（机械工程专业论文）基于dyna的汽车覆盖件典型零件的成形工艺研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 基于d 呵a i i o r m 的汽车覆盖件典型零件的成形工艺研究 机械工程 吴转萍( 签名) 朱林( 签名) 杜锋( 签名) 摘要 随着汽车产业的不断发展，车辆车身开发无不着重于性能、质量、经济、美观舒适 及安全可靠。如要减轻自重，就要用更薄的高强度材料或增加许多加强装饰筋，为了增 加防蚀性能，就要采用耐蚀材料或镀层材料，为了流线、美观、往往造型很复杂，这些 都会增加零件拉延成形的难度。对于结构较复杂的拉延件，在过去完全依靠设计者的经 验和类比的方法来设计工艺和模具，对模具试冲压和调试验证中出现的种种质量问题， 如破裂、起皱，刚性不足，回弹过大，材料变薄等等，先进行冲压条件调整，再对模具 进行反复修正。如果设计者经验不足或者零件的形状极不规则，反复修正将可能无效， 造成模具的报废。这样既影响生产周期，又增大了成本。因此，传统的“试错”的方法 已不能适应产品的更新换代步伐。 本课题采用d y n a f o i t m 这一业界通用的有限元分析软件作为工具，主要进行的研 究工作是：分析一些典型的覆盖零件边梁、门铰链加强板、立柱、上支座加强板等，对 其进行压料面和工艺补充部分的设计，同时，对其中几个零件的拉延工序进行成形仿真， 并在后续对其成形进行模拟，用先于现场的技术预测成形过程的缺陷，通过反复模拟优 化成形工艺方案，最终达到消除成形缺陷。将现场试错调试利用软件模拟分析替代。在 对零件冲压工艺性进行分析的基础上，对拉延工序的可能的工艺方案进行比较分析，初 步得出可行的工艺方案。根据数值模拟结果，优化拉延工序工艺方案。并通过实际生产 对其正确性和有效性进行实践检验。 通过本课题的研究，将为基于数值模拟分析方法在汽车覆盖件拉延工艺优化方面的 应用提供成功的实例和应用的经验，为进一步研究提供规律性的指导作用。希望收集相 关的技术参数，改善现阶段工艺人员工作的繁复性。 关键词：汽车覆盖件冲压工艺性有限元数值模拟预测成形缺陷优化工艺 论文类型：应用基础 s u b j e c t ： s p e c i a i 时： n a m e ： b a s e dd a n a f o r m 够p i c a la u t o m o b i l ep a n e lp a n so ft h ef o m i n gp m c e s s m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g w uz h u a np i n g ( s i 驴a t u r e ) 型丝兰生 i n s t n i c t o r ：z h ul i n d uf e n g ( s i g n a t l l i _ e ) l s i g n a t l l 心， ( s i g n a t u r e ) 力以 a b s 。i r a c l 。 w 汕t l ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fm ea u t o m o t i v ei n d u s t v e l l i c l eb o d yd e v e l o p m e n t i sf o c u s e d0 np e 而n i l a i l c e ，q 砌咄e c o n o m i c ，b e a u t i f u la l l dc o m f b r t a b l ea n ds 疵a 1 1 d r e l i a b l e i fy o uw 锄tt ol i 出e nt l l ew e i 出，y o um u s tu s eat h j nm g l ls 仃e n 砷m a t e r i a lo ri n c r e a s et h e n u m b e ro fr e i n f o r c i n gd e c o r a t i v er e i n f o r c e m e n t ，i no r d e rt oi i l c r e a s em ec o r r o s i o nr e s i s t a i l c e ， w em u s tu s ec o r r o s i o nr e s i s t a n tm a t e r i a lo rc o a t i n gm a t e r i a l ，i no r d e rt os 仃e 锄l i n e ，印p e 姗c e ， o r e nv e wc o m p l e x ，w l l i c h 、i ui n c r e a s et h ed i m c u l 够o fp a r t sd r a 、析n g f o ram o r ec o m p l e x s t m c t u r eo ft 1 1 ed r a 、i n g ，i nt l l ep a s tc o m p l e t e l yr e l y0 nm ed e s i g i l e r se x