以描述不同信息之间的关 系。特征技术萌芽于2 0 世纪8 0 年代初期，并于八十年代的中后期得到蓬勃发展。特别 是由于s t e p 标准将形状和公差特征等列为产品定义的基本要素，特征技术获得了国际 标准的法定地位。 国外许多学者和研究单位为特征技术的应用及发展做出了贡献。1 9 9 2 年，k a n g 第 一次提出了面向特征的分析方法，f o d a ( f e a t u r e o r i e n t e dd o m a i na n a l y s i s ) ，这个分析方 法建立了以特征为核心的领域建模方法。1 9 9 8 年，k a n g 又在f o d a 分析法的基础上提 出了一种面向特征的复用方法f o r m ( f e a t u r e o r i e n t e dr e u s em e t h o d ) 吲。这种方法将特 征的类型进行了进一步的细分，并更加详细的对特征之间的关系进行了定义，它将特征 模型扩展到了各个设计阶段，给出了利用特征模型开发领域体系构建的指导方针。美国 的s h a h 和r o g e r s 3 】建立了一个从功能要求角度出发进行建模的系统叶b m s ，它克服了 传统c a d 系统不易表达成型特征等高层信息的弊端。这个系统包含高级实体建模和特 征搜寻两层，为几何造型提供了更为丰富的数据结构，并将人工智能技术引进了几何建 模中。r o y 4 在设计的夹具自动设计系统中利用了一种基于某些显著特征和参数的建模 方法，这种模型允许用户制造能力、产品功能要求信息和一些其他特征添加到一个实体 当中去，为后续的处理提供了方便。l e e 【5 j 提出了一种基于特征的非流线建模系统，并 应用该系统完成了c a d 和c a e 之间的集成。利用该系统，当c a d 中的实体模型更新 2 第1 章绪论 时，依靠特征建模驱动能力，c a e 中的非流线模型也会随之更新。 在国内，许多高校研究所及其他科研单位也对特征建模技术进行了研究，并开发出 了一些特征造型系统。清华大学的孟明辰等【6 】以p r o e 为支撑软件，开发出了基于s t e p 标准的特征造型系统j w - c a d ，该系统包含了特征造型界面、特征识别和特征提取模块， 并以s t e p 标准作为产品信息表达和数据交换的依据。用户可通过零件的特征造型，建 立零件信息模型。上海交通大学的虞春掣7 】将冲压件的特征分为了形状特征、材料特征、 精度特征、技术特征、制造特征、分析特征和管理特征，介绍特征关系的分类，阐述了 面向c a e 系统的特征定义方式，在此基础上提出了系统集成的具体途径。南京邮电大 学的孙知信【8 】从形式化定义和设计过程描述的角度对特征设计技术进行了研究，提出了 特征定和特征表示的形式化方法，并编写了相应的设计算法。南京航空航天大学的刘苏、 钱晓峰【9 】在i - d e a s5 平台上开发出基于特征的参数化造型系统。合肥工业大学的屈新 怀【1 0 】用树结构对零件各个特征之间的关系进行了描述，以特征构形表达了零件的空间结 构，并在a u t o c a d 2 0 0 0 的平台上开发出了基于特征的冲压零件建模系统( f b s p m s ) 。 1 2 2 模具型面结构设计发展现状 模具型面设计是模具设计过程中的关键，型面设计质量好坏决定了模具的整体质 量。模具型面设计技术的发展对模具设计具有重大意义。经国内外科研单位和学者数十 年的潜心研究，模具型面设计相关理论有了较大的发展。其中，日本学者o h a t a 等人【l l 】 开发出了成型工艺优化系统，该系统利用单纯形方法和网格搜索方法，建立了以成形极 限f l d 为破裂准则的目标函数，对冲压方向进行了优化。