（材料加工工程专业论文）复杂薄板液压成形工艺研究及有限元分析.pdf

摘要 摘要 板材液压成形是一种先进的加工工艺，近年来得到大力发展并广泛应用于汽 车、航天航空、厨卫用具等制造领域。板材液压成形具有模具成本低、模具制造 周期短、成形极限高等特点，与传统工艺相比，液压成形后的零件精度高、表面 质量好。液压成形特别适合于形状复杂、成形难度大、精度要求较高的薄板零件 的拉深成形。 板材成对液压成形工艺是近年来在单件液压成形基础上发展起来的一种新 工艺。它在具有单件液压成形优点的同时，提高了成形效率，减少了成形设备， 使得加工成本更低，特别适合于诸如摩托车油箱类由上、下壳体构成的箱体型 零件的成形。 摩托车油箱由上、下壳体焊接而成，上、下壳体的曲面形状复杂、拉深比大、 板厚较薄，因此适合于采用成对液压成形。传统的成形方法是采用两套模具分别 成形上、下壳体，模具费用多，生产成本高。针对这种情况，本文率先提出了摩 托车油箱成对液压成形的新工艺，对成形过程进行了较为深入的有限元模拟分 析。并在此基础上，设计了一种结构简单、性能可靠、经济实用的摩托车油箱成 对液压成形模具装置，该模具装置安装在双动液压机上就可进行摩托车油箱上、 下壳体零件的液压成形。 本文采用小尺寸板材试样进行了液压胀形实验，并同时对其胀形过程进行 了有限元模拟，实验结果与模拟结果较为一致，说明有限元分析的方法是可行的。 在此基础上，本文利用l s d y n a 进行了摩托车油箱成对液压成形的有限元分析， 研究了在不同条件下板料的变形过程，从中观察到板材的应力、应变分布情况及 厚度变化情况，预测出零件起皱或变薄的位置，优化了压边力与载荷的匹配，从 而为复杂板材液压成形或成对液压成形工艺的研究提供了一种可以借鉴的分析 方法。 关键词复杂板材成对液压成形摩托车油箱有限元分析 三至三兰奎兰三兰堡圭兰篁篁圣 a b s t r a c t s h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n gi sa d v a n c e dt e c h n o l o g ya n di s d e v e l o p e d a n da p p l i e di nr e c e n ty e a r s ，i ti sm a i n l ya p p l i e di nc a r m a k i n g ，a v i a t i o n ， k i t c h e nu t e n s i l sa n do t h e rf i e l d s s h e e t m e t a l h y d r o f o r m i n g h a s c h a r a c t e r ss u c ha sl o wd i ec o s t ，s h o r tm a n u f a c t u r i n gc y c l ea n dh i g hf o r m l i m i t t h ep a r t sp r o c e s s e db yi th a v eh i g hp r e c i s i o na n dg o o ds u r f a c e q u a l i t yc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lt e c h n o l o g y ，s oi tc a np r o c e s ss h e e t p a r t sw i t hc o m p l e xs h a p ea n dh i g hp r e e i s i o n ， s h e e tm e t a l h y d r o f o r m i n g i n p a i r s i sn e w t e c h n o l o g y t h a ti s d e v e l o p e do nb a s eo fs i n g l es h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n g i tn o to n l yh a st h e a d v a n t a g e so fh y d r o f o r m i n gb u ta l s oi n c r e a s e st h ee f f i c i e n c ya n dc u t sd o w n d e v i c e s ，s ot h ep r o c e s s i n gc o s ti sr e d u c e d s h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n gi n p a i r sisv e r ys u i t a b l et op r o c e s st h ec o n t a i n e rs u c ha sm o t o r b i k et a n k t h a ti sm a d eb yw e l d i n gu p p e rc o v e ra n dl o w e rc o v e r t h em o t o r b i k et a n ki sac o n t a i n e