p e r i e n c ea j l da i l a l o g y m e t h o dt od e s i g np r o c e s sa n dd i e ，d i es t a m p i n ga n dc o n u n i s s i o n i n gt e s to fv a l i d a t i o no fm e v a r i o u sq 试i t yi s s u e s ，s u c ha sm p 眦，、r i i l k l i n g ，l e s s 百d ，r e s i l i e n tt o ol a r g e ，“i l i l i n go f t l l e m a t e r i a la n ds oo n ，t 1 1 e 矗r s t 蛐p i i l gc o n d i t i o na d j u s 协l e n t ，a g a j no n 让l em o l df o rr e p e a t e d c o l l r e c t i o n i ft l l ed e s i g n e r f sl a c ko fe x p 耐e n c eo rp 耐so fv e r yi r r e g u l a rs h a p e ，r e p e a t e d c o r r e c t i o n 丽nb ei n e 旋c t i v e ，c a u s i n gm 0 1 ds c r a p p e d t 1 1 i sn o t0 1 1 l y 蚯e c t sm ep r o d u c t i o n c v c l e ，a i l di n c r e a s em ec o s to f t h e r e f o r e ，t 1 1 et r a d i t i o n a l ”t r i a la 1 1 de 1 1 o r ”m e t h o dh a sb e e n u 1 1 a b l et om e e tt l l ep a c eo f 也eu p g r a d i n go fp r o d u c t s n es u b i e c to ft h eu s eo fd y n a f o r mi nt 1 1 i si i l d u s 仃yg e n e r a lf i i l i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f h a r ea sat o o lt h em a i nr e s e a r c hw o r kc a 喇e do u ta r e ：锄a l y s i so fs o m et y p i c a lc o v e r i n g p a r t so fe d g eb e a m s ，d o o r1 1 i n g er e i n f o r c i n gp l a t e ，v e r t i c a lc o l u m n ，t 1 1 er e i n f o r c i n gp l a t eo f t h e b i n d e ra n da d d e n d 啪d e s i g i l ，a tt 1 1 es 锄et i m e ，s o m ep a n so ft l l ed r a 淅n gn u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft l l ef o n i l i n gp r o c e s s ，a 1 1 di nt h ef o l l o w - 印t oi t sf o 皿i n gs i m u l a t i o n ，u s i n gi ns i t e t e c h l l i c a lp r e d i c t i o np r o c e s so ff o r m i n gd e f e c t s ，b yr e p e a t e d l ys i m u l a t i n go p t i m i z a t i o n o f f 0 衄i n gp r o c e s s ，u l t i m a t e l yt 0e l i m i n a t ed e f e c t s 。f i e l dt r i a la l l de 盯0 rd e b u g g i n gu s i n gs o f h v a r e s i m u l a t i o na i l a l y s i so fa l t e m a t i v e t h ep a r t ss t 锄p i n gp r o c e s sb a s e do nm e 咖l y s i so ft h e d r a w i n gp r o c e s s ，t 1 1 ep o s s i b l ep r o c e s s a r ec o m p a r e da 1 1 da i l a l y z e d ，o b t a i n e dp r e l i