（材料加工工程专业论文）内皱研究及扇形加强筋结构在汽车覆盖件拉延模具中的应用.pdf

中文摘要摘要近年来，国内外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。汽车覆盖件模具正是车身生产的主要工艺装备，而汽车覆盖件的冲压成形工艺设计与模具又有着直接的关系【l 】。工艺设计是联接产品设计与制造的桥梁和纽带，合理的成形工艺设计是模具设计与制造的基础，它将直接关系到产品的质量、成本、生产效率以及模具的使用寿命等方面。覆盖件工艺设计及其关键技术已成为人们研究的热点。现有的汽车在板料成形领域中，起皱、破裂和回弹是三种主要质量缺陷，其中起皱和回弹是最常见且难以解决的问题。起皱的现象通常分成两种情况，一种是外皱，另一种是内皱。发生在凸缘区与凸模底部的起皱现象称之为外皱。发生在悬空区域的起皱现象称之为内皱【2 】。两者的产生机理及解决方案有所不同。目前，通过有限元方法对板料成形过程进行计算机仿真已经成为金属塑性成形最有效的研究方法。采用有限元模拟方法可以全面了解板料在变形过程中的应力应变分布，预测成型缺陷的出现，并可方便的对设计参数进行调整，直到得到满意的成形制件，最后依据计算机的处理结果实施设计制造，能够有效降低企业的设计和生产成本，大大增加新产品的研发能力和企业的市场竞争能力。本文从阐述汽车覆盖件冲压生产的特点和覆盖件本身的要求开始，在分析、探讨金属塑性变形及主要影响因素、金属塑性变形屈服准则、塑性应力应变关系、板料的冲压成形性能与成形极限的基础上，以汽车后轮毂包零件悬空区域在成形过程中所产生的内皱为研究对象，针对该零件采用传统矩形加强筋结构方法上存在的成形工艺缺陷，提出一种新的扇形加强筋结构，即：在零件设计中采用扇形加强筋取代常规的矩形加强筋结构。并采用e 伽d y n a f o m 软件进行了大量的圆筒形件模拟拉深试验，并对这些结果进行了分析讨论。通过试验结果研究得出：影响悬空区域起皱的两大因素并得出侧壁角度a 对内皱产生的影响规律及扇形加强筋圆心角度0 对抑制内皱产生的影响规律。关键词：汽车覆盖件，汽车后轮毂包，内皱，扇形加强筋，数值模拟茎茎塑至_ _ - _ _ - _ _ _ - _ - _ - - _ _ _ - _ _ _ - _ 一一a b s t r a c tt h em 0 1 dd e s i 舀ll e v e lo fa m o p a n e l sa t e e r t a i l ld e 伊e ed e t e r m i i l e sm eq l 埝l i t ) ro fm e觚t o p a l l e l s ，a u t o m o b i l ep e 响珊a n c ea n da p p e 跏c e ，锄dt h ea u t op a i l e l p r o c e s sd e s 咖h a sad i r e c tr e l a t i o nt ot l l em 0 1 dd e s i 印q u a l i 够a tp r e s e n t ，t h ea u t op a j l e l p r o c e s sd e s i 鲆p l a y s 锄i m p o r t a n tr o l eb e t 、) l ，e e np r o d u c ed e s i g l la 1 1 dm a n u f a c t u r ea sab r i d g e m er e a s o n a b l ep r o c e s so fd i ed e s i 印i sab a s e0 nd i ed e s i 印锄dm a n u f a ( 知r e ，i td i r e c tr e l a t i o n0 nt l l ep r o d u c eq u a l i 劬c o s ta n de 伍c i e n c ya i l ds oo n ，i ta l s ob eah o t s p o t i nt l l es h e e tf 0 彻i n g ，t h e 、槲n l ( 1 e ，n l ec r a c ka n dt h es p r i n gb a c ka r em r e e1 【i n do fm a i nq u a l 时f la w s ，i i lw h i c ht 1 1 e ，r i r l l ( 1 ea r e 戗l em o s tc o m m o nf l a w s 1 1 1 e 、耐n 1 ( 1 eu s u a l l v 妯c l u d e d ：o u t s i d e 嘶n “e ，w h i c he x i s tm ef l a n g ea i l di i l i l e r - 嘶m d e ，w h i c ho r e ne x i s ti i lt h eh a n ga r e a n e i r sm e c h a i l i s ma n