（机械工程专业论文）汽车覆盖件拉延方向的确定与优化.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 随着现代汽车工业发展，对汽车覆盖件设计和成形要求越来越高。一般汽车覆盖件 零件具有形状复杂，零件较大的特点，拉延方向是汽车覆盖件工艺设计的首要问题。它 不仅影响汽车覆盖件拉延成形质量，而且与压料面等工艺设计有关。本论文在四川省教 育厅重点项目资助下，研究了汽车覆盖件拉延方向确定和优化的有关理论和实施方法， 为汽车覆盖件后续工艺设计和模具设计奠定基础。为此，本论文主要完成了以下工作： 1 影响拉延方向的工艺分析。影响拉延方向的工艺有：毛坯尺寸的选择，压料面， 工艺补充面设计，拉延筋设置等。不同冲压方向，使板料形变程度不同，需增加毛坯的 尺寸随之变化，选择合适的毛坯板料尺寸有利于节省材料。设计合适的压料面和工艺补 充部分，为拉延方向确定提供良好的拉延条件，有效防止拉延破坏。设置合理的拉延筋 为在不同的拉延方向下不同部位提供所需的材料流动阻力。 2 拉延方向的原则与方法研究。拉延方向的选择原则是要确保汽车覆盖件能够一 次冲压实现，不存在拉延闭角问题，还要确保毛坯和凸模有很好的接触状态和材料流动。 本论文用特征图法确定拉延方向，把三维空间覆盖件拉延闭角问题转化为二维平面直线 求交的问题，运用图形学和几何分析，生成几何模型，建立拉延方向特征图。通过图形 几何变换，提供空间方向调整算法，分析调整特征图，利用调整算法，得出合适的拉延 方向。 3 拉延方向的优化研究。考虑了凸模与覆盖件毛坯接触面积大小，初始接触点的 分布均匀程度，接触点的分散程度，拉延深度和拉延筋阻力的因素，建立了优化目标函 数。各个因素不同的加权系数，对函数进行优化分析，取得最优的拉延方向。 4 拉延方向实施方法与仿真研究。利用u g 0 p e l l 开发接口结合c + + 编程工具建立 需要的分析覆盖件截面中线和拉延方向的分析模块的方法，分析避免拉延闭角的条件， 绘出拉延方向特征图，通过调整特征图，实现对拉延方向的确定。把确定的拉延方向经 过加工工艺分析的优化函数，优化计算，得出最优的拉延方向，借助a l r r o f o i 蝴仿真 分析，对这一确定的最优冲压方向进行仿真分析，验证特征图法的有效性，可靠性。 特征图法确定拉延方向快速，方便，有利于后序工序的进行，便于冲压方向修正调 整，有利于模具的制造。 关键词：汽车覆盖件；拉延方向；特征图；优化；拉延仿真 汽车覆盖件拉延方向确定及优化 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fm o d e ma u t o m o b i l ei n d u s 时，a m o m o b i l ec o v e rd e s i 印a 1 1 ds h 印e d e s i g na r em g l l l yd 锄a 1 1 d e d t h ef e a t u r e so fg e n e r a la u t o m o b i l ep 锄e lp a r t sa r el a r g ea n d c o m p l e x l ys h 印e d t h ed r a w 血gd n c t i o no ft l l ea _ u t o m o b i l ec 0 v c ri s 也em o s ti 芏1 1 p o n a l l ti s s u e f o rp r o c e s sd e s i 盟na 丘t sn o t0 1 l l yn l ea u t o m o t i v ep a i l e ld r a w i l l gf o 咖j n gq u a l i 饥b u ta l s o r e l a t e st ob m d e rs u r f a c ea n do t h e rp r o c e s sd e s i g n n l i st 1 1 e s i sa i l a l ) ，z e dt h er e l e v a n tt h e o 巧 a i l di m p l e m e n t a t i o no ft h ec e n a i l l t ) ra i l do p t i i l l i z a t i