m i n a r y f e a s i b l ep r o c e s sp l a j l a c c o r d i n gt ot 1 1 er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n o f d m w i n gp r o c e s st e c h n 0 1 0 9 yp r o 铲锄a n d 缸o u 曲t h ea c t u a lp r o d u c t i o no fi t sv a l i d 时f o r p r a c t i c a lt e s t i n g t h r o u 曲t h es t u d yo ft h i ss u b je c t ，w i l lb eb a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i sm e t h o d i nt h ea u t o m o b i l ep a n e l 出a w i n gp r o c e s so p t i m i z a t i o na p p l i c a t i o n sp r o v i d e s u c c e s s m l 英文摘要 a p p l i c a t i o ne x 锄p l e sa n de x p e r i e n c e ，f 0 r 矗l r t h e rs t i l d yo fg u i d i n ge 丘e c t h o p et o c o l l e c t r e l e v a n tt e c l l l l i c 甜p a r a m e t e r s ，t oi m p r o v et h ec u r r e n tj o bc o m p l e x i 吼 k q 僻o r d s ：a u t o m o t i v ep a n e l ，s t a m p i n gp r o c e s s ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f o r e c a s t d e f e c t sp m c e s so p t i m i z a t i o n ， i m p e d a n c ea r e a t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 汽车覆盖件定义及冲压生产的要求 汽车覆盖件含外覆盖件，内覆盖件及加强件等，一般零件尺寸较大，多属于大中型 件，厚度在o 扣1 8 m m 之间，三维曲面，与一般冲压件比较，具有材料薄、造型复杂， 表面质量要求高等特点【l 蚓。由于覆盖件的形状复杂而引起的拉延塑性变形各异和拉延深 度不等等因素，正确地选用钢板的拉延性能的等级对减少废品率和降低成本是一个重要 问题，对表面要求高，形状复杂的外覆盖件，如微型载重汽车前围外板、后立柱外蒙皮 采用了日本冷轧钢板s p c e ，形状较平坦的顶盖，车i - 1 # 1 - 蒙皮采用了日本冷轧钢板s p c l 。 汽车覆盖件目前仍主要以钢件为主，今后一定时期内也将如此，本研究所涉及的都是围 绕低碳钢件进行的。 对外覆盖件，无论是表面质量或尺寸和形状的精度要求都是很高的，尺寸精度要求 保证焊装时的互换性和准确性，内覆盖件虽不是处处都要求同样高，但其与外覆盖件相 贴合和装配所要求的部分仍然是很高的。冲压的汽车覆盖件要求表面平滑度，直线度高， 不得有拉伤划痕、皱纹，冲压形成的偏移线、冲击线、油漆后无漫反射光，同时还要有 相当的刚性，不易变形，受一定外力后也能恢复原状，不易生锈，耐腐蚀等。要想获得 一个合格的覆盖件，具有良好的工艺性是必不可少的，而工艺性的好坏关键在于拉延、 切边冲孔、翻边等工艺方案的确定和模具设计与制造技术及拉延的成形性，因此对覆盖 件的成形工艺需作为一类特殊的问题来研究。 1 2 汽车覆盖件的分类及变形特点 1 2 1 根据形状复杂程度和变形特点分类明， 根据形状复杂程度和变形特点吲，覆盖件可分为三类：浅拉深件，一般拉深件和复 杂拉深件。浅拉深件；一般拉深深度小于5 0 m m ，具有平的或基本平的底，外形较简单。 一般拉深件；拉深深度较深，j 、于l o o m m ，外形较前者复杂，具有平的或基本平的底或 者是曲率半径较大的外凸底面。此类成形通过增加拉延槛来改善拉延工艺性。复杂拉深 件；拉深深度深大于1 7 0 小于2 4 0 m m ，含有外凸形底或内凹形底，或大台阶形的底面。 台阶高度差对成形有很大的影响，高度差越大，成形越困难，可通过将高度差部分改为 平缓坡度的型面过度改变成形工艺性，内凹的底部深度越大，内凹本身尺寸偏小，成形 工艺性更差。 为了便于编制冲压工艺和设计冲模，按覆盖件的拉延复杂程度和其本身所具有的特 点噶3 ，对覆盖件进行工艺分类、拉延复杂程度是指拉延的深度和形状复杂性。其具有的 特点是指覆盖件本身有无对称面。根据已有的覆盖件归纳和分析可做如下分类：对称一 个平面的覆盖件，不对称的覆盖件，可以成双冲压的覆盖件，覆盖件本身有凸缘面的覆盖 西安石油大学硕士学位论文 件以及压弯成形的覆盖件。 