ds 0 1 v ep r o j e c ta r ed i m u e n t a tp r e s e n t ，m en u m 耐c a ls i m u l a t i o nc 锄a c h i e v et h eq u i t eh i 曲p r e c i s i o n ；i ta h e a d vh a sb e c o m em em o s te f f e “v er e s e a r c ht e c h n i q u et 0t h em e t a lp l a s t i c i 够f o r m a t i o na tp r e s e n t c a r r i e so nt 1 1 em l m e r i c a ls i m u l a t i o nt ot l l es h e e tf o m i i l gp r o c e s s ，t 1 1 es 仃e s sa 1 1 ds 仃a i nw h i c hh 印p e n e di 1 1d e f o 肌a t i o np r o c e s sc a i lb e 吼d e r s t o o dc o m p r e h e n s i v e l y a n dt 1 1 ef o n n a t i o nn a wc a nb ef o r e c a s t e 也b a s eo nm i s ，廿l ed e s i 弘p a r a m e t e r sc a nb ea d i u s t e df a c i l i t a t ea n dt 1 1 es a t i s f a c t i o nf o m a t i o nw o r kp i e c ec a nb eo b t a i n e d ，f i n a l l yt h er e a s o n a b l ep a r tc a nb ed e s i g n e da 1 1 dm a i l u f a c t u r e da c c o r d i i l gt 0m en u m e r a ls i m u l a t i o nr e “t s ，t h r o u 曲m e s em e t h o d s ，m ed e s i g na n dt h ep r o d u c t i o nc o s tc a i lb er e d u c e de f | f e c t i v e l y ，m en e wp r o d u c tr e s e a r c ha n de n t e 叩n s e sm a r k e tc o m p e t i t i o na b i l i t ) rw a si i l c r e a s e de n o m o u s l yi i lt l l i sp a p e r 廿l ec h a r a c t e r i s t i co fm em a t 舐a ln u ) 【i o na i l dt l l es 仃c s sa n ds 觚mw h i c hh 印p e n e di nt l l ef 0 彻i n gp r o c e s sw a sa i l a l y z e d ，m ec r a c k f l a w sf o m a t i o nr e a s o n肌d 廿1 es 0 1 u t i o nw a sd i s c u s s e d t a “n gm ei m e r - w r i n k l eo ft h ed r a w i n gp r o c e s so f 。r e a rw h e e lb u n d l ea sr e s e a r c ho b j e c t ，as o r to fs e c t o rr e i n f o r c et e n d o n 蛐r u c 眦w a sp r o p o s e db a s e do nt l l el i m i t a t i o n so fp r o c e s sp r o j e c ti nt h es 仃u c t u r eo ft h ei i l i t i a lp a r t ，n 锄e l va1 ( i n do fn e ws e c t o r r e i l l f o r c et e n d o 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et e n d o ns 仇j c t u r eo n l yt o6 0 0 k e y w o r d s ：a u t o m o t i v ec o v e rp a n e l ，r e a r ，h e e lb u l l d l e ，s e c t o rr e i n f o r c et e n d o n ，i r u l e r - w r i n k l e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 学位论文独创性声明中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文导师签名趴签字日期：签字日期：学位论文使用授权书本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中博硕学位论文全文数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义备注：审核通过的涉密论文不得签署。