rp a r tt h a ti sm a d eb yw e l d i n gu p p e r c o v e ra n dl o w e rc o v e r i th a sc o m p l i c a t e ds u r f a c ea n dh i g hd r a w i n gr a t i o ， s oi ti ss u i t a b l ef o rs h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n gi np a i r s i ft h ec o n d i t i o n a l t e c h n o l o g yi su s e d ，i tn e e d st w os e t so fd i e a n dt w oh y d r a u l i c p r e s s e s ，t h i s w i l li n c r e a s ed i ec o s ta n dp r o c e s s i n gc o s t c o n s i d e r i n gt h e s ec a s e s ，t h i s p a p e rp u t sf o 掰8 r d a p r o c e s s o fs h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n gi np a i r si nm a k i n g m o t o r b i k eo i l b o xa n da n a l y s e si tb yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d o nt h i sb a s e ，t h e d e v i c eo fs h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n gi np a i r si sd e s i g n e da n dt h i sd e v i c e i ss i m p l ea n dr e l i a b l e i fp u t t i n gt h i sd e v i c eo nd o u b l e a c t i o nh y d r a u l i e p r e s s ，i t c a nf o r mt h em o t o r b i k et a n k i nt h i sp a p e r ，t h eh y d r a u l i cb u l g et e s ti sd o n et os m a l ls i z ep a r t a n da n a l y s e di tb yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d w h e nt h er e s u l to ff i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o ni sc o n s i s t e n tw i t he x p e r i m e n t ，w ec a ns a yt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o di sf e a s i b l e i nt h i sp a p e r ，s h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n gi np a i r so f i i m o t o r b i k et a n ki sa n a l y s e db yt h es o f tl s d y n aa n dt h ep a r tf o r m i n gi s s t u d i e di nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s f r o mt h er e s u l t s ，t h e d i s t r i b u t i n go f s t r e s sa n ds t r a i na n dt h ec h a n g eo fs h e e tt h i c k n e s sa r eo b s e r v e d ，t h ep l a c e o fc r a c ka n dc r i n k l ei sf o r e c a s t e d ，t h em a t c ho fb l a n kh o l d e rf o r c ea n d h y d r a u l i cp r e s si so p t i m i z e da n da l lo ft h e s ec a nb ear e f e r e n t i a lm e t h o d f o ra n n l y s i n gs h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n gi np a l r s k e y w o r