1 2 2 覆盖件的工艺分类 为了便于编制冲压工艺和设计冲模，按覆盖件的拉延复杂程度和其本身所具有的特 点【8 j ，对覆盖件进行工艺分类、拉延复杂程度是指拉延的深度和形状复杂性。其具有的 特点是指覆盖件本身有无对称面。根据已有的覆盖件归纳和分析可做如下分类：对称一 个平面的覆盖件，不对称的覆盖件，可以成双冲压的覆盖件，覆盖件本身有凸缘面的 覆盖件以及压弯成形的覆盖件。 1 2 3 覆盖件的成形特点 覆盖件的要求和结构特点决定了其冲压成形特点 7 1 。覆盖件的成形一般以两种方式 为主：分别为拉深成形和胀形成形。拉深成形：是把凸缘部分拉入凹模内以形成直壁的 方法，而凸模流入随凹模口形状的不同而异，分为三种情况，第一类像圆筒形状类的零 件的拉深，属于压缩凸模流入，也就是凸缘周向压缩，径向受拉流入凹模洞口；第二类 就是凸缘周向既没有压缩也没有拉伸，单纯平行流入凹模洞口，像箱形件的直边部分， 这类成形属于平行凸缘流入；第三类是伸长类凸缘流入，凸缘一面在周向被拉伸而在径 向被拉入，当凹模口成向内的凹弧时就是此种变形。这三种成形分别为如图1 一l a ，b ，c 示，胀形成形，当凸模的流入量为零或很小时，则成形仅仅是靠处于凹模口内的毛坯材 料伸长形成腔内底部和直壁的方法。这种靠毛坯在双向拉应力下的变薄来实现面积的增 大，这种内部局部成形就是胀形成形。 a b e 图1 1 三种成形方式 覆盖件的成形多半是两者的复合体，而不单纯是其中的某一种，凸缘的流入方式大 多也是同时包含三种流入状态。同时由于覆盖件的形状复杂，其规律难以定量衡量，目 前的技术还达不到多次成形拉深工艺参数的确定。因此，覆盖件的成形大多采用一次拉 深成形的方法。 2 第一章绪论 1 2 4 汽车覆盖件的工艺性 覆盖件的工艺性，主要是指覆盖件的冲压性能，而冲压性能主要依赖拉延成形的工 艺性，拉延成功后，以后的各道工序只是确定工序多少及工序的先后问题。覆盖件的工 艺性，首先要根据覆盖件的复杂程度考虑拉延工艺性：冲压方向，拉延件的压料面及工 艺补充部分的设计等等。为了实现拉延，需将覆盖件上的翻边展开，窗口补满，再加上 工艺补充部分构成一个拉延件。在后续工序中腰将工艺补充部分修掉。在本研究的后面 要对这些问题做详细地介绍。 1 2 5 影响覆盖件拉深成形的质量和成功的因素 ( 1 ) 在拉深中应使薄板材料达到一定程度的变形，起码的平均变形量，否则零件的 形状冻结性和刚性都是较差的，会影响装配和最终的产品质量，这个可以根据延伸率来 计算。 厂t 一厂 & = = 1 0 0 三 式中三表示成形前坯料长度，n l 1 ； 三表示成形后该坯料伸长后的长度，i l l n l 。 & 的平均值未达到2 时，成形后的冻结性差，& 的平均值大于5 时，则胀形成形 困难，需用拉深加工。& 的最大值超过1 0 时，只用胀形成形困难，必须用拉延加工。 ( 2 ) 必要的剩余变形量，为减少废品，保证拉深成功率，必须考虑材料变形时有一 定的余量。另外，对局部胀形成形时的深度有一定的限制，因为胀形成形中材料流动困 难，只能依靠材料局部伸长，因此深度有一定的限制。不同的材料其冲压性能或断裂极 限线是不同的，比如强度，强度高的极限应变就低。材料屈服点延伸率大，则易产生拉 伸滑移，表面起桔皮或滑移线纹。 ( 3 ) 冲压工艺不合理，是影响拉深成形的重要因素，如未设计落料工序，压床选择 不当，本应用双动压床而采用了单动，本应该成双冲压，而用单个拉深，或成双冲压中 间工艺余量不足，应该用压料拉深而仅用简单不压料拉深。 ( 4 ) 模具设计不合理，设计是否合理也是影响质量和成功的因素。压料力不足，拉 延筋设置不当，材料流动困难，某些设计参数不当，如凹模口圆角，角部圆角r 的设计。 另外，冲模制造精度不够，贴合面研配不好，也将影响制件质量。产品设计缺陷， 即角部r ，内圆角半径小，局部成形深度大，大面积小曲率型面，成形深度差别大的断 面及存在其它不利于冲压的因素等等。 1 3 基于有限元的汽车覆盖件冲压工艺研究的意义 目前国内汽车公司在用数值模拟技术来指导覆盖件开发方面还很少。只有几家大型 西安石油大学硕士学位论文 汽车制造企业采用了数值模拟技术手段，虽然中国模具工业在过去十多年中取得了令人 瞩目的发展，但许多方面与工业发达国家相比仍有较大的差距。例如，c a d c a e c a m 技术的普及率不高；许多先进的模具技术应用不够广泛等等，致使相当一部分大型、精 密、复杂和长寿命模具依赖进口。就国内汽车企业的情况来看，在覆盖件模具的设计制 造、材料选择、坯料形式和尺寸的确定、冲压工艺规划等方面，还没有完全摆脱传统的 “试错”过程，造成了财力物力的巨大浪费，严重影响了企业的市场竞争力。随着数字 化塑性成形技术不断地发展和完善，车身覆盖件及其模具设计制造过程将变为新的模式。 只要我们建立的系统和方法是可靠的，其功能也是足够强大的，能够预测所有的冲压成 形缺陷，提供优化的模具和工艺结果，那么，可以彻底摈弃在模具设计和制造过程中的 模具原型，减少试模和修模的次数。这种模式将成为未来的汽车企业赢得激烈的市场竞 争的基础之一。 本文拟采用板料成形专业模拟软件d y n a f o r m ，对汽车覆盖件边梁、门铰链加强 板、立柱等典型件，进行工艺补充面及压料面的建立，对冲压的成形过程进行模拟分析， 预测塑性成形过程的缺陷，并将模拟结果用于优化工艺方案。