授权书刀，须填写以下内容：该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。1 绪论1绪论1 1 引言进入2 l 世纪，全球制造业的中心将向中国转移，中国将成为世界工厂，先进制造技术的不断发展研究和应用，必将会给我们的生活带来巨大的变化。尤其是作为国家支柱产业的汽车制造业，也必然会飞速发展，因此不断创新、紧跟时代潮流、跟随国际脚步将决定我们在未来的竞争中能否取得发展的主动权【3 】。汽车从概念设计到完成整个车型开发，在欧美通常需要4 5 年的时间，在日本至少也需要2 3 年的时间。在激烈的市场竞争中，必须尽量缩短根据对未来市场和技术预测而进行的商品开发和换型时间。覆盖件特别是构成车身的外覆盖件的市场生命周期最短变化最频繁【4 】。由于汽车覆盖件一般都具有形状复杂、结构尺寸大、材料厚度相对较小、成形质量高等特点，在汽车覆盖件冲压成形过程中，零件的起皱、破裂和回弹对原材料的成形性、毛坯的几何形状及定位、冲压方向、拉延筋的形式及布局、摩擦润滑条件、压边力的大小等许多因素都极其敏感，这就使得这项工作十分依赖经验，从而大大制约了汽车工业的发展。随着全球化市场的加速发展和制造技术的不断进步，车身款式更新速度之快和质量要求之高非发动机和底盘所能比拟，因其构成非常复杂，相关制造成本已经居整车制造成本的主要地位，其质量也在很大程度上决定了新车型的市场占有状况【5 】。因此，有效提高车身制造技术水平，对增强我国汽车工业的整体竞争能力具有极其重要的现实意义和经济价值。汽车产品与一般的工业产品不同，不但更新换代比较快，在新产品开发以及换型时，需要企业投入非常庞大的人力、物力和财力，是一种投资风险非常大的商品【6 1 。由于汽车覆盖件一般都具有形状复杂、结构尺寸大、材料厚度相对较小、成形质量高等特点，在汽车覆盖件冲压成形过程中，零件的起皱、破裂和回弹对原材料的成形性、毛坯的几何形状及定位、冲压方向、拉延筋的形式及布局、摩擦润滑条件、压边力的大小等许多因素都极其敏感，这就使得这项工作十分依赖经验，从而大大制约了汽车工业的发展。用有限元数值模拟软件对汽车覆盖件冲压成形情况进行模拟，将模拟结果用于优化工艺方案，这样可以大大减少后续的修模工作，缩短覆盖件及其模具的开发周期，并能大大地降低费用。基于有限元法的数值模拟仿真技术已有几十年的历史，仿真技术不仅能够实时地描述金属塑性成形过程，给出金属的塑性流动模式、各种物理场量的分布规律、详尽的塑性变形过程的参数，而且还能预测塑性成形过程的缺陷，优化塑性成形过程【7 】。如今数值模拟仿真技术已经成为塑性加工重庆大学硕士学位论文领域的一项重要技术，它将对金属塑性成形技术的进步产生巨大的推动作用。因此，利用有限元模拟仿真技术研究各种工艺参数对成形工艺或产品质量的影响规律具有重要的学术价值。1 2 国内外研究背景及现状1 2 1 汽车覆盖件概述汽车覆盖件是指覆盖发动机、底盘、构成驾驶室和车身的薄板异形体表面和内部零件。覆盖件组装后构成了车身或驾驶室的全部外部和内部形状，它既是外观装饰性的零件，又是封闭薄壳状的受力零件。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，这些特点决定了它的特殊要求【8 j 。表面质量覆盖件表面上任何微小的缺陷都会在涂漆后引起光线的漫反射而损坏外形的美观，因此覆盖件表面不允许有波纹、皱折、凹痕、擦伤、边缘拉痕和其他破坏表面美感的缺陷。覆盖件上的装饰棱线和筋条要求清晰、平滑、左右对称和过渡均匀，覆盖件之间的棱线衔接应吻合流畅，不允许参差不齐。总之覆盖件不仅要满足结构上的功能要求，更要满足表面装饰的美观要求。尺寸形状覆盖件的形状多为空间立体曲面，其形状很难在覆盖件图上完整准确地表达出来，因此覆盖件的尺寸形状常常借助主模型来描述。主模型是覆盖件的主要制造依据，覆盖件图上标注出来的尺寸形状，其中包括立体曲面形状、各种孔的位置尺寸、形状过渡尺寸等，都应和主模型一致，图面上无法标注的尺寸要依赖主模型量取，从这个意义上看，主模型是覆盖件图必要的补充【9 1 。刚性覆盖件拉深成形时，由于其塑性变形的不均匀性，往往会使某些部位刚性较差。刚性差的覆盖件受到振动后会产生空洞声，用这样的零件装车，汽车在高速行驶时就会发生振动，造成覆盖件早期破坏，因此覆盖件的刚性要求不可忽视。