德国学者l u e t 掣1 2 】将数学规 划技术和有限元分析技术应用到了冲压模具型面优化设计当中，以拉延过程中的破裂和 起皱程度建立了为目标函数，对程的拉延筋布置、工艺补充面设计和板料形状设计技术 进行了研究和优化。韩国的p a r k 等人【1 3 , 1 4 】对轴对称和非轴对称产品的拉深工艺进行了探 讨和研究，并在a u t o c a d 平台上开发了对称轴深拉产品辅助设计系统和非轴对称拉深 产品辅助设计系统。g a s p e r f l 5 】利用有限元方法对板料成形进行了仿真，分析了破裂、回 弹等缺陷产生的原因，并对型面设计中的形状、尺寸、拉延筋设计技术进行了分析，并 对数值模拟结果可靠性、成本、收益和时间进行了评估。 另外，国内的高校和科研单位也对型面设计进行了深入的研究。上海交通大学的陈 炜等人【1 6 】利用特征技术对型面设计进行了研究，设计了工艺补充面、压料面、拉延筋、 凹模圆角，将各组特征有机装配，即可形成一个优化整体。华中科技大学塑性成形模拟 3 山东大学硕士学位论文 及模具技术国家重点实验室开发出了汽车覆盖件深弯工艺设计系统p d c a p p ，该系统可 实现闭环设计，设计者在原始零件的基础上可以完成复杂形状零件的自适应工艺设计， 减少了工艺设计对设计者经验的依赖性，提高了模具型面设计的智能化程度【1 7 】。大连理 工大学的侯文彬等人【1 8 】利用模板技术对模具进行型面结构设计并设计出集成设计系统 v c d i c a e ，利用该系统可以实现车身几何建模、分析与优化。 1 2 3 板料成形模拟发展现状 随着计算机的发展，数值仿真已发展为模具设计中的必要环节，数值仿真的应用大 大节约了试模成本，缩短了模具开发周期，并成为保证模具质量的重要手段。目前国内 外学者对板料成形模拟技术的研究重点在于利用该技术对可能产生的缺陷进行预测和 消除，对设计参数进行优化，其中包括，起皱的预测和消除、拉裂的预测和消除、回弹 的计算、成型性评价、压边力优化、成型力计算、毛坯尺寸的计算和翻边线的展开、预 测和改善模具磨损等。 g e r d e e n 提出一种“几何映射法，这种方法将冲压件曲面划分成曲面片，并假设变 形前后曲面面积相等，计算坯料的形状。起皱通常是由h i l l 的分叉准则来预测的。 m a g a l h a e sc o r r e i a 和g e r a r df e 仃o n 【1 9 】建立了预测起皱的分叉模型，并将之与前人的研 究进行了对比，在此基础上得出，应力状态的各向异性和进入侧壁的板料的曲率是影响 起皱的重要因素，其中各项异性指数增大时，板料成形过程中发生起皱的拉深距离也随 之增大。k i m 等人【2 0 】考虑了可能引起起皱的多种因素，包括，应力状态、板材的力学性 能、毛坯的几何形状和接触条件等，并将分叉理论应用到了利用有限元对起皱进行分析 中，对深拉工艺中的起皱缺陷进行了分析，研究表明起皱不仅与坯料的长宽比有关，也 与冲头冲压的距离有关。x uw e i l i 等人1 2 l 】将节点直接投影以及使用b h g 应用到了接触 算法中，并提出了一种简化的模拟起皱的方法，这种方法不需要使用起皱判别准则，也 无需复杂的塑性分叉理论，同时也不需要考虑坯料的初始理想度。谢晖等【2 2 】基于板料压 缩失稳理论和有限元技术，从1 6 个单元区域的起皱分析入手，用能量法进行了计算， 得到了反映板料各处发生起皱难易程度的屈曲临界因子，通过生成起皱云图观察了材料 各部分的稳定程度，预测了可能出现起皱的部位。 