尤其是汽车边梁是典型的 曲面高拉延件，属于深拉延成形，其成形高度尺寸大于宽度尺寸，毛坯周边形分布极不均 匀，材料的流动特点与直壁盒形件存在很大差别。若生产中对这类零件的工艺设计仍然采 用类比方法，依靠定性分析、物理模拟加实验验证，整个设计周期较长，势必影响到新车 型开发的进度，给公司带来不可估量的损失。由于该项目的研究对象比较有代表性，且在 研究方法和设计方法上与传统的设计方法有很大的不同，所以将其中的一些关键环节记 录于该论文之内，以备后续工艺开发的借鉴。这些研究对于降低汽车冲压件的制造成本、 减少钳工修模时间，降低模具报废的风险、保障整车装配质量、缩短新产品开发周期有 着重要的意义。 1 4 汽车覆盖件冲压仿真模拟的现状和发展趋势 近年来，板料成形的数值模拟已经成为工业的一个强有力的工具。目前，大型汽车 企业及其供应商广泛地将这一技术应用到产品设计周期中，用以加速和改进产品设计。 十几年来，覆盖件数字成形模拟分析已有了很大的发展，国际上大多数企业都建有 自己的仿真分析系统，仿真分析在这些企业产品开发和生产中提供了保障。分别在产品 丌发的初期和后期，在早期阶段提供评价车身覆盖件及其冲压工艺设计的可行性，在后 期用于缺陷分析，解决制件存在的质量问题。国外许多大型企业的数据表明，成功引入 数值模拟技术，能将产品换代的周期缩短5 0 左右，模具制造的成本降低3 0 之多。因 此，金属成形过程数值模拟和工艺优化技术将成为新工艺开发的重要手段 9 - 2 53 。随着汽 车工业的迅速发展，板材成形理论研究的新进展。控制理论与技术的发展及覆盖件成形 专家系统的完善，计算机将从目前的应用工具性阶段向控制化、智能化方向发展，实现 车身设计、覆盖件设计、冲压件设计、冲压工艺设计、冲模设计与制造的全过程的计算 4 第一章绪论 机化，及冲压生产过程控制及质量保证系统计算机化无人化工厂将成为现实。 1 5 主要研究内容 1 5 1 成形过程变形规律分析 本研究的主要对象是我公司f 3 0 0 0 新车型开发过程的一些典型覆盖零件，汽车边梁、 门铰链加强板、立柱、上支座加强板等。首先进行了覆盖件冲压成形理论的研究，分析 覆盖件成形的特点及影响覆盖件拉深成形的质量及成功的因素。结合有限元分析软件， 对拉延成形的工艺参数冲压方向、拉延筋、压料面及工艺补充面进行深入的理论和试验 研究。对各种不同形状的覆盖件的压料面及工艺补充面的铺设规律进行了重点研究，并 对其中一些零件的成形过程进行了模拟仿真分析，预测成形过程可能出现的缺陷。根据 模拟结果研究工艺参数的优化，按规律修改工艺补充面和压料面，并在模拟中逐步调整 坯料尺寸和压边力以得到最佳模拟效果，总结出规律。并对这些零件的实际成形进行了 试验研究，通过对比，验证了仿真结果的正确性，达到了指导实际生产的作用，通过实 际生产对其正确性和有效性进行实践检验。 1 5 2 拉延工序的工艺方案确定及优化 汽车覆盖件的形状复杂，可行的拉延工艺方案较多，但其优劣直接影响到产品质量、 生产成本以及生产效率。本研究中提到的边梁件及上支座加强板件，由于冲压工艺方案 的不同会产生了两种截然不同的结果。在本文中后续对该两件的成形工艺方案也进行了 重点的研究，并提出了最优化的成形工艺方案。 西安石油大学硕士学位论文 第二章数值模拟技术及在覆盖件方面的应用 基于本文研究的是基于d y n a f o r m 的覆盖件的成形工艺，而成形工艺所指的主要 是拉延工艺，而拉延工艺是否能顺利成形，在过去主要依赖于经验来判断，本篇文章是 借助于有限元分析软件的其中一种软件，那么首先有必要对这个软件的算法，以及用于 支撑该软件的强大的算法理论，该软件在冲压成形方面的应用以及解决问题的准确率等 等，都是本章所要首先了解的。 2 1 板料成形数值模拟的基本方法及算法 板料成形过程是一个初始的金属平板到目标形状的变形过程眩们，板料成形过程同时 包含几何、材料和接触等的综合非线性的，非常复杂的力学变形过程，随着计算机的不 断发展，有限元及塑性成形理论的不断完善，人们对冲压过程有了很深的理解，板料成 形在数值模拟技术方面不断地发展完善，目前国际上用于板料成形有限元分析的商业化 软件也层出不穷，如：a u t o f o r m 、d y n a f o r m 、p a m s t a m p 、m a r c 等。就算法而言，主 要分为静力隐式算法和动力显式算法。 静力隐式算法属于传统的模拟计算方法，它的算法理论很严格，在简单的二维分析 应用中，隐式算法的精度和时间，与显式算法相比，是有优越性的，但是由于板料成形 过程相当复杂，都不是简单的二维问题，而大多数都是三维问题，在处理这些复杂的三 维问题时，隐式算法往往在计算中不易收敛，得不到问题的最终解，加之，隐式算法在 处理大规模工程问题，尺寸加大，要直接求解线性方程组的话，计算量和内存的求解时 间会翻不知多少倍，求解非常困难，效率也低，动力显式算法恰恰解决了这个问题，所 以在分析板料成形问题时，动力显式算法在工程领域得到了充分发展。主要是因为这种 算法是基本动态平衡方程，不需要迭代求解，它是对空间域进行有限元离散化，对时间 域采用中心差分的离散，根据时间查分的稳定性条件，时间步长满足下式： a t a t o2 2 式中出为时间步长，s ； “为临界时间步长，s ； w 。