d ：c o m p l e xs h e e tp a r t ： s h e e tm e t a l h y d r o f o r m i n g i n p a i r s m o t o r b i k et a n k ：f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s - i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着现代工业的发展，产品的种类越来越多，特别是人们的审美情趣的提高， 对产品的外观提出越来越多的要求，产品的个性化生产越来越多地出现在工业生 产中，因此零件的复杂性大大增大，同时由于需求的量不多，使得产品的生产由 大批量逐渐向多品种和小批量发展。此时若采用传统的冲压方法成形，一是难度 较大，同时所需的费用高，再则模具的设计和制造以及调试也需要大量的时间和 费用，这使得人们迫切希望能够采用更为先进的成形工艺。 液压成形是近年来得到大力发展和广泛应用的一种先进的加工工艺。与普 通的加工技术相比，液压成形技术具有如下的特点：( 1 ) 能够成形形状复杂的零 件；( 2 ) 液压成形n - r 出来的零件精度高，回弹小，残余应力低，使得零件成形 质量得到提高，同时液压成形还能减少成形工序；( 3 ) 由于液体代替了凸模或凹 模，使得模具费用降低，从而降低了加工成本；( 4 ) 由于液体代替了凸模或凹模， 减少了模具之间的磨损，使得模具寿命提高；( 5 ) 制模时间和换模时间缩短，因 而特别适合于小批量零件的加工生产。 板材成对液压成形则是在单件液压成形基础上发展起来的又一新型板材成 形工艺，它不仅具有单件液压成形的优点，而且由于它能够一次成形两个零件， 使得其成形效率大大提高，同时也节省了设备并进一步缩短了制模时间，特别适 合于箱体型零件的生产。 1 2 液压成形的基本概念及分类 所谓液压成形是指利用液体传力介质( 水、油或其它介质) 来代替凸模或凹 模，使坯料在介质压力的作用下贴合凹模或凸模而成形的一种塑性加工工艺。按 照加工对象的不同，液压成形技术可以分为管材液压成形、板材液压成形以及液 压胀球。板材液压成形按照液压取代形式的不同又可分为两大类型：液体代替凹 模( 如图1 - 1 ( a ) ) 和液体代替凸模( 如图1 - 1 ( b ) ) 。液体代替凹模时，钢性凸 模将板材压入液压室，板材在液压的作用下紧贴凸模而成形；液体代替凸模时， 则是板材在液压的作用下直接被压入凹模，并紧贴凹模而成形。在板材成形过程 中，根据液体在板材成形时的特征不同，板材液压成形又可以分为液体静态成形 广东工业大学t 学硕士学位论文 ( a ) 液体代替凹模( b ) 液体代替凸模 图1 - 1 板材液压成形示意图 f i 9 1 1s k e t c hm a po fs h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n g ( h y d r o s t a t i cd e e pd r a w i n g ) 和液体动态成形( h y d r o d y n a m i cd e e pd r a w i n g ) 1 1 0 对液体静态成形，除了部分液体从调节压力的溢流阀中流出外，没有其它的泄漏； 而对液体动态成形，在板材成形过程中，部分液体将从板材与模具之间的缝隙中 流出，呈现出动态的特征。本文设计中采用的液压成形形式属液体静态成形，液 体代替凸模。 1 3 液压成形的发展历史 液压成形开始于十九世纪末期，当时主要用于管件的成形，由于相关技术 的限制，在以后相当一段时间内，管材液压成形只局限于实验室研究阶段，在工 业上并没有得到广泛应用。板材液压成形由管件液压成形引申而来，最初出现的 形式是橡皮膜液压成形【2 1 ，即在成形过程中有一个橡皮隔膜将液体介质与板料隔 开。美国、德国和日本相继于五、六十年代开发出了橡皮囊液压成形技术。橡皮 囊液压成形的优点是设备成本低，且能避免污染，但是橡皮囊易损坏需经常更换， 并且成形时需很高压力以消除法兰部位的起皱，在实际应用中受到一定限制。为 此，人们开始探索能够不用橡皮囊的新的液压成形方法。日本学者保日春男首先 对此进行了改进，开发出了对向液压拉深技术。随后欧、美等国家也相继开展这 方面的工艺研究及设备的开发工作。对向液压成形技术中，液体直接作用在板料 上，法兰处也不用密封，液体在高压作用下强行从板料与液压室平台之间流出， 形成了“流体润滑状态”，从而大幅度地减小了板料与液压室之间的摩擦，提高 了板料成形极限。如果成形时在法兰处采用密封圈并使液压室形成密封状态，则 称之为液压机械拉深。1 9 6 7 年，德国s m g 公司提出此种技术【3 】。由于在成形过 程中，液体无法从法兰处流出，不能形成流体润滑状态，液体压力靠溢流阀来调 第一章绪论 节。一般地，对于曲面压边圈或凹模圆角处难于形成密封状的形状，可以采用此 种方法。板材液压成形技术在九十年代后得到人们的重视和大力研究。九十年代 以后，汽车制造业迅猛发展，汽车车身覆盖件的形状日趋复杂，加之又大量采用 铝、镁等质量较轻、但塑性较差的新材料，使得人们将注意力转向了板材液压成 形技术。