开裂一般是由于板料的强度或塑性不足，在拉应力超过临界值时发生。引起开裂的 影响因素也很多，到目前为止，还没有十分精确的判断开裂的准则。k a z u t a k ek o m o r i l 2 3 】 基于有限元方法开发出了一个分析延性断裂后开裂原因的系统，该系统采用了一种节点 4 第l 苹绪论 分离的模型，即将服从开裂准则的单元与其临近单元共有的节点分离，不同于一般有限 元模型直接将服从开裂准则的单元直接删除的做法，节点分离法使得模型更加接近材料 实际特性，减小了模拟结果的误差。c h e n 等人【2 4 】应用一种复合的位移压力有限元方法 对精密冲压过程进行了模拟和研究，将模具顶杆、起模杆、工具边界半径等因素考虑到 了有限元模型当中，对板料成形过程中的不可压缩塑性变形进行了精确的模拟，并认为 由精冲压夹具产生的压边力对抑制开裂作用重大。r i d h ah a m b l i 和m a r i a nr e s z l ( a 【2 5 】基于 一种反向技术，构建了有限元校正模型，识别了开裂准则的临界值，并将反向技术应用 到了开裂模拟中，对开裂准则和开裂模拟进行了研究，并将模拟的分析结果和实验进行 了比较。 回弹是板料成形过程中不可避免的现象，主要表现为整体卸载回弹、局部卸载回弹 和切边回弹，当回弹量超过允许容差时，称之为回弹缺陷，缺陷会影响零件的几何精度。 因此，从5 0 年代开始，许多科研单位和学者开始对回弹现象进行研究，他们分别从理论 方法、实验方法、数值模拟及回弹控制方法等方面进行了探讨。g a r d i n e r 2 6 在假定弹性 板为理想的情况下，基于弯曲工程理论对其模型进行了弯曲回弹的研究。h i l l t 2 7 1 对板弯 曲回弹建立了精确的数学理论，并对刚塑性板的纯弯曲问题进行了研究。l u m i ng e n g 等人【2 5 1 建立了一种新的各向异性的硬化模型，并将其与v o nm i s e s 屈服公式、h i l l - - 次 方程、b a r l a t - - 参量、b a r l a t1 9 9 6 一起应用到了a b a q u s 中，得出模拟的回弹量取决于硬 化规则以及应力方向逆转和塑性材料的各异向性的结论。7 0 年代起，有限元法开始应用 于板料成形模拟，在预测拉裂和起皱上取得了很大的进展，但对于复杂成型件的回弹， 仍然没有一种比较可靠的预测方法。d u e t a l 分别采用了静态隐式算法和动静态联合算法 对轿车顶弧成型和后加强板切边时的回弹进行了模拟和分析。f i n n e t a l 贝j j 采用动静态算法 分析了轿车前翼子板成型中的回弹。直到9 0 年代，才有学者开始对3 d 复杂成形件进行成 形模拟研究【2 8 删，尤其是汽车覆盖件的回弹问题得到了广泛的研究，并取得了很大的进 展。随着计算机软硬件的进一步发展，尤其是商业分析软件的应用，使数值模拟仿真在 冲压领域得到了迅速的发展，成为了材料变形研究和工艺过程设计的有力工具，并将传 统的板成形技术推向了科学化。 1 2 4 工艺优化技术发展现状 深弯工艺的优化设计就是从多种冲压方案中选择最佳方案的设计方法。深弯工艺优 化设计常以数学中的最优化理论作为理论基础，以计算机作为手段，根据设计所想达到 5 山东大学硕士学位论文 的性能作为目标，建立目标函数，在满足一定的约束条件下，去寻求最优的设计方案。 这种设计方法在设计初期就综合考虑后续的生产和制造等因素，因此设计出的工艺更合 理。国内外许多学者和科研单位对这项技术进行了研究，并取得了很大的成绩。