为系统的最高圆周频率，h z 。 此种算法的特性使可以消除在计算时的收敛问题；而无需直接对线性方程组进行求 解，当尺度增大，计算量不会成倍增长，而只随尺度线性增加，不易造成硬件瓶颈；同 时对大变形，滑动和接触的处理相对较容易。 实践表明，这种算法对于解决工程问题非常强大，在板料成形时比静力隐式算法应 用更成功。 第二章数值模拟技术及在覆盖件方面的应用 2 2 冲压成形仿真对冲模各阶段的支持 冲压成形仿真目前已广泛应用于产品展开料的计算，拉延成形的板料成形仿真模拟 分析，还有板料回弹的模拟等等。其中在研究碰撞、跌落、冲压成形及极端加载的情况 下，主要采用增量法的显式有限元进行模拟，而用于回弹分析的则更多的是采用隐式算 法的有限元软件。作为冲压成形仿真软件的另一大类，一步法又称逆算法有限元软件则 适合进行法兰展开、修边显示等。除此之外，当前仿真软件用的比较多的是进行产品成 形性的评估。 随着有限元软件的不断发展，并在实际中的成功应用，大量的板料成形模拟软件相 继出现，e t 棚q a f 0 1 w 采用国际领先的逆算法求解器和增量法求解器作为计算核心， 具有强大的智能网格划分功能，精准的求解结果，作为世界一流的汽车模具开发的数字 化解决方案，全程支持冲模开发的各个阶段。 2 3 板料成形模拟中的缺陷分析方法 在板料拉深成形中，容易产生的缺陷主要是破裂和皱纹，破裂大概可以分为五种， 因材料抗拉强度不足而产生的破裂，常见的是靠凸、凹模圆角处，局部受力过大而破裂。 第二种是由于材料变形量不足而形成的破裂，在胀形变形时靠凸模顶部产生的破裂，或 凸缘伸长变形流入引起的破裂。第三种为时效裂纹，即严重加工硬化部分，经应变时效 脆化又加重，并且加工时的残余应力作用引起的制件晚期破坏。第四种为弯曲裂纹，材 料受拉深弯曲既而弯曲折回以致产生破裂，多产生在凸筋或凹模口处。条纹状裂纹，由 于材料内有杂质引起的条纹。皱纹，可分为材料堆集形皱纹，进入凹模腔内材料过多变 成的皱纹。另一种为失稳皱纹，即材料厚度方向约束力弱的压缩凸缘失稳，在无料板力 作用的部位随压缩凸缘的变形而产生失稳。在不均匀的拉深部位失稳而产生的裂纹。在 复杂冲压件的成形中，这两种缺陷可能同时出现。眩 板料成形问题可抽象为弹塑性有限变形的边值问题，成型过程中的稳定性可由该边 值问题的解的唯一性和稳定性来分析。在简单的情况下，可以求得壳体结构受压失稳的 解析解。但在实际中，板料的冲压成形过程十分复杂，成形中的起皱是不断变化的，是 逐渐的发生发展的，有些皱纹甚至可以在加工中消失，有时在回弹过程中也会并发皱纹 产生。因此，只能利用有限元模拟等数值方法来追踪起皱的整个发展过程。在发生起皱 的部位网格细分要求更密，这主要是因为起皱要由离散点的位移场来反映。所以密网格 能更准确地反映皱纹的形状，最好是采用自适应网格重分技术，根据皱纹的大小调整局 部网格的疏密。板料成形中塑性变形的局部化是一个非常复杂的问题，虽然它是一个涉 及范围不大的失稳问题，但它的发生与发展与材料的初始缺陷、损伤的发展和变形的不 均匀性等有关系，基于上述原因以及板料成形过程的复杂性，成形模拟中难以通过细分 单元的办法来追踪变形局部化直到破裂的发展过程。目前常用的方法是利用成形极限曲 西安石油大学硕士学位论文 线作为破裂的判断准则。成形极限图可以通过实验或理论分析建立，如图2 - 1 示，表明 了在简单加载条件下，板料出现局部缩颈时面内的宏观均匀主应变值。这些主应变值的 连线构成了成形极限图。当计算所得的某点的主应变值处于成形极限曲线以下( 如图2 1 中的尸点) ，该点处的材料是安全的；当算得的主应变值处在成形极限曲线以上( 如图 2 - 1 中的q 点) ，认为该点处材料开始或已经发生破坏。紧靠成形极限曲线的区域为临界 区。 2 4 结论 q x 产 d 图2 1 成形极限图 通过本章，可以了解到本研究所采用的d y n a f o r m 有限元分析软件，它的强大的 智能网格划分、精准的求解结果，以及软件系统提供的完整的、世界一流的汽车模具开 发的数字化仿真解决方案，为本研究提供坚实的理论基础。 第三章拉延成形基础工艺参数研究 第三章拉延成形基础工艺参数研究 本课题要深入研究的是覆盖件的拉延成形，首先要从覆盖件拉延成形的基础工艺参 数来做起，拉延成形的基础工艺参数主要包括拉延件的冲压方向及拉延筋，压料面及拉 延工艺补充面，含有工艺切口等等。确定拉延方向的目的是确定拉延模具中制件的坐标 位置，正确选择拉延方向是获得理想的拉延件的保证，同时也是后续各个工序安排影响 较大。针对本研究中所涉及的上支座加强板、立柱、边粱门铰链加强板等零件，尤其是 上支座加强板，冲压方向的选择方向非常重要，在第六章的上支座加强板的成形工艺分 析中就体现出了冲压方向的重要性。所以本章就拉延方向及拉延筋的设计这个问题单独 进行研究，旨在解决拉延成形过程中的拉延方向的选择及设计取向。 3 1 拉延件的冲压方向确定 确定拉延方向是确定拉延方案首先遇到的问题，它不但决定能否拉深出满意的覆盖 件来，而且影响到工艺补充部分的多少，以及拉延后各个工序( 如整形、修边、翻边) 的方案。因此，必须慎重考虑拉延方向。