板材液压成形具有传统板材成形方式无法比拟的优越性，它不仅可以成 形形状复杂的零件，而且加工出来的零件精度提高，表面光洁度得到很大改善， 同时加工成本又大幅度降低。板材液压成形技术中，液体代替凹模的形式得到人 们较多的研究，面液体作凸模的形式由于成形时没有摩擦保持效果，且板料流动 不易控制，因此，对于此种形式研究较少。 到了九十年代后期，德国有关学者提出了一种板材成形新工艺板材成对 液压成形，并在这时人们开始对液体作凸模的形式进行了一些研究，同时进行了 相关实验。板材成对液压成形时，先将两块板料叠放于上下凹模之间，充液预成 形后将板料边缘焊接，再次充入高压液体，使其贴模成形，如图1 2 所示。这种 成形属内高压成形，因此又称为板材内高压成形，简称h b u 成形( h o c h d r u c k - - b l e c h - - u m f o r m u n g ) 【4 】。但这种形式是靠板料变薄来成形的，对于上下型腔不 一致的成形，上下板料的变薄情况也不一样，因此可考虑采用非焊接的形式，但 如果两块板料直接接触，由于摩擦的作用，两块板料成形对还会相互影响，鉴于 此种情况，德国学者提出改进，在中问加了一块隔板以减小相互的影响，如图 1 3 所示。这种工艺尤其适用于形状复杂、尺寸多变的大型板材零件生产。目前 国内外所进行的研究还只是针对上下凹模相同的情况，且处于实验室研究阶段， 对于上下凹模不同的情况还没有涉及，需要进一步研究。 图1 - 2 板料成对液压成形 f i g l 一2s h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n gi np a i r s 广东工业大学工学硕士学位论文 图卜3 加隔板的板材成对液压成形 f i gl 一3 s h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n gi np a i r sw i t hi n t e r m e d i a t ep l a t e 1 4 国内外液压成形研究及应用情况 国外对液压成形的研究较早，美国、德国和日本等国家于上世纪五十年代就 开始对板材液压技术进行研究，并逐步开发出了充液拉深技术、充液变薄拉深技 术、液压机械拉深技术、周向液压充液拉深技术等技术，并开发出了相应的设备 用于工业生产。在上世纪9 0 年代初期，日本丰田公司就建成了以大型充液拉延 设备为中心的冲压自动生产线。日本的m i t s u o k a 公司己采用液压成形技术生产 出汽车的前挡板和防泥板，如图1 - 4 和图1 5 。同时国际上其它大型汽车制造公 司，例如宝马、奔驰等也将液压成形技术应用于汽车零件的生产。 图1 - 4 液压成形加工的前档板和防泥板 f i g l 一4f r o n tb o a r da n df l a s hb o a r dp r o c e s s i n gb yh y d r o f o r m i n g 4 第一章绪论 相对于国外来说，国内对于液压成形的研究较晚。上世纪九十年代后，国 内众多高校开始对液压成形进行研究，例如哈尔滨工业大学、燕山大学、华南理 工大学、上海交通大学等分别对液压成形进行了理论分析和实验研究，总结了不 少液压成形的数据和经验，但是对板材成对液压成形的研究相对较少，处于最初 的探索阶段。 1 5 研究的意义及主要内容 板材成对液压成形是在板材单件液压成形基础上发展起来的一种很好的柔 性加工新工艺。与传统的成形工艺相比，如果要成形油箱之类的箱体零件，传统 的拉深工艺需要两套模具，而成对液压成形只需要两个凹模即可；与传统的液压 成形技术相比，若要同时将油箱上下两部分成形，传统液压成形技术需要两台液 压机，而成对液压成形技术只需要一台即可。因此无论是从加工成本还是从成形 效率来看，成对液压成形技术都优于其它技术。因此板料成对液压成形技术有相 当的应用前景。 本文主要的研究内容： ( 1 ) 从理论上分析板材成对液压成形时的工艺特点并进行力学分析，包括 其应力应变的分布、厚度的分布等； ( 2 ) 针对具体零件设计出板材成对液压成形装置，包括模具本身以及密封 系统、液压系统等： ( 3 ) 通过对板材胀形的实验与模拟，并对有限元软件的使用进行深入分 析，探索出一种板材成对液压成形的有限元模拟方法； ( 4 ) 通过对摩托车油箱成对液压成形有限元模拟，分析成形过程中几个重 要工艺参数对于成形质量的影响，包括摩擦系数、压边力与油压加载 关系、坯料尺寸等，优化其成形工艺。 广东工业大学工学硕士学位论 第二章板材成对液压成形装置设计 2 1 板材液压成形力学特点 板材成对液压成形是胀形和拉深相结合的一种塑性工艺【5 】。液压成形时，法 兰处和中间处发生塑性变形，中间处是主要变形区。法兰处的变形与普通拉深相 似，处于径向拉深和环向压缩的受力状态，径向拉深使板材变薄，而环向压缩则 使板材增厚。对于轴对称件的成形，离凹模中心距离越大时，环向压应力越大， 距离越小时，径向拉应力越大，因此，越靠近法兰边缘处，板材的厚度越大。在 板材中心及附近区域处，板材处于纯胀形状态，受双向拉应力作用，即受到径向 拉应力和环向拉应力作用。从上面分析来看，板材中心到法兰边缘，环向应力状 态由受拉变为受压，因此在板材中间必然存在环向应力为零的区域，以此为分界 线，到法兰边缘处，板材为拉深变形；到板材中心处为胀形。 