w k u b l i 和j r e i s s n e r l 3 h 利用a u t o f o r m 对两个汽车零件及板料进行了成形模拟，并对毛坯形 状、材料、压边力、拉延筋的位置和形状进行了优化设计。g a p e rg a n t a r 等人1 3 2 】展开利 用成形模拟方法对产品形状优化、毛坯初始形状优化、开裂缺陷预判、产品成形厚度预 判、褶皱缺陷预判、回弹量预判、残余应力估算等问题展开了研究，将模拟结果和实际 生产进行了比较，评估了结果的可靠性、成本、收益和模拟时间长短。t o h a t a 等人【3 3 0 5 】 先后对扫描单纯形法、改进的扫描单纯形和混合优化算法进行了研究，并将这三种方法 应用到了实际生产当中、对拉延件的工艺参数进行了优化。天津大学的陈永亮等人【3 6 1 研究了变量化分析在机械产品快速设计中的应用。依靠变量化分析得出的结果，结合大 型机械结构设计的特点，考虑了各种约束条件以及设计规范，对结构优选和设计进行了 参数优化设计，实现了变量化造型、分析和优化的集成。山东工业大学的赵国群等人 3 7 - 3 8 1 基于有限元方法提出了一种灵敏度分析理论，并探讨了基于该理论的模具优化设计方 法，利用该方法对整个变形过程进行了优化，并以三次b 样条函数的形式表示出了最佳 模具形状。 通过对特征建模技术、型面结构设计技术、板料成形模拟技术和工艺优化技术的发 展现状的研究，可以知道，这几项技术的使用大大的缩短了产品工艺的开发时间，降低 了开发和制造成本，缩短了开发周期，它们之间相互关联，特征建模技术为产品的表现 提供了支持，型面结构设计则将工艺和模具设计联系在了一起，板料成形模拟技术是连 接其它三项技术之间的桥梁，而优化设计技术则为最后的最优化设计提供了方法和手 段。为此，了解和探讨各项关键技术，协调好几项技术完成的工作尤为重要。 1 3 本文的主要工作 挖掘机斗杆槽板作为挖掘机主要作业部件的一部分，在工作过程中作用重大。槽板 成型具有工件大、成型深度大、成型质量要求高等特点，因此其制造工艺较为复杂。本 文在研究深弯工艺设计的国内外研究现状，阐述了深弯工艺设计中的四个关键技术：特 征建模技术、型面结构设计技术、成形数值模拟技术以及优化技术，并以挖掘机斗杆槽 板为例，探讨了这四项技术在深弯工艺设计中的应用。本文的主要内容有： 6 第l 苹绪论 第一章：介绍挖掘机斗杆槽板深弯工艺设计的研究意义，回顾了国内外学者在深弯 工艺设计方面的研究综述。 第二章：挖掘机斗杆槽板深弯工艺设计的一般步骤，并分析了其特点，并指出了深 弯工艺设计中存在的一些问题。 第三章：挖掘机斗杆槽板深弯工艺建模，分析特征建模的内容及意义，讨论特征建 模的方法，指出特征建模中的难点及存在的问题，最后基于s o l i d e d g e 对挖掘机斗杆槽 板的深弯工艺进行特征建模。 第四章：挖掘机斗杆槽板深弯工艺型面结构几何造型，阐述型面结构设计的内容及 意义，提出了一些型面结构设计的原则和方法，基于s o l i d e d g e 对挖掘机斗杆槽板进行 了型面结构设计。 第五章：挖掘机斗杆槽板板料成型数值模拟。介绍了板料成形模拟技术的内容和作 用，指出了当中存在的难点及问题，提出了冲压模拟的方法，基于d y n a f o r m 给出了 实例。 第六章：对挖掘机斗杆槽板深弯工艺进行优化，分析优化内容及优化的必要性，探 讨优化目标和约束条件的确立方法，并给出优化实例。 7 山东大学硕士学位论文 第2 章l g 挖掘机斗杆槽板深弯工艺设计 挖掘机斗杆槽板的生产过程首先从原材料剪切下料开始，经过各种冲压工序和其他 必要的辅助工序，最后加工出图纸所要求的零件。