（材料加工工程专业论文）拉深筋的力能特性的实验研究.pdf

摘要 摘要 板材成形是材料加工技术中的重要分支之一。随着工业和经济的发展， 板材成形件的形状和尺寸精度的要求日益提高。拉深筋作为控制板材成形 的重要手段，r 益受到广大学者和生产厂家的重视。目前有关拉深筋的研 究工作已经取得了一定的进展，但有关板材在拉深筋中的变形机理方面的 研究还有待于进一步加强，对于拉深筋对扳材后续成形影响的研究尚十分 欠缺。 本文设计并制做了拉深筋模拟实验装景、开发了基于l a b v i e w 测试软 件平台的实验测试系统。对板材通过拉深筋的过程进行了实验研究。分析 了各力能参数在板材成形过程中的变化规律，在大量实验的基础上总结了 半圆形拉深筋、方形拉深筋和双拉深筋的结构参数( 高度、圆角半径等) 与 拉深筋阻力、压筋力和上浮力的关系，并利用无摩擦拉深筋实验装置研究 了摩擦阻力在拉深筋中的作用。 本文在上述工作的基础上，进一步系统地研究了板材通过半圆形拉深 筋、方形拉深筋、双拉深筋和无摩擦拉深筋后的减薄量及其与拉深筋结构 参数问的关系，为拉深筋的设计和调整提供了理论依据。 关键词板材成形：拉深筋：实验研究；数据采集；板厚 燕山人学i ：学硕士学位论文 a b s t r a c t s h e e tf o r m i n gi so n eo ft h ei m p o r t a n tb r a n c h so fm a t e r i a lp r o c e s s i n g a s i n d u s t r ya n de c o n o m yd e v e l o p i n g ，t h es h a p ea n dd i m e n s i o np r e c i s i o no fs h e e t m e t a lp a r tm u s tn e e dh i g h e rd e m a n d a sai m p o r t a n tm e a n so fc o n t r o ls h e e t f o r m i n g ，d r a w b e a di sf o c u s e do nb ym o r ea n dm o r es c h o l a r sa n dm a n u f a c t u r e s a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho nd r a w b e a dh a so b t a i n e ds o m ep r o g r e s s ，b u tt h es t u d y o ff o r m i n gm e c h n i c so fd r a w b e a dn e e d e dt ob ei m p r o v e d ，a n dt h es t u d yo i li t s e f f e c t i o no ns u b s e q u e n tf o r m i n go fs h e e tm e t a li sd e f i c i e n t i nt h i s p a p e r ，a u t h o rd e s i g n n o r m a ld r a w b e a de x p e r i m e n t a l f i x t u r e ， n o f r i c t i o nd r a w b e a de x p e r i m e n t a lf i x t u r ea n dh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m d e v e l o p e x p e r i m e n t a lm e a s u r es y s t e mb a s e do nl a b v i e w t h er e s e a r c ho nt h ef o r m i n g p r o c e s so fs h e e tm e t a lt h r o u g h td r a w b e a di sc a r r i e do u t t h ec h a n g eo f m e c h a n i c a lp a r a m e t e r si sa n a l y s e d b a s e do np l e n t i f u le x p e r i m e n t s ，t h ep a p e r g e n e r a l i z e d t h er e l a t i o nb e t w e e nt h em e c h a n i c a l p a r a m e t e r s ( d r a w b e a d r e s t r a i n i n gf o r c e ，f o r m i n gd r a w b e a df o r c ea n dh o l d i n gb i n d e rf o r c e ) a n dt h e g e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s ( h e i g h t ，r a d i u sa n ds oo n ) o fs e m i c i r c l ed r a w b e a d ， r e c t a n g l ed r a w b e a d ，d o u b l ed r a w b e a da n dn o - f r i c t i o nd r a w b e a d 。