2 2 板材液压成形力学分析 板材成对液压成形时，其上下两块板材的成形机理相同，因此可对其中一块 板材进行力学分析。以圆台形零件为例，在成形过程中，板材在液体压力作用下 产生拉伸变形，同时法兰边向型腔内流动，即板材产生的是拉深一胀形复合塑性 变形，其受力情况如图2 - 1 。根据2 1 所述力学特点，先进行分界线与外边缘区 r 肜 7 八) 川。 心对麟 i u i 御删 图2 - 1液压成形时板材的应力图 f i g2 - 1 s t r e s sm a po fs h e e ti nh y d r o f o r m i n g 6 - 第二章扳料成对液压成形装置设计 域之间的力学分析。这一区域的变形和受力情况与普通拉深相同，其在液体压力 作用下引起的板材侧壁的拉应力沿圆周方向的分布是均匀的，其数值大小应能引 起法兰区的塑性变形。拉应力的数值，除了克服变形区的变形阻力、变形区上下 表面与压边圈表面和凹模表面之间的摩擦阻力外，还必须克服毛坯在凹模圆角表 面滑动时的摩擦力以及毛坯在凹模圆角区内弯曲变形所形成的弯曲阻力。为克服 上述各种阻力所必需的拉应力p 应该为1 6 j ： 口坚 p 2 去气t + 巳) e 2+盯w(2-1) 式中p 在对称轴方向上液体作用于板材上的合力； 盯，使拉深变形区产生塑性变形所必需的径向拉应力，其大小决定于 板材的机械性能与拉深时的变形程度； 仃。克服由于毛坯与压力圈以及和凹模表面之间的摩擦力所引起的 成形阻力所必须增加的拉应力部分，其值大小为吒= 警，q 为 压边力； 口。克服毛坯在凹模圆角区范围内产生的弯曲变形阻力而必须增加 的拉应力部分； e t 考虑毛坯沿凹模圆角表面滑动时产生的摩擦阻力的系数； 口摩擦系数。 ( ：r , r e t t + d ( c r r r c t t ) 图2 - 2 法兰区应力分析 f i g2 - 2a n a l y s i so fs t r e s s i nt h ef l a n g e 广东工业大学工学硕士学位论 由于8 掌一1 + 譬m 1 + 1 6 ，代入上式可得 p 2 ( 盯，+ 0 0 ) ( 1 + 1 6 ) 十盯。 ( 2 2 ) 从拉深变形区内截取夹角为搿的扇形部分，如图2 - 2 。宽度为d r 的条状扇形体 的平衡条件是 o r a r t + d h r 甜) 一c r r r t 期t + 2 a t at s i n 罢d r = o ( 2 - 3 ) 由于所取夹角口很小，所以s i n 詈4 詈代入2 3 式有 r d 盯，+ ( 盯，+ 盯目) d r = 0( 2 - 4 ) 根据塑性条件有 盯，十= 届t ( 其中b 是考虑到中间主应力影响 的系数，可近似地取b = 1 1 ，吒为屈服应力) 则有 t + 2 1 1 盯， ( 2 5 ) 将上式代入( 2 4 ) ，有 d ( 7 ，= - i 1 。s i d r ( 2 - 6 ) 积分可得 盯，一l r dir(2-7) 盯。= 一1 1 0 s l n r + c ( 2 8 ) 当r = r 时( r 为法兰外边缘处半径) ，在毛坯变形区外边缘的自由表面上径向 拉应力的数值为零，即在r = r 时，o r ，= 0 ，代入上式可得 c = 1 1 0 r s l n r 将c 值代入( 2 - 8 ) ，即可得到拉深变形区内各点上径向拉应力的计算式 叫1 咖簧 ( 2 _ 9 ) 再根据( 2 - 5 ) 式与( 2 - 9 ) 式，可求得拉深变形区内各点上切向应力 盯口= 1 1 d ：( 1 一l n 簧) ( 2 1 0 ) 第二章板科成对液压成形装置设计 根据式( 2 9 ) 与( 2 - 1 0 ) 计算所得的变形区内径向应力与切向应力的分布，其 分布图如图2 - 1 ，从图中可以看出法兰处的径向拉应力在边缘处为零，然后随着 半径的减小其值逐渐增大。因此在变形时，随着变形的深入，法兰半径减小，所 需的拉深力减小。切向拉应力的变化与径向拉应力相反，在外边缘处其值最大， 随着半径的减小而逐渐减小。 分界线以内板材的受力情况和变形特点较为复杂。在板材的中心处，板材的 受力状况为双向受拉，即径向和纬向都受拉应力作用，其成形机理为胀形。根据 液压胀形的特点，可得出分界圆以内的板材的应力为【1 7 】： 旷譬 ( 2 _ 1 1 ) 其中p 为液体的瞬时压强 r 为板材的瞬时曲率 t 为板材的瞬时厚度 2 3 成形所需液压计算 成形所需液压与板材性能及所成形零件的特征尺寸有关，根据液体与零件 相互作用区域的平衡条件可推导出变形时所需的液体压力。推导过程如下： 设凹模型腔圆角半径为r ，设板材屈服应力为盯，厚度为t ，设液体压强为 p ，当板材发生塑性变形时，根据平衡条件，由图2 - 1 可得： ps = 吒2 删 ( 2 1 2 ) 其中s 为凹模型腔截面面积，这里s = 2 ，则成形所需最小液体压力为： p ：兰型 ( 2 1 3 )2 ! 一t 一o j 在板材材料和厚度确定的情况下，液体压力的大小与零件的圆角半径大小成 反比。本文中所成形零件采用0 8 a l 钢，料厚为0 8 m m ，t 为1 8 0 m p a ，圆角的最 小半径为：r = 5 m m 。