检查覆盖件刚性的方法，一是敲打零件以分辨其不同部位声音的异同，另一是用手按看其是否发生松弛和鼓动现象【l o 】。工艺性覆盖件的结构形状和尺寸决定该件的工艺性。覆盖件的工艺性关键是拉深工艺性。覆盖件一般都采用一次成型法，为了创造一个良好的拉深条件，通常将翻边展开，窗口补满，再添加上工艺补充部分，构成一个拉深件。工艺补充是拉深件不可缺少的组成部分，它既是实现拉深的条件，又是增加变形程度获得刚性零2l 绪论件的必要补充。工艺补充的多少取决于覆盖件的形状和尺寸，也和材料的性能有关。工艺补充的多余料需要在以后工序中去除i l l j 。零件的拉深工艺性关键在于拉深的可能性和可靠性，也即拉深件形状的复杂程度，这其中，除了覆盖件本身的形状无法改变外，拉深模型面设计对拉深工艺性有很大的关系。因此覆盖件拉深模的设计和制造在整个覆盖件生产中具有举足轻重的作用。1 2 2 板料成形技术的发展与现状随着汽车和家用电器等相关产业的飞跃发展，对冷冲压成型的覆盖件特别是大型覆盖件的需求更是日益俱增，因此对冷冲压模具和其相对应的薄板成型技术要求也就越来越高【1 2 】。近年来在汽车覆盖件成形领域内，由于高强钢板和铝合金板的应用不断增多，起皱成为覆盖件成形中常见而难以解决的问题，同时高强钢板的广泛应用导致产生回弹明显的缺陷。板材成形中起皱的形式及引起起皱的因素多种多样。如何有效提高铝合金板的冲压成形性能是当前国际学术的前沿以及冲压成形时材料流动难以控制，薄板的应力和应变分布不均，容易产生：深冲裂纹、起皱、回弹大和成形精度难以控制。进入9 0 年代以来，高新技术全面促进了传统成形技术的改造及先进成形技术的形成和发展。2 1 世纪的冲压技术将以更快的速度持续发展，发展的方向将更加突出“精、省、净”的需求【l 引。国内，上海交通大学的精密成型国家工程研究中心研究了各向异性屈服准则对高强度钢板成形预测精度的影响、中南大学和湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室从合金元素、热处理工艺和冲压成形技术等方面分析了国内外汽车用铝合金的研究现状与发展趋势、山东理工大学对汽车覆盖件用铝合金板冲压成型的材料参数敏感性进行了研究、沈阳工业大学进行了对7 8 0 4 超硬铝合金板材成形性能的试验研究，江苏大学也对拼焊板进行了一定研究，吉林大学将韧性断裂准则引入到数值模拟中【l4 1 。国外，美国、德国、意大利、挪威、日本、韩国等国的公司、科研院所都对铝合金板材进行了理论试验研究。美国铝业公司在其技术中心成立了美铝汽车结构公司，负责高性能汽车铝车身结构设计与制造，从零部件的设计、加工制造一直到组装成汽车车体。加拿大m cm a s t e r 大学展开了高强钢板化学强化成形性的研究。日本东京大学、意大利维罗纳大学都对高强度钢板的冲压进行了研刭1 5 j 。基于有限元法的数值模拟仿真技术已有几十年的历史，随着计算机软硬件技术的发展，众多融合了计算机图形学、有限元技术和塑性成形理论的模拟软件开始出现，例如d y n a f o r m 、p a m s t a n 【p 、l s d y n a 3 d 、a u t o f o r m 、a b a q u s e x p l i c i t 、o p n u s 等，得到了许多工业企业的重视和应用。美国的g m 、f o r d 、c h r y s l e r ，德国的大众、奔驰，日本的丰田、三菱、日产等大型汽车重庆大学硕士学位论文制造公司，已开始应用这类软件指导板料成形件的开发和生产，产生了良好的经济效益【1 0 】。数值分析技术以其高效率、低成本的优势在薄板冲压成形领域中得到了广泛的应用。美国、日本等世界一流的科学研究中心采用有限元数值模拟技术对零件、模具、冲压工艺和材料性能之间的相互适应性进行了三维动态仿真分析【l 们们，涉及领域之广泛、研究成果之显著，引人瞩目。国内的板料数值模拟软件的开发主要以学术研究为主，商业化程度还不是太好。经过多年的发展，我国在板料成形数值模拟方面已经取得了很大进展，但主要集中在部分高校里如：华中理工大学【1 5 】针对不完全对称盒形件的成形特点，开发了有限变形弹塑性薄膜有限元程序对其进行分析研究。吉林工业大学采l a 伊a n g e法以及有限元变形虚功率增量型原理的弹塑性大变形有限元法研究了金属板料成形的塑性流动规律以及成形过程中发生的起皱、裂纹等现象u 引，并提出了多点成形时非连续接触边界约束的处理方法，建立了基于m i n d l i n 壳理论三维金属板料成形过程分析的有限元模型，编制了用于板料多点成形分析的有限元专用软件，成功分析了多点成形时的金属流动规律【2 。总体来说国内弹塑性有限元法在板料成形方面的应用与国外的一些国家相比还存在较大的差距。国内数值模拟软件真正地应用到生产实际中，和企业完美结合还需要做许多细致的工作。1 3 研究内容及目的1 3 1 研究内容覆盖件大多数是由复杂的空间曲面组成，成形时坯料上各部分的变形状态非常复杂，差别很大，各处的应力也很不均匀，一个零件的成形往往兼有拉深、翻边、胀形、弯曲等多种变形方式，经历落料、拉深、整形、修边、翻边等工序完成。