t h e n ，t h e e f f e c t i o no ff r i c t i o nr e s t r a i n i n gf o r c ef o rd r a w b e a di sr e s e a r c h e dw i t hn o f r i c t i o n d r a w b e a df i x t u r e b a s e do nt h ew o r ka b o v e ，t h et h i c k n e s sr e d u c t i o na n dt h er e l a t i o nb e t w e e n t h et h i c k n e s sr e d u c t i o na n dt h eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so fd r a w b e a da r e r e s e a r c h e ds y s t e m a t i l y g i v eam a s so ff o u n d a t i o n a ld a t a sf o rt h ed e s i g na n d a d j u s t m e n to f d r a w b e a d k e y w o r d s s h e e t m e t a lf o r m i n g ；d r a w b e a d ；e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ；d a t e a c q u i s i t i o n ；s h e e tm e t a lt h i c k n e s s i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文拉深筋力能特性的实验 研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究 工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人己发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字卅乡 日期：矽口，利夕日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 拉深筋力能特性的实验研究系本人在燕山大学攻读硕士学位期间 在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有， 本人如需发表将署名燕山大学为第完成单位及相关人员。本人完全了解 燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送 交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部 分内容。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密味 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：孑哆留 翩繇签森 日期：h 力f 年，月”日 日期：加。占年朋，月 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 拉深筋是板料冲压成形模具中的重要组成部分。对于诸如汽车覆盖侔 等复杂及难成形零件，其在成形过程中板料各变形区间的成形条件存在很 大的差异，各部分的成形需要不同的边界条件“j ，同时零件各部分在成形过 程中又是相互影响的。因而对于复杂零件的成形在设计工艺及模具时，必 须设置一定的控制手段，以便能对毛坯各部分的成形条件加以控制和调整。 设置拉深筋便是一种简单易行，应用广泛的控制手段。 复杂及难成形零件冲压模具的制造过程大体可分为三阶段，即设计阶 段、制造阶段和试模阶段。在设计阶段主要完成成形工艺计算和模具型腔 设计，由于受现有技术水平的限制，此时对拉深筋仅能依赖技术人员的经 验作初步设计。在完成模具制造进入试模阶段后，再依据实际成形情况对 拉深筋进行反复修磨，使之能够提供板料各变形区所需的成形条件。目前， 轿车覆盖件成套模具的设计周期一般为2 3 个月，而试模周期往往需3 - 6 个 月，甚至更长时间。可见，拉深筋的设计与调整是复杂成形零件拉深工艺 设计和实现中的两个重要环节批“。拉深筋形状尺寸及工艺条件是拉深筋阻 力、压筋力和夹持力主要决定因素，而如何设计拉深筋则取决于零件的成 形条件。随着板料成形零件复杂程度和难度的不断提高，如何正确合理地 设计和调整拉深筋已成为模具设计和制造技术中的关键点和难点。 当前有关拉深筋的研究工作已逐步成为板料成形领域中的热点之一。 但与拉深筋的工程应用相比，拉深筋的理论研究偏于薄弱。