首先要考虑材料的平衡流入，不论在纵向剖面， 还是横向剖面，其成形力及材料的流动尽可能平衡；如图3 1 示。 专专 图3 1 合理的平衡流入方向图3 2 拉深深度最浅 在拉深深度较大时，应注意选择最浅方向，如图3 2 示；选择冲压方向时不能有死 角的产生，要保证凸模顺利进入凹模，如图3 3 示。 如图3 - 3 避免死角 选择冲压方向时要防止产生偏移线的情况，不同方向产生偏移的处所是不同的。如 图3 4 示，图3 5 示。 西安石油大学硕士学位论文 图3 _ 4 偏移较小 铸穆鞍太 籀移较小 图3 5 偏移较大 针对具体的覆盖件来说，若覆盖件形状本身存在对称面，拉延方向通过垂直对称面 的轴来旋转，所以与对称面平行的坐标线不变，而对于不存在对称面的覆盖件，不对称 的覆盖件是绕汽车位置相互垂直的两个坐标面进行旋转来确定拉延方向的，其坐标相互 关系完全不改变的拉延方向称为处于汽车位置；其坐标关系有改变的拉延方向称为处于 非汽车位置。当冲压方向与覆盖件汽车上的坐标关系完全一致时，则覆盖件各点的坐标 数值可以直接用在数模上。当冲压方向和覆盖件在汽车坐标上的坐标关系有改变时，则 覆盖件的坐标数值应该进行转换计算方可用作模具上。如果只改变一个坐标线时，且拉 延方向是以垂直于覆盖件对称面的轴进行旋转来确定的，则平行于对称面的坐标是不需 转换计算的。可见，冲压方向和汽车坐标完全一致，能够带来很多方便。有时覆盖件的 某些部位或局部形状有凹形或有反拉延的情况，凹形及反拉延部位的要求决定了拉延方 向，但同时也要兼顾凸模与材料开始拉延时的接触面积，还有工艺补充部分增加的程度。 因此，在设计拉延方向时，可以考虑适当地改变凹形和反拉延的形状，在拉延后续的工 序中再将改变部分整回来，最终符合覆盖件的要求。 凸模开始拉延时与拉延毛坯的接触状态；丌始拉延时凸模与拉延毛坯的接触状态应 保持接触面大，接触面位于冲模中心。 ( 1 ) 凸模开始拉延时域拉延毛坯的接触面积过小，会导致接触面与水平夹角的增大， 带来的弊端是容易应力集中，产生裂纹，所以接触面积要尽量的大，接触面最好能使水 平的，为了达到这种要求，在保证凸模进入凹模的先决条件下。则需改变拉延方向。也 可使工艺补充部分的压料面开头造成与凸模顶部形状相似，这样压料面首先将拉延毛坯 压紧在凹模压料面上而形成形状，也就造成了凸模开始拉延时与拉延毛坯大面积接触； ( 2 ) 由于覆盖件大多不是很规则的形状，所以在拉延时与毛坯的接触地方应靠近中 间，保证材料均匀流入，否则，会产生毛坯经过凸模顶端时窜动，磨损凸模顶端。同时 影响覆盖件的表面质量； ( 3 ) 改善凸模开始拉延时与毛坯接触状态也非常重要，接触点尽量要多而分散； ( 4 ) 在一些覆盖件存在反包形状，即存在凹形，成形时不仅要考虑前面三点所述的 条件，同时反包的凹形又决定了拉延的方向，所以此类零件需在工艺补充部分下功夫， 即改变压料面形状使两个地方同时接触。在d y n a f o r m 软件中，对上述各件进行冲压 方向的选取时，可以通过该软件中自动设置平均法向、曲面法向、最小拉延深度及最大 宽度等，还可以进行手动调整冲压方向，在设计完成后进行零件深度、拔模角度及负角 第三章拉延成形基础工艺参数研究 的检查等等。 如果拉延凹模内的凸包形状高于压料面的形状，那么在开始拉延时，凸包与凸模先 接触，导致拉延毛坯悬空而引起弯曲变形，引起拉延件形成大折皱的材料重叠，这种情 况，必须要求压料面要高于凸包形状。压料面各部位进料阻力要均匀，拉延深度均匀是 保证压料面各部分进料阻力均匀的主要条件，进料阻力不一样，在拉延过程中拉延毛坯 可能经凸模顶部窜动，影响表面质量，严重的产生破裂。 拉延方向根据机床及模具工作方式又可分为：单动拉延和双动拉延，具体见图3 - 6 、 3 7 示。 一一一、 ， 、 广一 、7 。- ， 图3 - 6 单动拉延 1 k 1- 。广 一， 图3 7 双动拉延 3 2 基于d y n a f o r m 软件的冲压方向的确定 在大多数的冲压模拟中，z 轴方向被当作冲压方向。某些零件设计的冲压方向可能 与e 伽，d y n a f o i 蝴的不相同，需要调整零件的冲压方向。具体可以分为以下几种情况： 一般零件的冲压方向调整是将所有包含在凹模部件里面的几何模型，包括面、线、点等 一起随着凹模的网格旋转平移而旋转平移；但对于一模两件的冲压方向的调整，可以 根据一模两件有对称和无对称两种情况，分别对待，对于对称一模两件冲压方向的调整 包含三种方式。调整左件的冲压方向，并同步调整右件的冲压方向；这种方式以左件的冲 压中心为基准点调整左件的冲压方向，并通过对称平面镜像同步调整右件的冲压方向。 调整右件的冲压方向，并同步调整左件的冲压方向：这种方式以右件的冲压中心为基准点 调整左件的冲压方向，并通过对称平面镜像同步调整左件的冲压方向。左件和右件一起 调整：这种方式以左件的冲压中心和右件的冲压中心连线的中点为基准点，绕( 沿) 着一 个方向同时旋转( 移动) 左件和右件。不对称的一模两件冲压方向调整：只调整左件的冲 压方向，这种方式，以左件的冲压中心为基准点调整左件的冲压方向，右件不做任何调整。 只调整右件的冲压方向：这种方式，以右件的冲压中心为基准点调整右件的冲压方向，左 件不做任何调整。冲压方向的调整可以手动调整，也可以自动调整。