o ni na u t o m o b i l ep 锄e ld r a w m gd i r e c t i o n l l i l d e rt 1 1 ea u s p i c e so ft h es i c h u a np r o v i n c i a ld e p a r t m e n to fe d u c a t i o n sk e yp r o j e c t s nl a j d t l l ef o u l l d a t i o nf o r 也ec a rt oc o v e rm es u b s e q u e n tp r o c e s sd e s i 弘a n dm o d u l ed e s i 印 t h e r e f o r e ，t l l et h e s i sh a sc o m p l e t e dt h ef o l l o w i i l gw o r k ： 1 p r o c e s sa i l a l y s i so ff a c t o r sw l l i c h 砌u e i l c en l ed n c t i o no fm ed r a w i n g f a c t o r st h a t i i l f l u e n c en l ed i r e c t i o no ft 1 1 e 栅i n gp r o c e s si i l c l u d i i 玛b l a r l l ( s i z es e l e c t i o 玑p r e s s u r es u r f a c e m a t 嘶a l ，p r o c e s sa d d c ds u 】国c ed e s i g 玛蛔b e a ds e t t i i l g sa 1 1 d s 0o n t h es h e e tm e t a l d e f 0 m l a t i o nv a r i e si nd e g r e eb e c a u s eo f 也ed i 触e n t 唧i n g 缸e c t i o n t h e r e f i o r e ，i ti s n e c e s s a 巧t 0i 1 1 c r e a s em es i z eo ft l l eb l a l l l 【c h a l l g e da n dc h o o s e 印p r o p r i a t eb l a n ks h e e ts i z ef o r s a v i n gm a t 撕a 1 d e s i g n i n gas u i t a b l eb i i l d e rs l l r f k ea 1 1 da d d 印d 啪p r o 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印m e t h o di se f f t i v ea n d r e l i a b l e d e t e n n i n i n gd r a w i l l gd i r e c t i o nb yc h a r a c t 鲥s t i c 卿1 1 i ci sf 破锄dc o n v 砌e m h si n f a v o ro f 也eo r d c rp r o c e s st 0f a c i l i t a t e ，s 唧i n gd i r c c t i o no fc o r r c c t i o na 由u s 廿n e n ta n dm o l d m a n u f a c t u r h l g k e yw o r d s ：a u t o l n o b i l ep a i l e l s ；d r a w i i l gd i n e c t i o 珥c h 觚a c t 商s t i c so fg r a p l l i c s ；o p t i m i z a t i o n ；s t 锄p i n gs 血u l a t i o n m 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1引言 在高科技发展的今天，汽车不但是人类最快捷的交通工具，而且生产汽车的工业水 平也成为衡量一个国家制造工业发展水平的标志之一。