其主要表现为 尚无成熟的拉深筋设计理论和方法，拉深筋的设计和调整几乎完全依赖于 技术人员的经验。有关的研究工作主要集中在拉深筋的定性分析及计算方 面。目前人们对拉深筋的阻力及影响因素己进行了较多的研究，并提出了 多种拉深筋阻力的计算方法。但有关拉深筋设计及调整方法的研究却十分 欠缺。尤其是尚无依据板料成形条件进行拉深筋形状及尺寸设计的理论和 燕山大学工学硕士学位论文 方法，这一状况严重的阻碍了板料成形工艺及模具制造技术的发展。 随着我国加入w t o ，近年来机械行业得到了长足的发展，其中尤以汽 车工业最为令人瞩目。作为机械行业，尤其是汽车行业的支柱产业，模具 工业面临着巨大的机遇与挑战。模具设计方法的理论化，模具制造技术的 科学化，是模具工业发展的必然趋势。针对模具设计及制造中的关键问题 拉深筋的设计调整方法进行深入研究，提出拉深筋设计的理论方法， 开发相应的设计手段，已成为当前模具工业所急需解决的问题之一。而在 汽车行业，以车身覆盖件为代表的大量复杂零件多由空间自由曲面构成， 这些零件冲压成形的影响因素是多方面的、相互制约的，涉及到车身造型、 覆盖件设计、冲压工艺、模具设计、模具制造、模具接触条件、材料性能、 润滑、设备、生产管理等，需加以综合考虑。拉深筋作为其中一项重要的 因素，在许多复杂零件的冲压成形中起着举足轻重的作用。生产需要是推 动科技发展的源动力，随着曰渐受到的广泛关注，拉深筋技术必将在生产 实践中得到进一步的发展，从而更好地服务于生产实践。 1 2国内外发展概况和本课题研究意义 1 2 1 拉深筋的介绍 拉深筋通常有两部分组成，即拉深筋本身和与之对应的凹槽( 如图1 1 所示) 。拉深筋作为改善成形性的一种有效方法，其作用机理如下：在成形 过程中，当板材通过拉深筋时，会在a 点、c 点、e 点附近发生弯曲变形， 在b 点、d 点、f 点发生反弯曲变形( 如图1 2 所示) ，反复的弯曲和反弯曲 变形所产生的变形抗力即为拉深筋的变形阻力；同时，当板材在a b 、c d 、 e f 段上滑动时，会因摩擦而产生摩擦阻力。拉深筋的变形阻力和摩擦阻力 之和即为拉深筋阻力。也有学者认为，拉深筋阻力还应该包括板料通过拉 深筋后由于应变强化而导致后续变形抗力增大所增加的变形阻力。 拉深筋阻力主要受拉深筋尺寸参数的影响。模具中设置拉深筋后，冲 压过程一般分两步完成：第一步，压边：在此过程中，为保证拉深筋的压 入，压边圈必须提供足够的压边力，成之为压筋力。压筋过程中，拉深筋 2 第1 章绪论 处板料的变形主要是弯曲变形，压筋力主要是克服板料的弯曲变形力；第 二步，压边结束后，凸模向下运动，进入拉深过程，此时当板料通过拉深 筋时，由于存在变形反力，会对压边圈产生向上的反作用力，因此，为保 证压边圈不上浮，压边圈还必须提供足够的压边力。而板料通过拉深筋时 产生的对压边圈的反作用力称为上浮力。 撇筋 图卜1 拉深筋的示意图 f i g 1 - 1s k e t c hm a po f d r a w b e a d 图1 - 2 拉深筋原理图 f i g 1 2d r a w b e a dw o r k i n gp r i n c i p l e 在拉深模具中设置拉深筋的主要作用有以下几个方面： ( 1 ) 增加板料流动阻力拉深筋阻力是由板料通过拉深筋时的弯曲和反 弯随变形力、摩擦力以及因变形硬化引起的变形抗力组成的。弯曲的反复 变形，这些变形所需要的变形力加上筋与板料表面的摩擦力都直接作用在板 料上，增加了板料流动的进料阻力。 3 燕山大学工学硕士学位论文 f 2 1 调节进料阻力的分布通过对拉深筋的位置、根数和形状的适当配 置，使拉深过程中流动阻力均匀，坯料流入模腔的量适合制件各处的要求， 从而调节材料的流动情况，增加坯料流动的稳定性。 ( 3 ) 提高零件表面质量可防止因凸缘周边材料不均匀流动造成的不可 避免产生的皱纹进入修边线内，减轻或消除大底角筒形件、球形件、锥形件 等零件中间悬空部分因材料集中发生的内皱现象。 拉深筋主要由拉深槛、单拉深筋、多重拉深筋三种配置形式( 如图1 3 ) 。 依据拉深筋的截面形状又可以分为半圆形拉深筋、方形拉深筋、三角形拉 深筋、梯形拉深筋和非对称形拉深筋等形式筋、三角形拉深筋、梯形拉深 筋和非对称形拉深筋( 图l - 4 ) 等形式。 匦嘲 图1 - 3 拉深筋的主要形式 f i g 1 - 3p r i m a r yf o r m so f d r a w b e a d 目目曰曰目 图1 - 4 拉深筋截面的主要形式 f i g 1 - 4t h eg r o s s - s e c t i o nf o r m so f d r a w b e a d 当板料通过半圆形拉深筋时发生三次弯曲和反弯曲过程，而板料通过 方形拉深筋时发生四次弯曲和反弯曲变形，因此，在相同的拉深筋结构参 数下方形拉深筋的阻力更大一些。 三角形拉深筋可以看作是半圆形拉深筋的一种变形。当圆角半径相同 4 第1 章绪论 时，两者产生的阻力基本相当。采用三角形拉深筋可以克服半圆形拉深筋 宽度( b = 2 r ) 上下一致的缺点，承受较大的弯矩和剪力，因此可以选用较小 的圆角半径从而获得较大的阻力。 梯形拉深筋是矩形拉深筋的一种变形，它同样克服了方形拉深筋宽度 上下一致的不足。同时，梯形拉深筋周长小于方形拉深筋，因此在相同筋 宽、筋圆角半径及筋高下，采用梯形拉深筋较方形拉深筋节约板材。