因此可算得成形时所需的液体压力为： p = 2 以t r = 2 1 8 0 0 8 5 2 5 7 6 m p a 广东工业大学工学硕十学位论 2 4 成对液压成形装置设计 2 4 1 零件的选择 成对液压成形对于成形容器型零件非常有利，因此在选择零件时首先应该考 虑容器型零件，同时为体现液压成形在成形复杂零件方面的优势，所选择的零件 应该比较复杂，采用传统的工艺加工较为困难。根据上述原则，摩托车油箱成为 最合适的零件，如图2 3 。此油箱为豪迈牌女式摩托车油箱，具有较为复杂的形 状，采用常规工艺较为困难，因此适合于采用板材成对液压成形技术。图2 - 4 为 此油箱的c a d 造型图。 图2 3 豪迈牌女式摩托车油箱 f i 9 2 3 h a o m a il a d ym o t o r b i k et a n k 第二章板科成对液压成形装置设计 图2 4 摩托车油箱造型图 f i 9 2 4m o d e l i n go fm o t o r b i k et a n k 2 4 2 总体结构设计 此成对液压成形装置主要由三部分组成：上凹模、注油板( 中间隔板) 、下 凹模。上凹模成形摩托车油箱的上壳部分，下凹模则成形其下壳部分，注油板位 于两凹模之间，起着压边圈的作用并分别向两凹模注入高压液体，结构如图2 5 所示，其装配三视图如附图l 。对于模具的升降，装置中采用了类似于注塑机二 级分模机构的提升机构，通过此机构可分别将上凹模和注油扳提起或放下。成形 过程大致如下：当成形时，首先将上凹模提升到一定高度，并通过拉杆再将注油 板也提升一定高度，以便使两块板材能分别放置于上凹模与注油板之间和下凹模 与注油板之间。待两块板材放置好后，再依次降下注油板和上凹模，并在上凹模 作用一定的压力以形成合模力。通过中间的注油板分别向两个凹模注入高压油。 两块板材在高压油的作用下分别被压入凹模型腔，并紧贴凹模型腔而成形。待成 形完毕后，上凹模通过液压机被提起，上升到一定距离后( 此距离需大于成形零 件的高度) ，再通过拉杆将注油板也提起到一定高度( 此距离需大于成形零件的 高度) ，便可将上下两个零件取出，从而完成一次成形a 广东工业大学工学硕士学位论 ( a ) ( b ) 图2 - 5 成对液压成形装置结构示意图 f i g2 - 5s t r u c t u r eo fs h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n gi np a i r s 2 4 3 上凹模设计 如图2 - 6 为摩托车油箱上壳的p r o e 造型图，图2 7 为上凹模p r o e 造型图。 第二章板料成对液压成形装置设计 由于此凹模体积较大，若外全部采用较昂贵的模具材料，势必会造成材料的浪费 和成本的增加，因此可将此凹模分为两大部分制造，每部分根据要求采用不同的 材料，加工完成后通过螺钉联结。附图2 为其三视图，图中工作台面以下3 0 r a m 部 分采用t i o a ，而其余部分则采用4 5 t 1 钢即可，这样避免大量使用昂贵的模具材 料，大大节省了制造成本。 图2 - 6油箱上壳造型 f i 9 2 6m o d e l i n go ft a n k su p p e rc o v e r 图2 7 上凹模造型 f i g2 - 7m o d e lo fu p p e rd i e 1 3 广东工业大学工学硕士学位论 2 4 4 下凹模设计 图2 - 8 和2 - 9 图分别为摩托车下底壳的p r o e 造型图和下凹模的p r o e 的造 型图，同上凹模一样，下凹模也采用分层制造的方法，上层采用t i o a ，下层采 用4 5 9 ，附图3 为其三视图。 图2 - 8油箱下壳造型 f i 9 2 8m o d e l i n go ft a n k 7 sl o w e rc o v e r 图2 - 9 下凹模造型 f i g2 - 9m o d e lo fl o w e rd i e 一1 4 第二章板料成对液压成形装置设计 2 4 5 注油板结构设计 成形时，注油板起到压边圈的作用，同时通过注油板向上下凹模提供高压油 液。为了能建立起足够的压强，板材和注油板之问必须形成密封状态，因此注油 板上须开设密封沟槽以安装密封圈。密封沟槽的轮廓与凹模型腔轮廓相似，如图 2 1 0 所示，同时将注油板右侧延长l o o m ，以便放置增压缸。附图4 为注油板三 视图。 图2 一1 0 注油板造型 f i9 2 1 0m o d e lo fi n j e c t i n go i1p l a t e 2 5 密封系统设计 在液压成形过程中，由于需要很高的液压，因此密封系统的设计非常重要， 如果密封系统不合适，则不能产生成形所需要的压强。因此，密封系统的设计在 液压成形装置设计中是一个关键环节。由于成形过程中所需要的液压达到了 6 0 m p a ，压强非常高，因此，本文采用组合密封的形式。 2 5 1 组合密封的原理【8 】 组合密封通常由一个聚四氟乙烯制造的主密封环和一个辅助弹性密封元件 组成，属接触型自紧式密封。弹性密封元件一般采用0 形圈，安装时，主密封环 和弹性体密封环放置于同一沟槽中，并给弹性密封环一定的压缩量。由于弹性密 封环受压缩产生的初始应力作用在聚四氟乙烯环上，既阻止了低压流体可能通 厂东工业大学工学碗士学位论 过，同时通过主密封环把接触力传递到主密封环与金属接触表面之间的通道，起 到初始密封的作用。