对挖掘机斗杆槽板件的冲压设计就是 根据已有的生产条件，综合考虑生产过程进行的各方面影响因素，合理安排其生产工序， 最优选用、确定各工艺参数大小和变化范围，设计模具以及选用设备等，以使斗杆槽板 的整个生产过程达到安全、优质、低耗和高产的目的。 2 1 挖掘机斗杆槽板深弯工艺设计步骤 挖掘机斗杆槽板深弯工艺规程是深弯成型模具设计的依据，若深弯工艺有改动，往 往会造成模具的返工，甚至报废。冲制相同尺寸的挖掘机斗杆槽板，通常可以采用几种 不同方法。对挖掘机斗杆槽板工艺规程设计的中心就是保证其生产在符合各项技术要求 前提下，依据技术上先进、生产上高效、使用上安全、经济上合理的原则，达到最佳的 经济效益和技术效果。斗杆槽板的深弯工艺设计的主要步骤为：分析斗杆槽板零件图、 确定冲压总体工艺过程、确定及设计各工序工艺方案、确定模具类型和尺寸、合理选择 冲压设备、编写工艺文件和设计说明书，如图2 1 ： 8 图2 1 工艺设计步骤 第2 章l g 挖掘机斗杆槽板深弯工艺设计 2 1 1 分析零件图 冲压加工是一种先进的制造方法，这种加工方法具有生产效率高、操作方便、耗材 少、可保证零件尺寸和形状精度的优点。但冲压加工业存在，加工噪音大、模具成本高 等缺点。因此，在进行产品制造之前，应首先对产品零件图及其他生产要素进行分析， 以方便以后创建合适的深弯工艺。对于挖掘机斗杆槽板零件图( 图2 2 ) ，一般从技术和 经济两方面进行分析，以确定是否采用冲压加工以及其难易程度。 i 图2 - 2 零件截面图 ( 1 ) 冲压加工经济性分析 由于模具费用较高，生产批量大小对冲压加工的经济性起着决定性作用，斗杆槽板 作为一种挖掘机的主要零件，其生产批量较大，利用冲压加工不仅加工效率高，而且加 工成本较低，而且能够保证成型质量，因此冲压加工方法适于对挖掘机斗杆槽板的加工。 ( 2 ) 深弯工艺性分析 对深弯工艺性的分析包括两方面，在技术方面，主要对零件形状特点、加工精度、 尺寸大小以及材料性能等因素进行分析，以估算材料消耗、工序数目、模具结构复杂性、 产品质量稳定性、操作复杂度等因素。另外，冲压件的极限尺寸设计基准、变薄量、翘 曲、回弹、毛刺大小及方向要求等会影响到所需等工序性质、数量、顺序的确定、工件 定位方法及模具制造精度，因此需作为分析时等考虑因素。 斗杆槽板的工艺特点：成型深度大，属于深弯成型；成型后回弹大，不易满足零件 设计要求；表面质量要求高，不能出现划痕、凹坑等缺陷。 2 1 2 确定冲压总体工艺过程 为使得深弯工艺能够达到最佳的经济效益和技术效果，确定冲压总体工艺过程需要 对零件的成形性进行综合分析，并根据当前等生产条件和零件的产量质量要求，提出各 9 山东大学硕士学位论文 种可能等零件成型总体工艺方案。最后，比较各个方案，从而选出最佳的工艺方案，并 尽可能的对其进行优化。整个设计通常包括： ( 1 ) 选择冲压基本工序 常见的冲压工序有剪裁、冲孔、落料、切边、弯曲、拉深、翻边等，这些工序的性 质、特点和用途各不相同。因此，为达到技术效果，应根据零件图和产品技术要求对工 序进行选择。例如，对于平板件上的型孔只需选择冲孔、落料或剪切工序；开口筒型件 则常选择拉深工序。合理选取冲压工序是完成冲压总体工艺设计的前提。针对斗杆槽板 属于深弯u 型成型，冲压工序只有弯曲，冲裁工序由激光切割机切割完成，以减少模具 数量，降低生产成本。 ( 2 ) 确定冲压次数和冲压顺序 冲压次数是指同一性质的工序重复进行的次数。冲压次数往往决定冲压件的具体形 状和尺寸，正确计算和确定冲压次数才可以保证零件的尺寸和形状满足设计要求。 冲压顺序的安排应有利于发挥材料的塑性以减少工