丽梯 形拉深筋与三角形拉深筋相比，当圆角半径相同时其磨损较小。 非对称形拉深筋也可以看作是矩形拉深筋的另一种变形形式，采用这 种拉深筋的优点是可以在较大的范围内对拉深筋阻力进行调节。 可见，半圆筋和矩形筋是最基本的拉深筋结构形式。 多重筋一般用于大型零件的成形模具中，由于重筋的加工和调整比较 复杂，且采用重筋会加大毛坯尺寸，同时压边力也会大幅度上升，所以一 般只有单拉深筋不能满足阻力大小时才采用重筋。应当注意的是，重筋虽 可产生较大的阻力，但同时会使压边力也大幅度提高。 拉深筋凹槽可设计成闭式( 形状与拉深筋相匹配，如图1 - 5 ( a ) ) 或开式( 如 图1 - 5 ( b ) ) 。采用闭式凹槽，可强制板料的弯曲曲率与拉深筋相匹配，增加 变形阻力，这一作用在拉深筋高度较低时尤为显著。同时由于增加了摩擦 面，摩擦阻力也会明显加大。但闭式凹槽与拉深筋间的间隙对拉深筋阻力 有很大的影响，且难于控制和调整。因此闭式凹槽只适用于形状简单的拉 深筋，如半圆形或矩形拉深筋。通常情况下，拉探筋凹槽多采用开式，开 式凹槽结构简单，便于加工和调整，可适用于各种拉深筋形式。 图图 ( a )( b ) 图1 5 拉深筋凹槽的基本形式 f i g 1 - 5p r i m a r yf o r m so f d r a w b e a d sg r o o v e 5 燕山大学工学硕士学位论文 1 2 2 拉深筋的发展概况 拉深筋在板料拉深成形中应用虽已有较长的时期，但有关的研究工作 却始于7 0 年代末期。近年来随着冲压工艺的发展，冲压制件日趋复杂，作 为拉深工艺重要控制手段之一的拉深筋逐步成为拉深模具设计中的一个关 键环节。人们开始关注拉深筋，并着手对其进行理论和实验研究。目前有 关拉深筋的研究主要集中在以下几个方面。 1 2 2 1 拉深筋的工作机理及影响因素1 9 7 8 年美国通用汽车研究实验室 的 l d n i n e 最早在文献【5 】中对拉深筋的工作机理迸行了研究。h d n i n e 指 出拉深筋阻力及设置拉深筋后所需的压边力，包括板料在拉深筋中成形所 需的压筋力和板料通过拉深筋时由于对压边装置产生反作用力而所需的附 加压边力，是拉深筋的关键力能参数。并明确提出了拉深筋阻力由板料通 过拉深筋时因弯曲和反弯曲变形而产生的变形阻力和板料与拉深筋问的摩 擦而产生的摩擦阻力两部分组成。为分别研究板料变形与摩擦对拉深筋阻 力、压筋力和夹持力的影响，n i n e 设计了一套专用的拉深筋模拟装置，如 图1 - 6 所示，用带有滚动轴承支撑的轴来模拟半圆形拉深筋及凹槽圆角( 圆 角半径为r 5 5m m ) ，以便测量出拉深筋在近似无摩擦状态下的阻力，即拉 深筋的变形阻力。并与在相同参数的常规模拟装置下测得的拉深筋阻力相 比较来获得拉深筋摩擦阻力的大小。 图1 - 6 拉深筋模拟装置 f i g 1 6d r a w b e a ds i m d a t i n gf i x t u r e 6 第1 章绪论 为迸一步研究摩擦在拉深筋阻力中的作用，h d ，n i n e 在文献 6 】中对库 仑摩擦定律的适用性进行了研究。研究结果表明，库仑摩擦定律的适用性 与材料、接触压力、表面光洁度及润滑条件等多种因素有关。对于车体用 深拉深钢板，库仑定律在大多数情况下是可用的，但当板厚较大时，摩擦 系数会发生改变，导致库仑定律失效。对于2 0 3 6 t 4 铝合金，在板厚小于 0 9n l r n 时，库仑定律是可用的，但当板厚大于1m m ，且板料表面较粗糙、 润滑条件不好时，库仑定律也不再适用。其后，国内外大量学者对拉深筋 阻力及其影响因素，以及设置拉深筋后对板料成形工艺的影响等方面进行 了研究 7 。9 1 。c ，w e i d e m a n n 的研究表明【l o l ，摩擦条件对拉深筋阻力具有很大 的影响，在拉深筋阻力的调整中，最简便有效的方法是调整拉深筋的高度。 m 。y 。d e m e r t 通过实验研究指出l l “，对于各种材料，拉深筋阻力均随压边力 及拉深筋高度的增加而增大。小峙正康对单拉深筋和双拉深筋的力能参数 进行研究后认为 1 2 - 1 6 ，筋高、筋宽、槽宽对拉深筋力的影响，可用板料在 拉深筋中的倾角大小来表达。当倾角增加时，拉深筋阻力增大，当倾角一 定时，拉深筋阻力随拉深筋圆角半径的减小而增大( 半圆筋) ，而方筋的阻力 同时与板厚有密切的关系。他同时提出在双筋情况下，内侧拉深筋的压筋 力大于外侧拉深筋。双筋压筋力大约是单筋的三倍。在拉深过程中，内侧 拉深筋的夹持力同样大于外侧拉深筋。在相同的压边力下，双筋的夹持力 约是单筋的二倍。内、外侧拉深筋的夹持力均随压边力的增大而同时增加。 双筋的拉深筋阻力约为单筋的1 4 倍。而须畏秀行等在文献 1 7 1 中提出，单 拉深筋的阻力与板料在拉深筋凹槽中的倾角有着密切的线性关系，因此可 依据该参数测算各种不同形状的拉深筋的阻力。但双拉深筋的阻力却与板 料在拉深筋凹槽中的倾角无明显关系。他们在文献 1 8 1 中进步研究了拉深 筋与压料面不垂直时的拉深筋阻力。李硕本、金淼等近年来通过模拟计算 与实验相结合的方法，研究了板料在通过半圆形拉深筋、方形拉深筋和双 重拉深筋时的变形及受力特点，分析了各种拉深筋的阻力、压筋力和夹持 力与拉深筋尺寸、材料性能及摩擦润滑条件问的关系，提出了拉深筋的设 计原则f 1 9 2 ”。 