其中拉深工序最为关键，覆盖件的大部分形状在这一工序中成形，它直接影响产品质量、材料利用率、生产效率和制造成本，从根本上决定了整形、修边、翻边和冲孔等工序的内容和次序。因此，拉深模具是生产汽车覆盖件的重要工艺装备，其结构尺寸大，型面形状复杂，尺寸精度和表面粗糙度要求高。覆盖件拉深模设计大体上分为模具型面设计、成形性分析和模具结构设计三个阶段【2 2 1 。覆盖件拉深模型面设计是一个在覆盖件产品三维模型基础上进行边界条件设计的创造过程，即人们常讲的曲面造型，它是汽车覆盖件拉深模设计的关键环节。它具有复杂曲面的三维设计和快速修改能力，并且拉深模型面几何形状满足覆盖件拉深成形的工艺性要求。覆盖件拉延模型面的设计过程可以用下图1 1 来表示。4l绪论图1 1 拉深模型面的设计过程f i g 1 1t h ed e s i 印p r o c e s so fd r a w h 培d i es u r f a c e本课题主要对加强筋结构对覆盖件材料成形性之间的研究关系，通过对其影响起皱、回弹等缺陷的趋势进行研究分析，并利用d y n a f o m 软件模拟仿真，分析加强筋模具结构对影响内皱的因素之间的联系，提高成形质量，从而优化成形工艺，提高产品成形质量，并应用于生产实践。具体内容如下：不同成形因素( 扇形加强筋角度、高度、曲面侧壁的角度等) 对材料流动性的影响及与可能产生起皱缺陷之间的关系；建立有限元分析模型，根据弹塑性有限元法的基本原理，利用数值模拟软件d y n a f 0 肌研究相关因素对其成形的影响规律，进行成形工艺参数优化；运用理论和经验研究得到的成形条件，和模拟的方法得到的成形条件，进行对比，再根据以上两点的研究，获得成形性能良好且比较理想的成形情况；实验验证。对实际工程中的覆盖件成形进行研究以及工艺优化，获得理想的成形零件，最后达到合格产品。1 3 2 研究目的据近年来的相关数据统计，作为汽车三大总成之一的车身在质量和造价上已攀升至整车质量及价格的5 0 7 0 【2 3 】。作为新车型的一个最重要组成部分的汽车车身覆盖件在整车开发中具有重要的地位。覆盖件开发从汽车造型开始，经零件设计、工艺分析、模具结构设计、模具制造、试模，到能成功生产出产品为止，5重庆大学硕士学位论文是一个相当复杂的过程。为了缩短覆盖件的开发周期、降低成本、提高产品质量。通过对覆盖件拉深模型面设计相关理论和方法的研究，在工艺设计阶段就对覆盖件型面进行优化，为冲压工艺、模具设计、制造和调试提供理论上的依据，缩短模具设计制造和试模的时间，最终实现精度高、综合机械性能优良的覆盖件的持续稳定的大批量生产，用最少的成本创造最大的社会和经济效益。1 4 研究内容的可行性目前，国内外学者对汽车覆盖件的起皱等方面做了大量的研究，并取得了许多成果。有限元模拟分析软件功能越来越完善，采用当今世界成熟的商业板料成形专业软件e 协d y n a f o m 对成形进行数值模拟，找出影响成形的因素，以达到预测和消除成形缺陷、优化工艺及模具参数的目的，从而大大减少工艺及模具试验次数，使成形后正好达到零件所需精度。理论上的成果和有限元软件的完善在本课题研究上提供了一定的技术支持，在理论上是可行的。同时重庆大学模具实验室拥有u g i i 等c a d 造型软件和d y n a f o m 等模拟仿真的有限元分析软件。并通过与上海交通大学、华中理工大学等的技术合作，给长安汽车厂、东风汽车厂等企业的后轮毂包、边纵梁等零件进行了模拟仿真优化及实验研究，取得了良好的效果。由于实验室具有这些良好的条件和与重庆相关汽车制造及模具制造公司间良好的协作关系，可将理论研究、模拟成果与实验、生产实际相结合，从而对理论分析结果进行及时的验证和评估，便于进一步完善理论分析结果。以上的软件和硬件设施为本课题的顺利进行提供了有力的保障。62 覆盖件拉深成形特点及其主要影响因素2 覆盖件拉深成形特点及其主要影响因素2 1 引言覆盖件的生产是依靠覆盖件模具来完成的，要生产出符合设计要求的覆盖件，首先需要设计制造的是覆盖件模具。由于覆盖件的特殊性，覆盖件模具设计的依据并不是最终的覆盖件零件模型，而是以零件模型为基础并通过冲压工艺设计所得到的工艺模型。在覆盖件模具设计制造过程中，冲压工艺设计贯穿于始终，为冲压模具设计和制造提供依据，是模具设计与制造的中心环节。冲压工艺设计的质量和速度直接影响冲压生产的质量和效率，因而冲压工艺设计是模具设计的基础，是覆盖件生产的基础，它不仅决定了冲压生产的工艺过程，而且直接决定了模具结构的复杂程度。由于覆盖件冲压成形过程受到零件形状、材料和设备等众多因素的影响，从而使覆盖件冲压工艺设计十分复杂，是覆盖件模具设计中的重点和难点。2 2 覆盖件拉深成形的冲压工艺特点典型覆盖件的冲压工艺过程为：( 落料一) 拉延一修边一翻边一检验。由于覆盖件几何形状十分复杂，使用传统的方法进行设计时，难以准确估计冲压成形过程中板料的成形性，也就难以评价模具设计的正确性，使得冲压生产中经常出现破裂、起皱和形状失真等严重的质量问题，而这些问题只能在模具加工完成后进行试模或冲压生产中才能暴露出来。