汽车制造工业现在已经成为很多 工业大国的主要产业之一，也带动着其他产业的发展。 汽车覆盖件生产通常是靠模具冲压成形实现的，效率高，适合批量生产。我国的模 具技术是最近的几十年内兴起的，并取得了一定的发展，模具的制造首先要考虑的是零 件的结构，模具的冲压方向。由于汽车覆盖件的形状复杂，成形过程中的毛坯尺寸变化 也很复杂，如果直接冲压，会造成覆盖件成形无法完成。首先要对拉深件基本的设计， 确定合适的冲压方向，在适当的拉延条件下进行。拉延方向的选择和很多因素有关，比 如压料面的选择，工艺补部分面，拉深筋等工艺。 国内学者有基于网格划分的方法对覆盖件拉延方向的分析和确定，也有基于平均法 线的方法确定覆盖件拉延方向，但方法都有一定的局限性和较大的误差，本文是用调节 特征图的方法，确定合理的冲压方向，用数学方法分析，把凸模能够顺利完成拉延的问 题，转变为冲压方向与覆盖件平面就交点的问题，再转变为拉延方向直线与曲面截平面 中线求交的问题，将求交问题的计算用角度变化表示，建立极坐标的特征图，通过空间 拉延方向变化，调整特征图，确定合适的拉延方向，用优化函数对于拉延方向优化，得 出最优方案，最后用a u t o f o n n 对确定的拉延方向仿真验证。确定最优的拉延方向，利于 覆盖件生产加工。此方法简单，方便，利于精度调节，分析准确。 1 2 汽车覆盖件冲压概况 1 2 1 汽车工业发展的现状及背景 从世界上第一辆汽车生产到现在，汽车工业经历了好几百年的发展历程，日益成为 国民生产的一个重要的组成部分，带动了其他方面如电器，电子，测试，材料，交通等 方面的发展和进步，是一个国家综合国力及制造业发展的重要体现形式。 从对钢板的冲压实现制造汽车覆盖件和第一辆用冲压出的钢板为覆盖件车身骨架 的汽车以来，已经经历了1 0 0 多年的历史发展【l 】。实践证明，通过冲压钢板材料得到车 身覆盖件，促进了模具的开发与研究，提高了生产效率，实现了大批量，生产线生产， 推动了汽车工业的发展。 汽车覆盖件拉延方向确定及优化 1 9 1 0 年美国福特汽车公司创造了世界上最早的生产流水线，实现了汽车工业化生 产，推动了汽车制造技术的发展。从最初的冲压方法主要依据经验，到提出多种理论， 通过材料的拉延实验，测出数据，绘出材料拉延受力图，成形极限图等 2 1 ，使得冲压生 产从经验到定量分析，对拉延方向的分析奠定了基础，有了很大的发展。 在2 0 世纪的8 0 年代以后，在汽车工业发展的大背景下，我国大量引入国外相关设 备，缩短了我国与世界的差距，引入大规模数控加工系统，再结合相关的设计编程软件 c + + ，u g ，p r 0 e n g i i l e e r 2 0 并付诸于实践中，随着c a d c a m 技术，有限元的发展，将 实际的生产与计算机有机结合，更加精确地实现各种加工，缩短了试验周期，节省了材 料，使传统的覆盖件制造向着计算机集成制造的高科技，高精度方向发展【3 】。 汽车覆盖件拉延在冲压行业中居于重要地位。目前，全世界每年约有为6 0 0 0 万辆 的汽车年产量，有资料表明，7 0 8 0 的汽车零件是通过板材冲压成形来制造的。因 此，板料成形技术的高低，直接影响汽车的制造成本和新产品的开发周期【4 】。由于全球 化趋势越来越明显，各个国家也不断的增加自己的汽车生产量，必然带来很大的竞争力。 我国加入w t o 以来，中国市场全球化，给我国的汽车制造业带来很大的压力，对 覆盖件质量方面有更高要求，确定最优的冲压方向直接影响汽车外观的改善，产品的销 售，是设计冲压模具时首先考虑的问题【5 】，也是汽车工业发展的重要方面，确定合理的 冲压方向是汽车覆盖件生产的首要任务。 1 2 2 汽车覆盖件应满足的结构特点 汽车覆盖件是指组成车身结构和驾驶室的表面的零件，还包含构成底盘的某些表 面零件和发动机表面覆盖零件【6 】。 覆盖件可以分为内部覆盖件和外部覆盖件( 如图1 1 ) ，内覆盖件的是汽车车身内 部的覆盖件，一般不能直接看出来，车身的其他零件或装饰物件把它们挡住，如仪表板、 后卫内盖板前卫内盖板、侧围内板、车门内板、地板等；外覆盖件指的是可以直接被人 看见的汽车车身外的裸露部分，如侧围外板、顶盖、后围外盖板、长头载重车发动机罩、 车门外板、前卫外盖板。 