7 燕山大学工学硕士学位论文 1 2 2 2 拉深筋力能参数的计算方法拉深筋研究中的另一主要问题是如 何有效预测拉深筋的阻力、压筋力及上浮力等力能参数。由于板料在拉深 筋中存在弯曲和反弯曲变形，其变形过程及边界条件均十分复杂，准确计 算拉深筋的各力能参数是十分困难的。1 9 4 8 年m a s w i f t 分析了板条通过 圆角时的塑性弯曲情况，其与拉深筋的力能参数计算有许多相近之处，其 方法和结论在后来有关拉深筋研究的许多文献中得到了引用。目前，关于 拉深筋力能参数的计算主要有以下几种方法： ( 1 ) 将拉深筋阻力分成几部分，分别计算而后叠加【7 】在这类方法中， 将板料通过拉深筋的过程近似看作是弯曲、沿圆角滑移和反弯曲变形的组 合。分别计算板料的弯曲和反弯曲变形阻力及沿圆角滑移时产生的摩擦阻 力，然后累加即是拉深筋的总阻力。该方法仅考虑了弯曲和反弯曲变形前 后板料曲率的变化，而忽略了板料弯曲和反弯曲变形过程。因此是一类近 似算法。 ( 2 ) 采用迭代求解的方法来计算拉深筋阻力 2 2 - 2 3 1 采用迭代方法求解的 基本思路为，板料通过拉深筋时可视为平面变形，是一个弯曲和反弯曲的 反复过程。在实际成形过程中，当位于拉深筋入口点处的板料到达拉深筋 出口点时，板料的前拉力近似地从零开始，逐步达到稳定值。在稳定状态 下，板料拉过拉深筋是一个连续的弯曲、滑动和反弯曲的循环过程，这样 就可从一个典型段的弯曲、滑动和反弯曲过程来建立计算公式。在实际计 算时，给定入口点处的边界条件，包括材料性能和厚度、后拉力等，计算 出口位置板截面上的拉力等参数，这出口位置的参数就是下一段的入口 条件，最后一段出口截面上的拉力就是拉深筋的阻力。这类方法的主要难 点在于滑移段的摩擦阻力及反弯曲段起点位置难于确定，各文献中均采用 了不同的简化方法。 ( 3 ) 近似计算1 2 4 。2 6 】这类方法主要包括经验公式及一些简化算法。其中 以欧拉公式最为典型，应用也最为广泛。这类方法的最大优势在于算法简 单，便于工程应用，但其最大的不足是计算精度难以保证，且计算误差不 易估计。 8 第1 章绪论 ( 4 ) 采用数值计算口7 2 9 】随着弹塑性有限元法的发展与成熟，其在板料 成形数值模拟中的应用日趋广泛，采用以有限元法为基础的数值模拟技术 对板料在拉深筋中的变形过程进行分析，可以获得板料变形过程中的变形 形态、应力应变分布及力能参数等大量信息，目前已是拉深筋计算中的重 要方法之一。但如何考虑由于板料在拉深筋中反复弯曲而引起的包氏效应 及如何给出适当的摩擦条件，依然是数值模拟中的难题。并且由于拉深筋 尺寸较小，形状复杂，要精确考虑板料与拉深筋的接触，则必须将拉深筋 曲面划分成非常小的网格，但这会大大增加计算量，降低计算效率，同时 对模具几何形状的修改也极其不利。因此这种方法不常被采用。此外，文 献【3 0 】和 3 1 】还采用能量法对拉深筋阻力进行了计算。文献 3 2 1 更q 采用虚功 原理对拉深筋阻力进行了计算。 1 2 2 3 数值模拟中拉深筋的等效模型随着数值模拟技术的发展，其在工 程中的应用日趋广泛。由于拉深筋结构较小，如在板料成形模拟中建立真 实的拉深筋模型，则需采用高密度的网格来离散板料。这将会使问题的求 解规模急剧增大，从而导致无法求解。目前通用的做法是在模拟中采用等 效模型。从数值模拟技术上看，建立拉深筋等效模型并不困难，但由于受 拉深筋计算技术的限制，如何获得给定状态下拉深筋的力能参数及板料通 过拉深筋后材料性能的变化，从而使等效模型能真实反映出拉深筋的作用 和影响，却成为板料数值模拟中的一个难题。尽管已有许多学者进行了这 一方面的研究，但这一问题尚未得到很好的解决 3 3 - 3 7 1 。 1 2 2 4 拉深筋的实验研究通过各种模拟试验和真实实验来研究拉深筋 的作用一直是研究的重点。l l o y d ，l j p a i t e r 口8 】在拉深实验仪上对半圆形拉 深筋进行研究，得出拉深筋阻力随筋压入深度、摩擦系数、拉延速度的变 化而变化的结论。8 0 年代初，通用汽车公司的h d n i n e l 3 1 】专门设计了一 个拉深筋阻力模拟测试仪，这一实验仪已经成为目前拉深筋机理研究的主 要仪器。该实验仪可以分离出拉深筋阻力的两个主要组成部分：弯曲反弯曲 阻力和摩擦阻力。h d 。n i n e 指出弯曲变形力约占整个拉深筋阻力的 6 5 8 5 ，该研究为以后拉深筋方面的研究工作提供了非常有价值的实验 方法和数据。1 9 9 1 年，c h r y s l e r 公司的n m w a n g 和v c s h a 4 2 1 在m t s 成 9 燕山大学工学硕士学位论文 形性能测试仪上，针对半圆形筋、矩形筋、拉深槛、矩形筋和拉深槛的组 合筋这4 种拉深筋，以凸模负载曲线为参照，研究了不同润华、不同夹紧 力时的拉深筋阻力大小及其对冲压件极限拉深深度的影响，指出拉深筋的 几何形状是影响阻力大小的关键因素。w a t e r l o o 大学的j o h n a s c h e y h ”5 】 等人应用n i n e 设计的拉深筋模拟测试仪研究了润滑条件、筋表面粗糙度对 普通钢板和镀层钢板的摩擦系数的影响。 