这就给模具调试带来极大困难，甚至造成整个模具的报废，导致覆盖件模具生产周期长、成本高和质量低。究其原因主要集中在冲压工艺设计阶段的失误，尤其是拉延工序工艺设计的不合理上。这也是现阶段覆盖件冲压工艺设计所存在的主要问题之一，如何在覆盖件工艺设计的初期及早发现问题，避免不合理的冲压工艺设计所带来的整个生产周期的报废，这一直是国内外广大学者的研究热点，也是实际生产中急需解决的重要难题。汽车覆盖件的要求和结构特点决定了其冲压成形特点。主要有：一次拉延成形对于轴对称零件或盒形零件，若拉延系数小于一次拉延的极限拉延系数时，则不能一次拉延成形，需要采用多次拉延成形方法，而且可以计算出每次拉延的拉延系数等工艺参数及中间毛坯尺守等。但对于汽车覆盖件来说，由于其结构复杂，变形复杂，其规律难以定量把握，以目前的技术水平还不能进行多次拉延工艺参数的确定。而且多次拉延易形成冲击线、弯曲痕迹线也会影响油漆后的表面质量，这对覆盖件是不允许的。因此，汽车覆盖件的成形都是采用一次拉延成形7重庆大学硕士学位论文的方法。拉胀复合成形汽车覆盖件的成形过程中的毛坯变形不是简单的拉延变形，而是拉延和胀形变形同时存在的符合变形。二般来说，除内凹形轮廓( 如l 形轮廓) 对应的压料面外，压料面上的毛坯的变形为拉延变形，而轮廓内部毛坯的变形为胀形变形。局部成形轮廓内部有局部形状的零件冲压成形时，压料面上的毛坯受到压边圈的压力随着凸模的下行而首先产生变形并向凹模内流动，当凸模下行到一定深度时，局部形状开始成形，并在成形过程的最终时刻全部贴膜。所以，局部形状外部的毛坯难以向该部位流动，该部位的成形主要靠毛坯在双向拉应力下的变薄来实现面积的增大。即这种内部局部成形为胀形成形。变形路径变化汽车覆盖件冲压成形时，内部的毛坯不是同时贴膜，而是随着冲压过程的进行而逐步贴膜。这种逐步贴膜过程，使毛坯保持塑性变形所需的成形力不断变化，毛坯各部位板面内的主应力方向与大小、板平面内两主应力之比等受力情况不断变化，毛坯( 特别是内部毛坯) 产生变形的主应力方向与大小、扳平面内两主应变之比等变形情况也随之不断的变化。即：毛坯在整个冲压过程中的变形路径不是一成不变的，而是变路径的 2 4 2 5 】。本文亦是将c a d 技术在冲压工艺设计中的应用作为研究方向，这不仅是跟随国内外的研究热点，而且对解决覆盖件的生产制造中的实际问题具有重要的意义。2 3 基于特征的拉深型面设计原则2 3 1 冲压方向的确定覆盖件拉深模型面设计，首先是确定冲压方向。所选择的拉深冲压方向是否合理，将直接影响到凸模是否能进入凹模、毛坯的最大变形程度、是否能最大限度地减小拉深件各部分的深度差、是否能使各部分毛坯之间的流动方向和流动速度差比较小、变形是否均匀、是否能充分发挥材料的塑性变形能力、是否有利于防止破裂和起皱等质量问题的产生等【2 6 1 。确定拉深冲压方向，应考虑以下原则：保证拉深凸模能够顺利进入凹模，不应出现凸模接触不到的“死区”，所有需拉深的部位要在一次冲压中完成。这类问题主要出现在覆盖件的某一部位或局部呈凹形或有反成形的情况下，为了使凸模能够进入凹模，只有使拉深方向满足于凹形或反成形的要求。拉延开始时，凸模和坯料的接触状态应保持接触面积大，尽量是平面，接触点多而分散，避免点接触，且尽可能均匀分布，这样可避免由于应力集中产生82 覆盖件拉深成形特点及其主要影响因素的坯料破裂，受力不均匀导致的坯料窜动，拉深过程不稳定等现象的发生。凸模两侧的包容角尽可能保持一致，即凸模的接触点处在冲模的中心附近，而不偏离一侧，这样有利于拉深过程中法兰上各部位材料均匀地向凹模内流入。拉深方向没有选择余地，而凸模与毛坯的接触状态又不理想时，应通过改变压料面来改善凸模与毛坯的接触状态。压料面应尽量保证坯料平放，压料面各部位进料阻力应均匀。尽量使拉深深度差最小，以减小材料流动和变形分布的不均匀。对一些左右件可利用对称拉深一次两件成形，便于确定合理的拉深方向，使进料阻力均匀。其它原则。诸如要注意表面缺陷的防止和改善，防止产生侧壁挠曲，工艺补充材料消耗尽量少等【2 6 2 8 】。2 3 2 压料面的影响及设计压料面是拉深件的一个重要组成部分，对汽车覆盖件的拉深成形起着重要作用。在拉深开始前，压边圈将毛坯压紧在凹模压料面上，拉深开始后，凸模的成形力与压料面上的阻力共同形成毛坯的变形力，使毛坯产生塑性变形，实现拉深成形过程。通过压料面的变化，可以使拉深件的深度均匀，毛坯流动阻力的分布满足拉深成形的需要。压料面设计得是否合理，直接影响到压料面毛坯向凹模内流动的方向和速度，毛坯变形的分布与大小、破裂起皱等问题的产生。覆盖件拉深模型面的设计方法计不合理，还会在压边圈压料时就形成皱折、余料、松弛等，其中有的在成形过程中不能消失而残留在制件上。压料面有两种情况，一种是压料面的一部分就是拉深件的法兰面，这种拉深件的压料面形状是一定的，一般不改变其形状，即使是为了改善拉深成形条件而作局部修改，也要在后工序中进行整形校正。另一种情况是压料面全部属于工艺补充部分【2 9 】。