当密封压力增加时，流体压力把0 形密封环推向低压侧，与 槽壁紧密接触。在高压流体作用下，0 形圈发生变形，并挤压四氟乙烯主密封环， 使主密封环与金属表面的接触应力增加。流体的压力越高，挤压应力也就越大， 以此达到自紧式密封的作用。 2 5 2 组合密封的特性 聚四氟乙烯材料具有耐油、耐压、耐磨的特点，同时还有摩擦系数小、自 润滑性的优点，因此组合密封常采用聚四氟乙烯。同时组合密封又充分利用了弹 性0 形圈的自紧式密封的优点，这使得组合密封具有以下独特的优点： ( 1 ) 结构简单、紧凑； ( 2 ) 有极好的耐磨性，使用寿命长。如果在聚四氟乙烯中填充青铜粉、玻纤、 石墨、二硫化铝等材料，其耐磨性可比纯四氟乙烯提高1 0 0 倍； ( 3 ) 不损伤密封对偶元件。四氟乙烯与其它金属对磨时，磨下的微粒粘附于金 属微粗糙的表面，最后形成四氟乙烯与四氟乙烯之间的摩擦，保护了金属 表面； ( 4 ) 密封性能好。 2 5 3 组合密封的设计 密封组合大多用于液压缸密封，其横截面结构如图2 - 1 1 ，安装形式为图 2 1 2 。但液压成形所需密封形式不同于液压缸密封，因此在用于液压成形的密封 一一下 图2 - 1 1组合密封横截面结构 f i 9 2 1 1 t h ec r o s s s e c t i o no fb u i l t u ps e a l i n g 时，其安装形式需要改变，但其密封原理仍然不变。本文采用聚四氟乙烯环与0 形圈组合，其截面结构如图2 - 1 3 ，此种密封结构又称斯特封，耐压程度达6 0 m p a 。 第二章板料成对液压成形装置设计 安装形式上聚四氟乙烯环置于0 形圈之上而不是之内，如图2 1 4 所示。 图2 一1 2 组合密封安装形式 f i 9 2 1 2 t h es e t t i n gs t r u c t u r eo fb u i l t u ps e a l i n g 图2 - 1 3 板材液压成形密封槽截面图 f i 9 2 1 3c r o s s 。s e c t i o np i c t u r eo fs e a lg r o o v ei ns h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n g i np a i r s 图2 1 4 板材液压成形密封圈安装示意图 f i 9 2 - 1 4s k e t c hm a po fs e t t i n gs e a l i n gr i n g i ns h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n g l np a l r s 1 7 广东工业大学工学硕士学位论 2 6 成形设备的选择 2 6 1 模具受力分析 成形过程中两个凹模和压边圈的受力情况如图2 - 1 5 。其中f 。为液压机对上 凹模的作用力，即合模力；f ：为油液对上凹模的作用力；f ，为注油板对上凹模的 作用力。f z l 为油液对注油板向下的作用力，其大小f 。相等；r 为上凹模对注油 l 上1 2 。r r j re r 1 f 2 霄 j l f d f f ： 图2 1 5 成形过程中模具受力示意图 f i 9 2 1 5f o r c ed i a g r a mo fd i ei np r o c e s s 板的作用力，大小与r 相等：r 为油液对注油板向上的作用力；r 为下凹模对注 油板的作用力，f 。+ 为油液对下凹模的作用力，大小与f 。相等；f 。为注油板对下 凹模的作用力，大小与f 。相等；f b 为液压机对下凹模的作用力。 从图中看到上凹模受到合模力、油压反作用力和压边圈反作用力的共同作 用，而压边圈反作用力与压边力大小相等，这里有f 产f 2 + f 3 。上凹模型腔的最大 截面积s 为5 2 2 0 6 m m 2 ，下凹模型腔的最大截面积为4 9 3 0 5 m m 2 。因此成形过程中油 压对凹模的最大作用力为f = p s = 5 2 2 0 6 5 7 6 = 3 0 0 7 0 6 5 6 n 。假定板材为边长 4 0 0 m m 的正方形，则板材总面积为1 6 0 0 0 0 m m 2 ，设压边圈所施加于板材上的平均压 强为3 o m p a ，则所需压边力为f = 3 2 3 3 8 2 o n ，因此总的合模力为：f = 3 3 3 0 4 4 7 6 n 。 2 6 2 压力机行程 装置闭合时的总高度为上、下凹模和注油板高度以及板材厚度之和，为 第二章板科成对液压成形装置设计 3 0 7 r a m 。开模时的高度应大于模具高度和成形后零件高度之和，模具和零件的总 高度为4 8 2 m m ，取为5 0 0 m m ，则压力机行程为1 9 5 m m 。根据以上数据选取四柱万能 液压机，其具体参数如下表2 1 ( 9 j ： 表2 - 1四柱液压机具体参数 技术参数 活动液 横梁体 公称滑块项出 工作台尺寸苴 工作行 至工工 型号后左右距地 程速度 作台作 匡直行程直 直廑 k n衄 k n 掰，竹s 最大压 m m 里瞳直 唧m p a y 3 2 5 0 05 0 0 09 0 0 1 0 0 01 4 0 0 1 4 0 01 01 5 0 02 5 2 7 液压系统设计 在成形过程需向两个凹模注入高压油同时还要控制成形过程中油液压强， 因此需单独设计一套液压系统作为成形时的供油系统，液压系统如图2 1 6 所示。 