国内哈尔滨工业大学的邢忠文、杨玉英和徐成林等人1 7 4 6 l 也在大量实验 的基础上研究了拉深筋阻力的形成机理及其影响因素，指出拉深筋阻力是 由板料通过拉深筋时的弯曲和反弯曲变形力和摩擦力以及因变形硬化引起 的变形抗力3 部分共同组成，拉深筋阻力的影响因素包括拉深筋的形式、 拉深筋参数、材料特性、润滑条件、变形速度、压边力等，其中拉深筋参 数和形状对拉深筋阻力的影响最大。北京航空航天大学的李东升等人【4 7 】利 用拉深筋单元模拟器对半圆形筋进行了摩擦润滑实验，研究了不同润滑剂 对摩擦系数的影响。宝钢技术中心也借助拉深筋模拟试验机，分析了6 种 冲压润滑剂对5 种汽车板料成形时拉深筋处摩擦系数的影响f 4 。结果表明： 不同润滑剂对不同汽车板料成形时拉延筋处的摩擦系数的影响程度不同； 随着润滑剂的运动粘度的增加，板料的摩擦系数相应降低。内蒙古工业大 学的王志恒等人 4 9 - 5 0 】对回转零件所使用的环形拉深筋筋阻力进行了实验研 究，对拉深筋的阻力构成、筋的结构以及位置等进行了机理分析。刘建华 等人【5 1 研究了环形拉深筋的成形力并进行了实验研究。湖南大学的钟志华 等人【5 2 】采用拉深筋影响试验、平板拉伸试验，研究了板料过拉深筋后几何 参数和材料参数的变化情况，结合翻边回弹试验和回弹一维分析方法，研 究了拉延筋对回弹的影响机理。 1 2 3 研究进展 经过半个多世纪的发展，模具工业已经进入高度精密和自动化阶段， 拉深筋也越来越多的开始进入工业实用，并且在改善成形性、提高产品质 量方面发挥了极其重要的作用。特别是汽车行业，几乎所有的车身覆盖件 1 0 第1 章绪论 在拉深成形中都需要拉深筋来调节拉深阻力，拉深筋的合理布置是车身覆 盖件成形的关键技术。目前，该领域的发展趋势是： f 1 ) 在继续研究拉深筋力能特性的基础上，对拉深筋对板材的后续成形 的影响进行深入研究。影响拉深筋力能特性的各因素对板材的后续成形都 有一定的影响，而国内除了燕山大学的郭华英1 5 ，还很少有人对这方面进 行系统的研究。 ( 2 ) 继续完善拉深筋阻力模型，提高计算精度，使等效拉深筋模型尽可 能准确地反映真实拉深筋的特点。 ( 3 ) 随着环境的要求，车身覆盖件将越来越多的使用高强度钢板和铝合 金等轻量化材料，与普通钢板相比，这些材料的成形性较差。要提高这些 难成形材料的成形性需要多方面的研究，其中包括合理的设计拉深筋以及 开发新型的拉深筋。 综上所述，人们对拉深筋进行了大量的研究，对板料在拉深筋中的变 形特点，拉深筋的力能参数及其构成、主要影响因素等有了较为深入的认 识，但目前对板料在拉深筋中的变形机理及拉深筋阻力等力能参数与影响 因素间的内在联系等方面的研究尚显不足，对于拉深筋的设计仅有一些设 计原则，缺乏便于工程应用的拉深筋设计调整的理论和方法。 本文旨在通过对板料在拉深筋中的力能特性进行系统的实验研究，综 合拉深筋阻力的构成特点及对板料后期成形的影响提出设计和调整拉深筋 的一般规律用以指导实际工程设计，近而为下一步形成拉深篾的一整套理 论和开发相应的专家系统打下基础。 1 3 本文研究内容 本课题来源于国家自然科学基金项目：拉深筋反向设计理论和方法研 究( 项目编号：5 0 3 0 5 0 3 1 ) 。作者在学习了板料冲压理论和查阅各种技术资 料的基础上对拉深筋在板料冲压成形的作用机理和力能特性有了深入的理 解。本文为研究拉深筋的力能特性进行了大量的实验，为在理论上分析拉 深筋积累基础数据，对设计和调整拉深筋也具有一定的指导作用。本文主 燕山大学工学硕士学位论文 要研究内容如下： ( 1 ) 设计制备无摩擦拉深筋模拟实验装置和常规拉深筋实验装置及相应 的液压控制系统。开发与该实验系统相对应的基于l a b v i e w 的试验测试平 台。 ( 2 ) 对不同形状尺寸的拉深筋进行实验研究。获取不同材料通过拉深筋 时的拉深筋阻力、压筋力和上浮力。从中总结拉深筋阻力等力能参数的变 化规律和构成特点，积累基础数据。 ( 3 ) 通过实验研究拉深筋结构参数对板厚减薄量的影响。 ( 4 ) j f l j 用无摩擦拉深筋的实验装置研究摩擦在拉深筋中的作用，以加深 人们对板料通过拉深筋这一物理过程的认识。 1 2 第2 章拉深筋实验系统及实验方法 第2 章拉深筋实验系统及实验方法 2 1引言 由于多数的塑性加工问题，大都难以建立准确的数学和力学模型，且 理论分析得到的结果也需要实践的验证才能更加令人信服。因此，用实验 手段获得直观的第一手的数据并对这些数据加以分析，以发现和解决成 形或加工过程中存在的各种问题，总结出比较符合实际加工情况的规律， 以用于指导生产实践，这仍是一种不可或缺的重要手段。 已有很多学者对于拉深筋的变形机理进行了深入的研究，取得了一些 新的认识或提出了新的观点，但这些认识或观点与拉深筋在板料成形中变 形的复杂性及涉及的问题相比，还远远不够，有些问题只有用实验的方法 才能解决，有些观点还要经实验的检验。正如前面章节所论述的那样，由 于拉深筋的变形条件非常复杂，拉深筋尺寸较小，形状复杂。要精确考虑板 料与拉深筋的接触，有限元分析时必须将拉深筋曲面划分成非常小的网格， 但这会大大增加计算量，降低了计算效率，同时对模具几何形状的修改也极 其不便。因此这种做法具有一定的局限性。这些问题同样也给实验研究带 来很大的困难，特别是由于板料的厚度一般较小，影响因素很多，力和应 变等物理量的测量非常难，如何测量及保证测量精度是本实验系统所要研 究的重要课题之一 5 4 1 。 