一般汽车覆盖件形状多是复杂三维曲面结构，用一般的平面图很难准确的表达它的 形状，结构特点，因此加工汽车覆盖件，需要覆盖件图的同时，还要有覆盖件主模型结 构，通过覆盖件图以及覆盖件主模型结构综合确定覆盖件形状的加工。 从汽车覆盖件结构尺寸和形状上看，主要有如下4 个特点： 1 覆盖件形状结构复杂，几何方程式不能简单的用来表示其空间结构； 2 覆盖件尺寸总体比较大，如有的汽车驾驶室顶盖的毛坯尺寸是2 8 0 0 i 】姗 2 5 0 0 咖左右，尺寸大就要求加工可靠，以免产生废料而浪费； 西华大学硕士学位论文 3 覆盖件的内部轮廓具有局部形状，在整个冲成形过程中，覆盖件的内部这些独特 的形状会很重要是成形的分析部分，甚至会起着决定性的影响作用【6 1 。 4 覆盖件相对厚度薄，相对厚度( 板料厚度与毛坯最大长度之比) 最小值可达 o o 0 0 3 ，通常冲压板料的厚度多为o 8 0 m m 1 2 衄； 2 5 2 42 3忿2 l2 01 91 81 7 1 61 5l 毒1 3 l 一一发动机罩前支撑板；2 固定框架；3 前裙架；4 一前框架；j 一一前翼干板； 6 一一地板总成；7 一一门槛；8 前门；9 一一后门；1 0 车轮挡泥板；1 1 一后翼子板； 1 2 一一后围板；1 3 行李舱盖；1 4 _ 后立柱；1 5 一一后围上盖板；1 6 一_ 后窗台板； 1 7 上边梁；1 8 一顶盖；1 9 中立柱；2 0 前立柱；2 1 一一前围侧板； 2 2 一一前围板；2 3 一前围上盖板；2 扣前挡泥板；2 5 一一发动机罩；2 6 一门窗框 图1 1 汽车覆盖件结构 f i g 1 1 a u t o m o b i l ec o v 丽n gs 仇l c m r e 1 2 3 合理的汽车覆盖件应具备的因素 1 要有足够的刚性保证 在汽车行驶过程中，如果覆盖件质量不合格，覆盖件会产生噪音，导致覆盖件零件 的提前破坏。在覆盖件拉延成形过程时，覆盖件塑性变形不均匀，就会产生刚性不足的 部分，刚性不足的部分在受到震动时，会产生噪音，就会使其破坏。因此，在覆盖件制 汽车覆盖件拉延方向确定及优化 造中要保证有良好的刚性，可以通过仔细观察覆盖件表面是否有鼓动现象和敲打不同部 位听声响是否相同来辨别检查覆盖件的质量。 2 合理的曲面结构和尺寸大小 覆盖件主模型是制造覆盖件的主要依据，由于汽车覆盖件的表面多为不规则空间曲 面组合而成，制造覆盖件时，覆盖件图是直接使用的一个方面，覆盖件图上标有曲面的 结构形状，位置尺寸，结构尺寸，但都要根据覆盖件主模型相一致，主模型是主要的制 造依据。 3 保证良好的表面质量 覆盖件表面质量是盖件表面的光洁度，美观程度，刚度，强度等综合性能的体现， 覆盖件要既能满足表面装饰美观的要求，还要在结构和功能上满足要求。因此覆盖件过 渡处的棱线衔接要吻合流畅、过渡均匀，覆盖件上的筋条和棱线要平滑清晰，覆盖件表 面不能出现划伤，凹痕，起皱或其他表面美感破坏的缺陷。 4 要有较好的工艺性 汽车覆盖件通常要求一次冲压成形，这样能有比较好的成型表面，为后续加工提供 好的条件，材料性能、冲压性能、焊接装配性能是覆盖件工艺性的表现形式。拉伸工艺 是覆盖件工艺性的关键，覆盖件的表面结构对零件的工艺性有重要影响。加工覆盖件首 先要对其进行工艺补充面的补充，孔洞的填充，翻边的展开，再进行冲压工序，较好的 工艺性是覆盖件加工中的重要组成部分，也是对后序加工保障的部分，是实现拉延表面 质量好坏的不可缺少的组成部分。 1 3 现阶段拉延方向的方法及现状 覆盖件拉延加工是汽车覆盖件冲压成形中最为关键的工序，汽车覆盖件具有材料厚 度相对薄，形状复杂，自由曲面多，结构尺寸大，以及表面质量要求比较高等特点。 一般传统分析工艺性就是在经过对零件的的材料性质，形状结构，加工特点等分析， 作出定性的结果，其中主要依据是个人经验实现【7 】。对其拉延方向多靠目测和经验，难 于定量分析。 随着计算机技术的发展，提出了理学模拟法，几何模拟法，专家系统等方法【8 】，可 以在一定范围内，一定的程度情况下，利用计算机的方法辅助分析，作出了一些定量分 析结论，但无法解决根本的问题。