这种情况下，主要以保证良好的拉深成形条件为主要目的进行压料面的设计。同时要考虑到这部分材料在拉深工序后将在修边工序被切除，就应尽量减少这种压料面的材料消耗。覆盖件拉深成形的压料面形状是保证拉深过程中材料不破不裂和顺利成形的首要条件，确定压料面形状应满足如下要求：平压料面压料效果最佳，但为了降低拉深深度和使各部分深度接近一致，常使压料面形成一定的倾斜角。因此，在保证良好的拉深条件的前提下，为减少材料消耗，可设计斜面、平滑曲面或平面曲面组合等形状。但尽量不要设计成平面大角度交叉，高度变化剧烈的形状，这些形状的压料面会造成材料流动和塑性变形的分布极不均匀，在拉深成形时产生起皱、堆积、破裂等现象。压料面应保证凸模对坯料有一定程度的拉深效应。压料面和凸模的形状应保持一定的几何关系，保证坯料在拉深过程中始终处于拉胀状态，并能平稳渐次地紧贴凸模，使拉入凹模内的材料不会“多料”，也就不会产生皱纹。为此。必须满足下列条9重庆大学硕士学位论文件( 见图2 1 、2 2 )l l l， 口式巾，一凸模展歼长度；b 一压科颓鼹歼长度l口一凸模袭谢夹角；夕一遥料断袭丽必角压蕾图2 1 压料面与凸模的关系f i g2 1t h er e l a t i o nb e 帆e e nb i l l d e ra n dp 吼c h图2 2 压料面仰角与凸模仰角的关系f 嘻2 2 1 1 1 er e l a t i o nb e 俩e e nb i l l d e re l e v a t i o n 锄dp u n c he l e v a t i 叽还要注意，有些拉深件虽然压料面展开长度比凸模短，但在拉延过程中，每一瞬间这种关系不能维持，发生压料面展开长度比凸模长的瞬间，就会形成皱纹，并在最后留在拉深筋上无法消除，这样的设计方法在模具中是绝对需要避免的。压料面平滑光顺有利于坯料往凹模型腔内流动。压料面上不得有局部的鼓包、凹坑和下陷。如果压料面是覆盖件本身的凸缘面，而凸缘上有凸起和下陷时，应增加整形工序。压料面和冲压方向的夹角大于9 0 0 ，会增加进料阻力，也是不可取的。压料面应使毛坯在拉深成形和修边工序中都有可靠的定位，并考虑送料和取件的方便。当覆盖件的底部有反成形形状时，压料面必须高于反成形形状的最高点。否则，在拉深时，毛坯首先与反成形形状接触，定位不稳定，压料面不容易起到压料的作用，容易在成形过程中产生破裂、起皱等现象，不能保证得到合格零件。不在某一方向产生很大的侧向力。实际工作中，若上述各项原则不能同时达到，应根据具体情况决定取舍【3 0 3 2 1 。2 3 3 工艺补充部分设计工艺补充设计原则为了给覆盖件创造一个良好的拉深条件，需要将覆盖件上的窗口填平，开口部分连接成封闭形状，有凸缘的需要平顺改造使之成为有利成形的压料面，无凸1 02 覆盖件拉深成形特点及其主要影响因素缘的需要增补压料面，这些增添的部分称为工艺补充部分【3 3 1 。工艺补充是拉深工艺不可缺少的部分，工艺补充部分制定的合理与否，是冲压工艺设计先进与否的重要标志，它直接影响到拉深成形时工艺参数、毛坯的变形条件、变形量大小、变形分布、表面质量、破裂、起皱等质量问题的产生等。拉深后工艺补充部分需要修切掉，所以工艺补充部分应尽量减少，以提高材料的利用率。工艺补充部分的设计原则如下：1 ) 内孔封闭补充原则对零件内部的孔首先进行封闭补充，使零件成为无内孔的零件。但对内部的局部成形部分，要进行变形分析，一般这部分成形属于胀形变形，若胀形变形超过材料的极限变形，需要在工艺补充部分预冲孔或切口，以诚小胀形变形量。2 ) 简化拉深件结构形状原则拉深件结构形状越复杂，拉深成形过程中的材料流动和塑性变形就越难控制。所以，零件外部的工艺补充要有利于使拉深件的结构、形状简单化。3 ) 保证良好的塑性变形条件对某些深度较浅、曲率较小的汽车覆盖件来说，必须保证毛坯在成形过程中有足够的塑性变形量，才能保证其能有较好的形状精度和刚度。4 ) 外工艺补充部分尽量小由于外工艺补充不是零件本体，以后将被切掉，因此在保证拉深件具有良好的拉深条件的前提下，应尽量减小这部分工艺补充，以减少材料浪费，提高材料利用率。5 ) 对后工序有利原则，设计工艺补充时要考虑对后工序的影响，要有利于后工序的定位稳定性，尽量能够垂直修边等。6 ) 双件拉深工艺补充，有的零件进行拉深工艺补充时，需要增加很多的材料或冲压方向不好选或变形条件不容易控制等，但如果这种零件不是太大的话，可以考虑将两件通过工艺补充设计成一个拉深件，这种方法称“双件拉深”。在进行双件拉深的工艺补充时，首先要考虑两件中间部分的工艺补充，先使两件成为一件，然后按上述原则进行周围部分的工艺补充。在进行两件中间部位的工艺补充时，要注意：拉深件的拉深方向能够很容易确定；拉深件的深度尽量浅；中间工艺补充部分要有一定的宽度，才能够保证修边切断模的强度。工艺补充部分设计的合理性可通过反向模拟和拉深过程的数值模拟来验证，并可通过工艺评价工具来反馈以修正设计【3 4 3 5 1 。常见工艺补充类型图2 3 是常用的几种工艺补充类型。