本章介绍了课题所采用的拉深筋实验系统和实验方法，包括实验装置， 实验系统的数据采集，无摩擦实验装置的设计和工作原理，以及实验材料 等其它试验条件的准备。 2 2 实验系统 2 2 1实验装置 对于板料冲压加工，当模具由于设计或者加工的原因不是位于压力中 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 心或者不是严格对称时，会产生不平衡力矩，此不平衡力矩若传递给压力 机，不仅会对机器产生侧向力，也会影响模具的正常工作，甚至得不到合 格的制件。为了尽可能的减小横向载荷的影响，提高测试精度，本实验采 用四个导柱导套的模具结构，这样可提高模具的导向精度，减小横向载荷 的不利影响，并保证实验过程的正常进行。 本文实验的三套装置使用同一套模架，三套装置的上下模分别用螺栓 固定在上模座和下模座上，其中单拉深筋实验装置( 如图2 1 ) 和双拉深筋实 验装置( 如图2 2 ) 采用镶嵌式结构，拉深筋凹槽圆角4 做成单独的一个零件 并通过螺栓固定在下模座上可以左右活动的凹模座3 上，从而可以方便地 更换不同的凹槽圆角，同时可以通过增减垫片来调整拉深筋凹槽的间隙。 左右两个凹模座通过两侧的螺栓固定在下模座上。拉深筋8 也单独做成一 个零件，可以直接装入凸模座5 上面预留的凹槽内，以便于更换不同圆角 的拉深筋，而筋高是通过往凸模座5 的凹槽里面增减垫片来控制的。 l 滚动导套2 - 上模座3 - 凹模座4 凹模5 凸模座6 - 上连接板7 上位传感器 8 一拉深筋9 - 下位传感器1 0 下模座11 - 导柱 图2 1 单深筋实验装置简图 f i g 2 1e x p e r i m e n tf i x t u r eo f s i n g l ed r a w b e a d 1 4 第2 章拉深筋实验系统及实验方法 l - 滚动导套2 卜模座3 一凹模座4 - 凹模5 - 凸模座6 - 上连接板7 - 上位传感器 8 - 拉深筋9 下位传感器1 0 - 下模熊11 导柱 图2 - 2 双拉深筋实验装置简图 f i g 。2 - 2e x p e r i m e n tf i x t u r eo f d o u b l ed r a w b e a d 无摩擦拉深筋实验装置的作用是测试板料在近似无摩擦的状态下通过 拉深筋时的力能特性。实验装置原理如图2 3 所示。此时，板料通过拉深筋 时只有变形阻力而没有摩擦阻力，为了达到这种目的，将模具中拉深筋的 凹槽圆角和拉深筋圆角改为用两端由滚针轴承支撑的轴( 如图2 - 4 中9 和7 1 代替，同时为了减小轴的弯曲变形，在轴下面增加锡青铜材料做成的支撑 块( 如图2 - 4 中1 、4 和1 0 ) 。该装置可以用于测试拉深筋在近似无摩擦状态 下的阻力，即拉深筋的变形阻力。并与前面相同参数的常规拉深筋测得的 拉深筋阻力相比较可获得拉深筋的摩擦阻力，可用下列公式计算拉深筋的 摩擦阻力： f f r i m 。= f 曲自一f 舾。 q 一1 ) 式中只。拉深筋的摩擦阻力 r 。常规装置的拉深筋阻力 无摩擦装置的拉深筋阻力 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 图2 - 3 无摩擦拉深筋实验原理 f i g 2 3t e s tp r i n c i p l eo f n o - f r i c t i o nd r a w b e a d 1 - 左凹模座2 左凹模支撵块3 - 压边辊4 - 凸模支撑块5 - 凸模座6 - 上位传感器 7 凸模辊8 下位传感罂9 - 凹模辊l o 右凹模座1 1 一闷距调整块1 2 - 凹模连接板 图2 - 4 无摩擦拉深筋实验装置简图 f i g 。2 - 4e x p e f i m e mf i x t u r eo f n o f i i c t i o nd r a w b c a d 拉深筋实验之前，先将实验装置的下模部分固定在实验机的工作平台 上( 如图2 5 所示) ，本实验采用的实验机为缸动式液压机，液压缸同时起着 滑块的作用。下模座利用凹槽定位在工作台上以防止实验过程中模具前后 左右移动，然后将下模座和工作台固定在一起防止上模座抬起时将下模座 一并抬起。上模座通过模柄固定到实验机的滑块上。这里的模柄同时起着 上位传感器的作用，模柄做成圆筒形，如图2 - 4 所示。它的特点是结构简单、 1 6 第2 章拉深筋实验系统及实验方法 加工制造方便、可承受较大的载荷。根据本实验所需要的压边力在4 0k n 以内，设计的上位传感器的尺寸为：内径d = 4 4r n n l ，外径d = 5 0m m ，高h = 2 2 n l l n 。经校核其固有频率值在要求范围内。在下模座的两侧成对角放置两个 圆柱形的下位传感器，传感器的下端插入下模座上面的两个孔内，上端面 和上模座上的压料面相接触，通过对这两个传感器的高度调整可以控制上 模压下的高度来得到针对不同板厚材料的压边间隙。固定好上下模后将板 料放入下模的料槽内，下模压下直到拉深筋完全压靠，然后由液压缸从侧 面拉动板料，记录下此过程中的传感器读数，即完成了一次测试过程。 图2 - 5 实验装置的安装示意图 f i g 2 - 5i n s t a l l a t i o no f e x p e r i m e n t a lf i x t u r e 在本实验中拉深筋阻力是由侧拉液压缸活塞杆和板料之间的拉力传感 器测出的。