图2 1 6 液压系统示意图 f i 9 2 1 6h y d r a u l i cs y s t e mo fd i a g r a m a t i cs k e t c h 1 一滤油器2 一液压泵3 一电机 4 一溢流阀5 一油压表 6 一三位四通电磁换向阀7 一增压缸 8 一注油板9 一单向阀 6 5 4 3 当需要注入液体成形时，2 d t 动作，通过液压泵直接向注油板输入高压油， 在成形后期需要进一步升高液体压强时可使1 d t 动作，通过增压缸向注油板输 入高压油。增压缸的采用降低了对液压泵的要求。由于成形所需的液压较高，一 般要使用较昂贵的高压泵，而增压缸的采用使得一般的液压泵即可产生很高的油 压，从而节约了液压系统成本。单向阀的作用是防止增压缸输入油液时产生回流。 广东工业大学工学硕士学位论文 第三章板材有限元模拟理论 3 1 概述 板材成形广泛应用于汽车制造、航天航空、仪器仪表等领域。从力学角度来 看，板材成形是一个包括几何、材料、边界等多种非线性问题的复杂的力学过程。 以前人们多采用解析法来进行模拟，但误差较大。随着计算机的发展和应用，再 加上有限元技术的成熟，使得板材成形的计算机模拟在产品设计制造中发挥着越 来越大的作用。 从6 0 年代末以来，国际上已兴起了薄板成形仿真的研究热潮，但早期的研 究都集中在二维和轴对称情况下的分析，分析的问题都是类似于半球冲头胀形或 平底圆形冲头拉深这样的简单问题，分析方法都是基于薄板理论( 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，对于复杂薄板件尚不能进行分析。 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。根据材料本构关系的不同，有限元方法有弹塑性有限元 法、刚塑性有限元法和黏塑性有限元法等。黏塑性有限元法适用于应变速率敏感 性材料的体积成形分析或材料在高温下的成形分析。刚塑性有限元法采用小变形 条件下的计算方法来处理大变形问题，其计算模型简单，用较短的时间就可以计 算大变形问题，主要用于板材胀形、冲孔等成形过程，但是刚塑性有限元法计算 时忽略了弹性变形，因而在模拟要考虑弹性变形的成形时，如弯曲变形、回弹等， 刚塑性法就无能为力了。弹塑性有限元则能解决这种问题，因此在板材冲压成形 仿真中应用最为广泛的是弹塑性有限元法。弹塑性有限元采用应力、应变增量来 求解，既可进行加载过程分析，又可分析卸载过程，包括计算残余应力、应变和 回弹。但是，采用弹塑性有限元法时为保证解的精度和收敛性，每次加载不能使 很多单元同时屈服，这就使得每次计算的变形量不能太大，计算大变形时，时间 较长。 3 2 材料屈服理论 早期的冲压仿真中，冲压材料大多被视为各向同性材料，采用v o n m i s e s 屈 服准则10 1 ，即当点应力状态的等效应力达到某一与应力状态无关的定值时，材料 第三章板材有限元模拟理论 就屈服。其表达式为： o 一- = o s = 圭 ( 吒一巳) 2 + ( q 一盯：) 2 + ( 吒一q ) 2 + 6 ( 2 + + r 三) 】 ( 3 1 ) 其中o x 、盯，、4 9 ：为该点的三个正应力，如、t y z 、为该点的三个切应力。 在平面应力状态下，v o nm is e s 屈服准则可表示为： 盯2 盯：+ 一一一e + 3 弓 ( 3 2 ) 但是在实际成形中，板材的塑性状态是各向异性的，于是h i l 于1 9 4 8 年首 先提出了一个二次屈服函数来描述正交各向异性( o r t h o t r i p i ca n i s o t r o p y ) 材 料的塑性行为。h i l l 假设材料在每一个质点上存在三个各向异性的平面，其平 面的相交线构成三个相交的主轴1 ，2 ，3 ，相应的屈服函数为： f ( o 2 2 - c r 3 3 ) 2 _ g ( o 3 3 一盯1 1 ) + h ( 盯l i 一盯2 2 ) + 2 l ( r 2 2 2 + 2 m o 3 1 2 + 2 n a l 2 2 - i = 0 ( 3 3 ) 其中：f ，g ，h ，l ，m ，n 是决定于材料在三个方向的拉伸屈服应力和剪切 屈服应力常数。在平面应力状态下，此屈服准则可表示为： ( 3 4 ) 但是h i l l 模型在分析计算多晶体塑性材料时出现困难，为了更有效并准确 地分析多晶体材料，b a r l a t 等人于1 9 9 1 年提出了一种形式化方法来描述多晶体 材料的屈服准则，平面应力下屈服准则可表示为： f = a ik 。+ 七2 r + 口旧- k 2 “+ ( 2 一口) 1 2 屯”= 2 c r( 3 5 ) 式中：华；扣1 f 写 - - h 豆o r 面2 2； 。= z z i 赢r o t 9 。；一= 跞 x ，y 分别表示板材轧制方向和与轧制方向相垂直的方向，口， ，p 是描述塑 性各向异性的材料系数，盯是沿轧制方向的等效应力，对于晶体结构为体心立方 结构( b o