冲压方向的调整基 于四个原则来调整冲压方向，并在设计完成后对冲压方向的合理性进行了检查。 西安石油大学硕士学位论文 3 2 1 调整冲压方向的四个原则 网格平均法向通过计算所有单元的平均法矢来调整冲压方向，使冲压负角达到最小， 从而自动将零件旋转到合适的冲压位置；面法向通过被选择曲面的法向来调整冲压方向； 最小拉延深度通过计算零件的最小拉延深度来来调整冲压方向；最大宽度通过计算零件 的最大宽度，使零件的最大宽度方向与u 向一致。调整冲压方向时，零件只绕着形轴 旋转。也可通过手动调整冲压方向，调整完成后进行检查合理性。 3 2 2 冲压方向检查 调整好冲压方向后，检查调整后的结果是否合理，主要从三个方面： 选择拉延深度，程序会在凹模上显示出零件深度等值线图。不同的拉延深度对应不 同的颜色值。拉延深度值是根据板坯和凸模第一个接触点而估算得到的。当凸、凹模闭 合时，将板坯和凸模开始接触的第一个点作为参考点，然后其它点将相对此参考点计算 出拉延深度值。 选择冲压负角选项后，程序在凹模上显示一个用三种不同颜色表示的云图，此云图 用来说明对应的每一个单元是否会存在冲压负角。红色表示此区域单元的拔模斜度小于 零度，即小于定义的严重区域，存在严重的冲压负角，因此需要调整冲压方向；黄色表 示此区域的单元的拔模斜度位于0 3 度之间，即位于危险区域；绿色表示此区域单元的 拔模斜度大于3 度，属于安全区域。 选择拔模角度选项后，程序会在凹模上显示出拔模角度等值线图，不同的拔模角度 对应不同的颜色值。 3 3 拉延筋 在汽车覆盖件模具设计中，虽然拉延筋在汽车覆盖件拉延成形中不是充分条件，但 是拉延筋以其能控制材料的流动，增加覆盖件的刚性，能有效防止拉延件起皱开裂等缺 陷而成为拉延成形中的必要条件。 根据覆盖件的外形和深度，当制件本身的拉深高度差值较大时，在深度大的地方不 设置拉延筋，浅的部位，走料较快的部位需设置拉延筋，在需要进料少的部位设置拉延 筋，容易起皱的地方也要设置拉延筋。但是一般情况下，对拉深高度差不大的覆盖件， 在拉深深度较大的制件的平直部分需设拉延筋，一般在1 3 根左右，而圆弧部位不设拉 延筋，拉延筋的方向一定要与拉伸毛坯的材料活动方向相垂直。拉延筋装在压边圈压料 面上，还是装在凹模压料面上都不影响拉延筋的作用，但在压力机上调整冲模时，一般 不打磨拉延筋，所以要求拉延筋装在上面压边圈的压料面上，而拉延筋槽设置在下面凹 模压料面上，以便于打磨和研配。 第三章拉延成形基础工艺参数研究 3 4 拉延筋的分类及结构尺寸 拉延筋可分为拉延筋及拉延槛，拉延筋的剖面一般为半圆形结构，而拉延槛是梯形， 拉延筋一般安装在压边圈上，在凹模压料面上开槽。拉延槛一般装在凹模口上。图3 8 、 3 - 9 分别为常用的拉延筋及拉延槛的断面结构尺寸图。 3 5 小结 a 一 誓o 7” 、，0 s y j t 图3 - 8 拉延筋尺寸结构图 形影缪 膨锄 黟 。燃 澎狻惫：一乡钐铭j 乡 形 j 勿, 4 蕊釜一儡 7 7 蕊 f ，7j ? 。i ，j ，7 ， k 一 易7 图3 - 9 拉延槛的尺寸结构图 在进行压料面及工艺补充设计时，首先要进行拉延方向的确定，拉延方向的合理与 否直接对覆盖件拉延成形至关重要。而拉延筋对于提高覆盖件的质量也非常重要，可以 提高拉延件的刚度，减少弹性回复所引起的凹面、扭曲、松弛及波纹等等。拉延筋对调 节材料的流动也非常重要。本章根据多年的工作经验，并结合相关的理论知识，总结出 了部分关于拉延成形基础工艺参数，拉延方向的取向原则是：工件需拉深的部位可以通 过凸模一次成形，拉深初始时，由两侧流入凹模内的材料尽量均匀，材料应多点分布接 触凸模，保证拉深深度尽可能浅一点，深度均匀。对于拉延筋的参数如图3 8 、3 - 9 示， 中小型的拉延件，图3 8 中的a 值为1 4 n 1 i m ，大型的拉延件，a 值可取大点，取为1 6 m m ， 大型的拉延件，图中的a 值可更大，取为2 0 m m 左右。相应拉延筋的宽度适当增加5 m m 左右，深度适当增加l m m 左右。通过本章研究，对后续覆盖件的成形工艺分析提供理 论基础。 1 4 第四章拉延件压料面及工艺补充部分设计研究 第四章拉延件压料面及工艺补充部分设计研究 由于压料面及工艺补充面的设计是拉延成形工艺参数的很重要的部分，设置压料面 和必要的工艺补充可以改善拉延条件，同时该设计也是一个非常繁琐，比较复杂，需不 断修改而形成最终方案的过程，尤其是本研究所提到的边粱零件，它的压料面及工艺补 充部分的确定对后续成形有着至关重要的影响，还有本文所列举的立柱等件，单独的零 件，要设计它的压料面及工艺补充部分相当的困难。基于以上种种问题，所有本章单独 对此项进行深入研究，研究工作主要是按这些零件的形状特点来分别进行的。 4 1 压料面的设计 压料面对拉深工作是很关键的，压料面的形状是保证拉延过程中材料不破不裂及顺 利流入凹模的首要条件。大型覆盖件没有压料面是无法拉深出符合质量要求的制件的。 覆盖件的压料面是指凹模圆角以外的部分，本研究根据多年的工作经验，总结出一些压 料面的设计方法，具体如下： 覆盖件的压料面的形状应当是简化的，圆滑，均匀同步压料的，没有急剧变化的台 阶转化的等，大体由平面、圆弧面、圆锥面、曲面等组合而成的，设计压料面应