板料的压筋力是指拉深筋完全压靠时的力，这个力由上位传感 器测出，当上模座的压料面刚接触下模座上面下传感器的上端面时，拉深 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 筋已经完全压靠，此时的力就是所求的压筋力。而后，上模继续下压但受 到下面两个传感器的限制而停止，上位传感器和两个下位传感器由于受到 压力的作用其读数增大。液压缸拉板料时，板料对上模产生上浮力，此时 的上位传感器的读数等于两个下位下传感器的读数之和再加上板料产生的 上浮力，由此即可求出板料经过拉深筋时的上浮力。 为了更好的控制实验机的压下、顶起和侧拉液压缸的推、拉四个动作 为实验机设计了专门的液压系统，并增加了电气控制系统，重新设计后可 有一个开关控制这四个动作的执行。液压原理图见图2 - 6 。 1 , 2 ，3 三位四通阀4 侧拉渡压缸5 实验机6 , 7 溢流阉8 压力衰 图2 - 6 液压系统原理图 f i g 2 - 6p r i n c i p l eo f h y d r a u l i cs y s t e m 电气控制原理图如图2 7 所示，本系统采用由三相电源接出的单相 2 2 0 v 交流电为电动机和整个电气控制系统供电。接通开关1 s t 后，电动机 通电运转，此时的功能转换开关处于中位。拨动功能转换开关使中间接触 器1 j d t 接通时，三位四通阀3 的2 d t 和阀1 的5 d t 得电可使侧拉液压缸 的活塞杆伸出，通过和阀3 相连的溢流阀6 将侧拉缸的拉力控制在2 0 k n 以内。当中间接触器2 j d t 接通时，使1 d t 和4 d t 得电，压力油进入实验 机的上缸使滑块压下直至压筋完成，此时和阀3 相连的溢流阀7 可以控制 1 8 第2 章拉深筋实验系统及实验方法 实验机提供的压力在4 0k n 以内。当功能转换开关使2 d t 和6 d t 通电时可 使侧拉液压缸的活塞杆后拉完成拉深过程。当功能转换开关使1 d t 和3 d t 通电时，液压缸被顶起准备下一次实验。 空气开关 保险 交流接触器 热继电器 中间接触： j 交流i u 础阀 开关 开关 显示灯 限位开关 功能转换开关 图2 - 7 电气控制原理图 f i g 2 7p r i n c i p l eo f e l e c t r i cc o n t r o 1 9 睨 加州盯踮， 震鋈。 燕山大学工学硕士学位论文 最终的实验系统如图2 - 8 所示 图2 - 8 拉深筋实验系统 f i g 2 - 8d r a w b e a de x p e r i m e n t a ls y s t e m 2 2 2 数据采集系统 胜力传感器2 一动态应变仪3 电且i 信引较胜器4 数据采集卡5 计算机 图2 - 9 实验数据采集系统 f i g 2 9e x p e r i m e n t a ld a t a - a c q u i s i t i o ns y s t e m 2 0 第2 章拉深筋实验系统及实验方法 如图2 - 9 所示，数据的采集系统由自制的应变片式力传感器、动态应变 仪、数据采集卡、电压信号限压器及计算机等组成，测量信号的采集和记 录由数据采集程序采集后保存在设定的文件上，可作进一步的处理，也可 将这些数据以曲线形式实时地显示出来。本实验是将三个力信号一起测量 记录下来，这样可以实时地观察整个实验过程中力的相互关系并可以及时 发现异常情况。 本文采用的数据采集系统由美国n i 公司的l a b v i e w 控制软件、6 0 1 4 e 数据采集卡及相关模块等硬件设备组成。该系统建立在台式机上，具有高 精度、高可靠性的特点。该系统具有软件控制能力更灵活，信号采集速度 更快及抗干扰能力更强等优点。此外，该系统的控制软件l a b v i e w 还具备 了和外部脚本文件兼容的功能，便于不同模型之间的连接。与过去庞大的 采集装置相比，该系统集成化程度高，小巧便捷，适合于实验室或工厂等 恶劣环境使用。 2 2 2 1l a b v i e w 虚拟仪器控制程序简介基于g 语言的图形化编程软件 l a b v i e w 是美国国家仪器公司( n i ) 的创新软件产品，是划时代的图形化编 程系统，即对称之为虚拟仪器的软件对象进行图形化组合操作，提供了直 觉式的环境。在自动测试、数据采集与控制、过程监控和工业自动化等领 域得到广泛应用。世界上有成千上万的工程师、科研人员成功地使用 l a b v i e w 解决工作中的各种应用课题。自2 0 世纪9 0 年代以来，在计算机 技术的推动下，以虚拟仪器为标志的通用化、智能化和网络化测量仪器及 测试系统得到了迅猛发展，使得测量仪器和数据采集系统的设计方法和实 现技术产生了深刻的变化。所谓虚拟仪器技术，就是用户在通用计算机平 台上，根据测试任务的需要来定义和设计仪器的测试功能，其实质是充分 利用计算机来实现和扩展传统仪器功能。虚拟仪器技术综合运用了计算机 技术、数字信号处理技术、标准总线技术和软件工程方法，代表了测量仪 器与自动测试系统未来的发展方向。l a b v i e w 程序称为虚拟仪器程序，简 称v i 。它是一种用图标代码来代替编程语言创建应用程序的开发工具，用 图形语言( g 语言) 、