国内较早有王义林等总结了影响拉延方向选择的诸多 因素( 如覆盖件质量和冲压速度等) ，导出以评价函数法为基础的优化模型；也有学者探 讨了拉延方向( 应根据加工中每一道工序的特点，选择平均合理的冲压方向) 的选择原则 以及工序件设计的方法，提出拉延模数字设计的工作策略与方法；刘瑞军等提出了基于 西华大学硕士学位论文 网格的汽车覆盖件拉延方向自动生成算法，基于网格的冲压方向算法，利用零件的网格 数据，借助遗传算法，采用单位球面法在三维空间内确定冲压方向的可行域，在可行域 内自动获得最优冲压方向。整个计算过程不需要人的干预，自动完成，效率高 9 】。也有 提出将遗传算法引入汽车覆盖件冲压优化中应用。 国外有著名商品软件a u t o f o m 采用最小负角法和最小拉延深度法确定拉延方向； p a m s t a i i l p 用平均法线法自动获取拉延方向； 在这些方法中a u t o f o 咖及p 锄s t a i 】叩算法简便，如果直接用软件给定的方法生成 拉延方向速度比较快，但是精度低，需要较多的后续人工调整 1 0 】。国内基于分析汽车覆 盖件方向，是在覆盖件得到覆盖件的曲面结构基础上去单元网格进行优化分析，这样难 以避免对曲面复杂的形状的分析计算，运算的难度高，效率比较低，而且需要人工调整 初始化的优化点，对特殊的曲面部分很难分析。基于覆盖件网格数据的算法设计虽然计 算简便快捷，但其优化目标函数权重选择，遗传算法等都有待进一步改进。 本论文利用对汽车覆盖件结构分析，基于特征图的拉延方向，采用将三维覆盖件转 换为二维情况下，分析冲压方向与截面线中线的交点问题，求出截面线中线上避免产生 闭角的拉延方向和冲压方向的最大夹角，用极坐标的特征图表示出来，利用数学计算调 整特征图，确定合适的拉延方向，再利用加权函数优化，得出最优的拉延方向，使得分 析的难度降低，方便调整分析的精确程度【】。 1 4 课题来源及意义 课题来源于四川省教育厅重点项目( 项目编号：1 1 2 0 2 0 1 4 ) ，本项目通过对汽车覆 盖件三维零件模型和拉延工艺分析，基于特征图确定拉延方向，以覆盖件的工艺性、经 济性、可行性等为目标，通过对确定拉延方向的方法研究，进行零件模型整体或局部区 域的定量分析，找到评估拉延方向及确定拉延方向的方法，并对其进行优化。 拉延方向研究对拉延结构及制件质量极其重要，它不仅决定能否加工出合格零件， 影响拉延过程中板料的流动方向和流动速率，而且直接影响后续工艺和模具的结构设 计。选择拉延方向合理与否，直接影响到拉延加工，覆盖件的质量，后续工序的进行， 找到一种确定拉延方向的方法，方便对零件模型进行整体或局部区域的定量分析，指导 实践【1 2 1 3 】是十分有必要的。 计算机软件的快速发展，使三维分析，仿真分析软件得到推广，通过板料成形有限 元分析实现对冲压件的拉裂，起皱等问题进行分析，还可以快速的设置环境条件，材料 的性质，摩擦系数，拉延筋的布置等影响因素 1 4 】，大型覆盖件的冲压可以通过仿真软件 来实现，大量节省了新结构新产品的开发时间，降低了开发成本，很方便对冲压方向的 汽车覆盖件拉延方向确定及优化 优化分析和冲压方向分析方法进行调整，而且，可以实现传统的方法难以实现的复杂汽 车覆盖件冲压仿真，更加有优势，更加体现现代制造业得计算机集成制造的特点，方便 快速。 1 5 论文的主要内容 拉延方向是覆盖件拉延首先考虑的问题，是冲压件表面质量至关重要的一个方面， 也是后序加工的顺利进行的保证。有很多因素影响拉延方向的选择，如设置合适的压料 面及拉延筋，提供拉延时所需要的流动阻力；设计适合的工艺补充面，为拉延方向提供 充足的材料补充；选择合适的材料，保证冲压是板料的良好的流动性等等。在设置拉延 方向时，需要综合分析这些影响因素，以满足金属板料能够顺利，高效高质量的成形。 第l 章，介绍汽车及汽车行业的发展现状，汽车覆盖件冲压成形的研究是中国汽车 行业发展重要的一部分，我国学者有基于网格和基于平均法线等多种研究方向确定冲压 方向，但效果不是很好，本文是基于特征图法的拉延方向研究，将冲压方向与覆盖件关 系通过特征图表示出来，再调整特征图，得出适合的冲压方向，特征图法操作方便，直 观，精确，实用性强。 第2 章，分析影响拉延方向确定的拉延工艺，包括汽车覆盖件的毛坯尺寸的选择， 压料面的选择，工艺补充部分设计，拉深筋的设置等，具体分析各个因素作用和影响方 式，设置的方法，从而对拉延方向进行分析优化。 第3 章，本章介绍确定覆盖件的拉延方向，传统的确定拉延方向多靠目测观察，国 内学者有用基于网格的冲压方向和基于法线的冲压方向研究，这些方法分析不够准确。 