图中有关尺寸主要考虑：在进行模具压料面或拉延筋槽的修理时不能影响到修边线；保证修边模的凸模和凹模能有足够的重庆大学硕士学位论文强度；凸模圆角和凹模圆角大小要有利于毛坯的变形和塑性流动等。图2 3 a ，修边线在拉延件压料面上，此时压料面就是覆盖件的法兰面，采取垂直修边。为了在模具使用中打磨拉延筋不致影响修边线，修边线至拉延筋的距离a 一般取2 5 n 蚰。图2 3 b ，修边线在拉深件底面上，垂直修边，修边线至凸模圆角的距离b 应保证在使用中不致因凸模圆角的磨损而影响到修边线，一般取3 5 m m ；考虑修边模强度，一般取c = 1o 2 0 m m ；d 按保留有多于1 5 根完整拉延筋形状考虑；凸模圆角半径印应根据拉深深度和形状来确定，一般取3 1 0 m m ，深度浅和直线部分取下限，深度深和形状部分取上限；当凹模圆角半径为工艺补充的组成部分时，取8 1 0 m m ；当凹模圆角部分本身就是覆盖件的组成部分时，首先要保证拉深成形工艺的要求，若因此而导致r d大于零件要求的圆角半径，则要在以后的工序中进行整圆角。图3 3 c ，修边线在拉深件翻边展开斜面上，垂直修边。修边方向和修边表面的夹角0 【术4 0 0 、b = 6 0 1 2 0 ；e = b = 3 5 m m ；r p = 3 5 i m ；r d = 4 1 0 t ；c = 1 0 2 0 m m ：d = 4 0 5 0 m m 。一一訇瀣图2 3 d ，修边线在拉深件长斜面上，垂直修边。修边线是按覆盖件翻边展开确定的，所以拉深件轮廓外形不能完全平行修边线，图中f 是变化的，不同情况取不同最小值，f 还和拉深件在修边时的定位有关，一般取：脸8 n u n ( 用拉延槛定位) ；f = 3 5 栅( 用侧壁定位) ；d = 6 0 1 2 0 ；rp = 3 1 0 删 i l ；c = 1 0 2 0 l 姗。图2 3 e ，修边线在侧壁上，水平或倾斜修边。由于增添了工艺补充，修边线一般不会与压料面内轮廓完全平行，但也要控制g 的最小尺寸，一般g 术1 2 m m ；1 22 覆盖件拉深成形特点及其主要影响因素r d = 4 10 t ：d = 4 0 5 0 伽。图2 3 f ，为修边线在拉深件的底部，其工艺补充部分是最大的一种【3 7 】。工艺补充曲面的构造方法在构建汽车覆盖件的工艺补充部分曲面时，主要采用下述两种方法构造。1 ) 延伸曲面：根据某个曲面的形状特点，在其边界处向外延伸一定距离后生成的曲面。其生成方法主要有三种( 见图3 4 ) ：1 ) 沿着基曲面( 即被延伸的覆盖件曲面) 的自然发展趋势延伸；2 ) 沿着特定的方向( 即与基曲面的切矢方向成一定夹角的方向) 延伸；3 ) 沿着基曲面的切矢方向延伸。2 ) 扫掠曲面：使若干个截面沿一个轨迹线扫动而形成的曲面。轨迹线一般选在覆盖件的边界上，从而使曲面形状按照覆盖件的形状趋势变化。选择扫掠路径过程中，当修边轮廓形状比较平缓时，可以以修边线作为扫掠路径，以构建的工艺补充截面线作为扫掠截面进行扫掠：当修边线形状较复杂时，则可以用工艺补充截面线作扫掠路径，以修边线作截面线进行扫掠【3 引。图2 4 延伸曲面的定义f i g2 4d e f i n i t i o no fe x t e n s i o ns l l r f a c e2 4 拉深模型面设计方法传统的汽车覆盖件的模具型面设计主要靠经验，对冲压材料的成形性能缺少可靠的评价，设计结果往往难以预测。产品的质量主要由上游的设计来决定，如果上游的设计对质量产生了不利的影响，下游的模具设计很难或根本就不能消除这种不利因素。模具制造完成后为了避免板料成形过程中出现的破裂、起皱等不良现象，需要反复调整成形中的一些工艺参数或者修改模具形状，依靠调试来完成产品的质量要求，而且不能保证调试一定能够成功。有调查数据显示，以前大型覆盖件模具的调试一般需要1 2 个月，试模费用约占模具总费用的2 2 6 ，其中修模费用2 0 7 ，冲床使用费和材料费2 。这使得产品及其模具的开发周期长，生产成本高。即使经过各种努力最终一般只能保证零件成形，而很难考虑设计的最优化【3 9 】。为了改变这种状况，我们有必要寻求一种有效的方法，在模具设计的上游阶段即对型面设计进行优化，以获得最优设计方案，使所设计的模具具有最重庆大学硕士学位论文好的使用性能和最低的材料消耗与制造成本，以获得最佳的经济效益和社会效益。目前的设计方法很多，其中有面向制造与装配的设计( d f m a ，d e s i g f o n u f a c t u r ea n da s s e n l b l y ) 、面向大批量定制的设计( d f m c ，d e s i 驴伽a t o m i z a t i o n ) 、全生命周期的设计( l c e d ，“f e c y c l ee n g i n e 嘶n gd e s i g l l ) 、设计评价一再设计( d e r ，d e s i 印e v a l u a t e r e d e s i 印) 等方法【4 0 1 。对拉深模