本文用特征图法的确定覆盖件拉延方向。有数学知识把覆盖件和其拉延方向关系转化到 拉延方向与曲面截面线中线切矢夹角的关系，分析相同间距的一族截面中线和冲压方向 的关系，用极坐标的特征图表示出来，通过调整冲压方向，调整特征图，确定合适的冲 压方向。 第4 章，由第三章分析知，如果曲面与冲压方向交点是一个，说明能够实现拉延过 程。利用c + + 编程语言，在u g 软件中开发分析模块，分析在覆盖件截面中线上点的处 切矢方向和冲压方向的夹角的变化，多取几个点进行分析，再在截面中线上的任意两点 之间采用内插加密的方法，实现更加准确的分析，得出整个截面中线上各点处的切矢与 冲压方向之间夹角的最大角度，由此确定避免产生拉延闭角的调整范围，通过曲面上一 点，将取旋转角一定的无数覆盖件截面，分别分析，再将得出的很多组值对应的在极坐 标中表示出来，把所有的点连接起来，组成一个封闭的特征曲线，再画出冲压临界圆， 就会出了冲压方向特征图，再调整特征图，确定拉延方向。 6 西华大学硕士学位论文 第5 章，在确定的拉延方向基础上，引入影响拉延方向的因素如：接触初始面积， 接触点的分散程度，接触点的分布均匀程度，拉延深度，拉延筋阻力，建立优化的目标 函数，对各个影响因素用加权系数，把多目标函数，化为但目标函数，对冲压方向进行 优化分析，得出最优的拉延方向。用a u t o f o 珊软件对基于网格的冲压方向，平均法线 的冲压方向分析，冲压效果有一定的缺陷，用特征图确定的拉延方向，配合冲压过程的 参数设计，能实现比较好的效果。 第6 章，对于冲压方向研究的结论与展望，用调整特征图的方法确定冲压方向，分 析简单，方便，并取得合适的效果，可以取小一点的旋转角度间距，分析计算量大些， 但可以增加拉延方向确定时的分析精度，还需要通过开发模块建立新的操作界面，更加 方便简洁的处理。 汽车覆盖件拉延方向确定及优化 2 影响拉延方向的工艺分析 用拉延的方法加工的零件很多，形状和种类也是多种多样，不同拉延件，加工工艺 有所区别，直接影响拉延方向的选择，影响部位变化程度及加工质量，模具的制造等。 覆盖件拉延成形( 又称拉深成形) 是把空心半成品或平板毛坯，通过拉延模成形为 开口的空心零件。覆盖件零件按结构形状可以分三类：盒形零件，旋转体结构零件，复 杂形状结构覆盖件零件【1 5 】。 2 1 拉延原理及拉延板料毛坯尺寸 2 1 1 拉延过程的原理以及变形的分析 1 拉延的基本原理 以筒形件的拉延为例，如图2 1 ，通过模具冲压将半径为d 的平板毛坯，冲压成为 一个零件高度h ，直径d 的圆筒形零件。如果将平板毛坯如图划分为许多部分，把三角 形阴影部分( “多余三角形 ) 去掉 1 6 】，如图2 2 ，再把留下的这些矩形窄条全部折起 来，把它们通过焊接连接在一起，就可以得到圆筒零件图2 2 了，所以，可以通过这种 方法得到圆筒零件的直径d ，高度计算为： 五= ( d j ) 2 ( 2 1 ) 在实际的拉延过程中阴影的部分的材料没有被切除，而是通过塑性变形的形式转移 到了其他的部分，我们把这部分通过流动转移走的三角形材料称为“多余三角形材料 。 对于多余三角形材料可以有两种变化方式：一是通过工件厚度的增加； 缓缓 图2 1圆筒形零件拉深成形 f i g2 1c y l i n “c a lp a r t sd e 印d 豫、i n g 西华大学硕士学位论文 二是通过工件高度h 增加，所以工件的高度h 可以表示为： 办 ( d 一) 2 图2 2圆筒零件成形图2 3圆筒形拉延件各成形区域 f i g2 2c y l i i l d r i c a lp a r t sf o n i l i l l gf i g2 3c y l i i l d r i c a lp 砸t sf 0 吼i n gz o n ec h a n g e s 从变形分析方面来看，立体形状零件的拉延成形可以分五个区域( 图2 3 ) ：圆 筒底部o u 区域；筒壁e f g h 区域；凸模圆角g h u 区域；凸缘a b c d 区域；凹模圆角 c d e f 区域。其中g h i j 区域在拉深时的承载能力决定整个拉伸成形过程的拉伸极限， o u 区域受到凸模的摩擦力较小，一般筒底变形量也减小；c d e f 部分会出现厚度方向 减薄趋势；a b c d 部分会由于受到比较大的切向压应力拱起起皱，可以用压料装置调节 “起皱”；e f g h 区域起到了拉延过程中拉延力的作用；划分了五个区域，利于分析 拉延方向，应力与应变如图2 5 所示。 2 筒形零件拉延过程中变形分析与应力 图2 4 扇形小单元的变形 f i g2 4t h es m a l lu n i td e f o r m a t i o n 每拶t r 赴争t r i 区 l 图2 5 筒形件零拉延时应力和应变 f i g2 5 t h ec y l i i l “c a la z e r os 仃e s sa n ds 觚i i l 9 汽车覆盖件拉延方向确定及优化 拉应办砘 图2 6压边圈下凸缘变形的应力状态 f i g2 6 n es 廿e s s s t a t eo f 出ed e f - o r n l a t i o nu i l d e rp r e s se d g ec 砌e 4 图2 7 防皱拉延 f i g 2 7 a n t i - c r e a s i n gp u nd e l a y l 凸模2 压边圈3 坯料4 _ 一防皱拉延筋5 凹模 3 5 e 区为在压边圈下面的板料部位，在这个区域内材料在应变力作用下，厚度方向受 压应力o2 ，切向受应力o3 ，径向受力为拉应力o1 ，这个区域是材料进入凹模的最初 阶段，是主要的变形区域。 如图2 4 通常，o3 和o1 的绝对值比o2 大得多，金属材料流动时，多余的“三角 形材料”多向径向流动，厚度方向拉延应力3 ，这样越到外缘部分厚度增加越多。 有分析得，坯料直径由d 减小到了d ，其周边压缩应变为： 占= ( 死d 一7 刃) ( 死d ) = 1 一d d = 1 一m ( 22 ) 式中m 拉延系数，m = 加。 l o 西华大学硕士学位论文 由公式可知，零件的拉延变形程度占与拉延系数m 成正比，如果拉延系数愈小，变 形程度就越大。 可以看出，破裂和起皱是拉延中常出现的两种破坏形式；在毛坯材料上设置压边圈， 可以增加o2 ，有效防止起皱的产生。 2 1 2 覆盖件零件的毛坯尺寸 在覆盖件拉深成形中，需确定毛坯板料的形状和尺寸，再对相应的板料进行验证【6 】。 因此，选择毛坯板料大小主要有两个步骤：一是确定毛坯尺寸及形状，二是对选取的数据 进行验证。 拉延件毛坯的展开尺寸应该根据三个原则来确定：零件的横截面形状和毛坯的 形状应该相识；毛坯表面外形不应该有突变或者尖角，要光滑流畅；拉延毛坯的 面积等于成形后零件的表面面积。 ( 1 ) 毛坯件平面的展开 一般在计算零件的毛坯尺寸时，都采用面积不变原则，等效的确定毛坯件和板料的 面积大小，但对于像汽车覆盖件而言，零件表面复杂，空间结构多样，难以准确的表达 出表面的面积，用面积相等的原则确定不能实现，就采用“断面线长展开法 ，来确定 覆盖件毛坯的尺寸。 在拉深件上取若干断面，计算其线长。根据不同的覆盖件的形状结构，用“基 点展开法”或“基面展开法”在拉深件上选无数的断面，分别计算截面线的长度。 在拉深有底部为平面或者近似平面的拉延件，由于底部的变形量很小，可以以底面 为基准，作无数条间隔一定的线，计算出线长，再对表面积进行计算被称为“基面展开 法”，如图2 1 1 所示。 。蘸1 j 【】” 2 1 l “基面展开法”原理图 f i g2 11 ”t h ef a c ee x p a n s i o nm e n l o d ”d i a g 姗 2 1 2 “基点展开法”原理图 f i g2 12 ”b a s i sp o i i l t se x p a n s i 伽m e t h o d ”d i a g r a m 汽车覆盖件拉延方向确定及优化 在有比较大曲率的拉深件上，拉深件底部材料流动变形量小，这时可以在底部选取 一点，以这一点为中心，向四周画间隔一定的无数条射线，与边缘相交，计算线长，在 对整个表面积进行计算，这种方法就称作“基点展开法”，如图2 1 2 所示。 通过断面线组合为平面图 根据“基面展开法”的方法展开，先按覆盖件底部为基准画出部分覆盖件的面积再 依据所取得各个方向及间隔画出其他的线，把线的端点用平滑的曲线连接起来，组成了 如图2 1 3 完整的平面图。 如果按“基点展开法”的方法展开则，根据基点的位置及间隔，向四周画无数条直 线，用平滑的曲线把这些线的端点连接起来，就组成了如图2 1 4 的平面图。 图2 1 3“基面展开法”毛坯平面图图 2 1 4“基点展开法”毛坯平面图 f i g 2 13”t h ef 犯ee x p a n s i o nm e t l l o d ”p l a n f i g2 1 4 ”b a s i sp o i n t se x p a n s i o nm e m o d ”p l a nc h a r t 依据相等面积的原则对毛坯轮廓光顺 第二步是对三维零件转化为二维情况处理，但实际的加工中，用到的毛坯件的尺寸 和形状与计算的数据会有一定的不同，这种方法是一种近似的计算。在冲模调试时需修 正。在毛坯平面图上，如果需要作出的形状过渡处尺寸变化很大，在冲压过程中毛坯的 这种形状会不协调的变形，会出现有的部分起皱，而有的部分缺料，造成破坏。此时就 需要对毛坯零件进行光顺修正。 如图2 1 5 所示，减掉的i 部的面积等于增加的i i 部的面积 西华大学硕士学位论文 图2 1 5 毛坯平面图的光顺修正 f i g 2 15 r o u g l lp l a nf a m gm o d i f i c a t i o n ( 2 ) 通过试验对毛坯形状和尺寸修正 按照上面的方法对毛坯形状和尺寸展开计算，毛坯的面积与拉深件时的表面面积不 一定是相等的，不能确定是最佳的方案。所以在对毛坯件进行试冲时，要对毛坯的表面 面积进行修正： 根据计算的毛坯展开的形状和尺寸剪切一个毛坯，对其试冲； 依据试冲时得出的结果，对毛坯多了得部分减少毛坯件，却了得部分增加毛坯 尺寸； 在第一步试冲基础上，裁剪新的毛坯板料的尺寸，并将新的毛坯留底，准备试 冲； 把裁剪的新毛坯件试冲，并且分析新的试冲中出现问题，综合结果，分析是否 需要进一步的改进； 重复步骤和，一直到取得合适的毛坯的形状和尺寸为止，再冲制出合格拉 深件。并把最终确定的毛坯形状尺寸作为设计落料模刃口的形状尺寸。 因为汽车覆盖件形状特点，及后续工序，所以覆盖件要求尽量一次性冲压完成，并 且不会板料的破坏，就需要大量的实验进行板料试冲，最终得出最佳的冲压力的方向、 大小及结果【6 】。 汽车覆盖件拉延方向确定及优化 2 2 压料面作用力及变形极限图 2 2 1 压料面作用力 通常，压料面作用力是指压边圈的下表面和凹模上表面与毛坯之间的作用力，在汽 车覆盖件的拉深成形中，要对毛坯加上一定的变形力才能使毛坯材料达到所需要的变 形，对毛坯来讲，受到两个作用力提供了压料面作用力，一个是来自凹模和压边圈的施 加在毛坯上的力，一个是受到凸模传递而来的作用力，凹模对毛坯的作用力一般不需要 调节，它是由冲压设备提供的，只要在设备允许的范围内作用力的大小就会随着拉深成 形的抗力变化而改变。压料面作用力的合理性直接影响着覆盖件拉深时作用力，拉延方 向的选择，覆盖件的表面质量。 1 毛坯件材料和压料面作用力的关系 ( 1 ) 材料的变形能力和材料的受力关系极大，由于塑性变形，合适的材料可以提 供合理的需要的压料面作用力。 ( 2 ) 板料硬化指数越高，在各个方向的变形力就需要的越高，需要外接提供的压 料面作用力越大。 2 覆盖件形状结构对压料面的要求 ( 1 ) 侧壁形状影响 如果只改变侧壁形状，压料面是斜壁时毛坯流入凹模的弯曲变形力比直壁形状要容 易一些，因为提供的压料面作用力小。所以直壁的部位具有不容易产生起皱的特点。 ( 2 ) 覆盖件轮廓形状与压料面作用力 部分汽车覆盖件都是由很多不同的曲线和曲面构成，外形轮廓是相对比较复杂，曲 率越大，需要的塑性变形力越大，故所需压料面上产生压料面作用力随轮廓曲率的增大 而增大：如果轮廓的曲线曲率中心是在冲压件内侧的部位，这个部位的变形力随轮廓曲 率的减小而减小；如果当不同的轮廓形状过渡部分，在周围的形状变变形是互相作用的， 所以拉延过程中需要调节压边力，有利于拉延质量的提高。 3 压料面作用力和冲压条件的关系 压边力越大时，毛坯和压边圈下表面之间、凹模上表面和毛坯之间的摩擦力越大， 提供的压料面作用力也就越大。 摩擦系数u 也是影响压料面作用力的因素，毛坯和压料面的两者的摩擦系数u 越 大，同等条件下产生的摩擦力也越大，压料面作用力也越大【l 7 1 。 4 拉深筋产生的附加力 西华大学硕士学位论文 当压料面上的毛坯通过圆形拉深筋阻碍时，在每次经过拉深筋槽的圆角，要在拉深 筋圆角处产生一次弯曲变形；当毛坯通过矩形拉深筋时，还要在矩形筋的拐角处产生比较 大的弯曲变形。毛坯弯曲变形时要通过