（材料加工工程专业论文）精冲复合成形件的毛坯展开方法研究.pdf

摘要 随着汽车制造业的迅猛发展和全球制造业中心向中国的转移，我国正进入 精冲行业的高速发展阶段。目前精冲工艺已不仅是冲裁工艺，而是冲裁+ 成形的 复合工艺。采用精冲复合成形工艺得到的工件大部分都属于净成形或近净成形 件，对毛坯设计的精度要求比较高。本文对厚板件的毛坯设计方法进行了研究： 针对毛坯设计比较复杂的精冲复合成形件无压边厚板成形件提出了一种毛 坯设计方法。无压边厚板成形由于没有压边装置，板料存在一定程度的刚性转 动；又由于板厚的影响，无压边厚板成形中时常伴有不可忽略的局部的体积成 形，这使局部变薄严重。以上特点使得无压边厚板成形件的毛坯设计比较复杂， 针对其进行毛坯设计方法研究亦可以推广到其他种类的精冲复合成形件。 在多种毛坯设计方法中，有限元逆算法可以直接由工件理想造型得到一个 毛坯形状；基于有限元模拟的反复试错法，充分利用了有限元技术的优势，可 以在毛坯设计初期就得到一个比较精确的形状。在已有文献中，这两种方法中 所开发的算法大部分是针对薄板成形。在本文中，针对无压边厚板成形件的成 形特点，开发出了一种毛坯设计方法。该方法分为两步：1 ) 通过有限元逆算法 展开标准工件中间厚度层来得到毛坯初始形状；2 ) 对毛坯形状进行修正。在修 正中，先用有限元软件对毛坯的成形过程进行正向模拟，然后计算毛坯的成形 件形状与标准工件形状之间的误差，通过误差反馈得到修正毛坯轮廓形状，最 终使误差小于某一给顶值而得到优化毛坯形状。在本文中，以面向对象的建模 语言u m l ，详细地说明了本文中毛坯设计方法的开发过程与细节，也为这个方 法的后续完善提供了指导与说明。 倒档臂支架是一种典型无压边厚板成形件，在文中，应用本文提出的方法 设计了其毛坯优化形状，且将优化毛坯形状和工厂实际生产中使用的毛坯形状 进行了比较。比较结果表明，该毛坯设计方法能够得到比较精确的毛坯形状。 利用这种毛坯设计方法在无压边厚板成形件的生产开发中，在实际的毛坯试验 前就可以得到一个比较精确的毛坯形状。从而大大提高产品开发效率，减少了 实验成本，并且通过计算机自动的定性定量判断可以在毛坯形状设计方面大大 地降低对设计人员的要求。 关键词：精冲，无压边成形，毛坯，u m l a b s t r a c t a c c o m p a n y i n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dt h e t r a n s f e r r i n go fg l o b a lm a n u f a c t u r i n gc e n t e r st oc h i n a ，t h ef i n eb l a n k i n gi n d u s t r yi n c h i n ai sf a c i n gt h er a p i dd e v e l o p m e n t a tp r e s e n t ，t h ef i n e b l a n k i n gp r o c e s si sn o to n l y t h ep r o c e s so fb l a n k i n g ，b u ta l s ot h ec o m b i n a t i o np r o c e s so fb l a n k i n g + f o r m i n g t h e p r o c e s so ff i n eb l a n k i n gi sak i n do fn e t - s h a p eo rn e a rn e t s h a p ep r o c e s s i ft h eb l a n k s h a p ei sd e s i g na c c o r d i n gt og e n e r a lm e t h o d ，t h e no b v i o u ss h a p ee r r o re x i s t se n v i a b l y i nt h i sp a p e r , r e s e a r c hi sa b o u tt h eb l a n kd e s i g no ff i n eb l a n k i n gp r o c e s s e x a c t l y , t h e b l a n kd e s i g nm e t h o di sf a b r i c a t e da c c o r d i n gt oak i n do ff i n eb l a n k i n gw o r k p i e c e ， t h i c k - p l a t ew o r k p i e c ew i t h o u tb l a n kh o l d e r , w h i c hi sd i f f i c u l tt od e s i g nb l a n ks h a p e i t ss u m m a r i z e dt h a tt h i sk i n dw o r k p i e c eh a st w oc h a r a c t e r i s t i c s ：w i t h o u tb l a n kh o l d e r a n dl o c a lv o l u m ef o r m i n g f o rt h el a c ko fb l a n kh o l d e r , t h er i g i dr o t a t i o nh a p p e n e dt o s o m ee x t e n ti nt h ef o r m i n gp e r i o d b yt h eo t h e rs i d e ，f o rt h ee f f e c t i v eo ft h i c k n e s s ，t h e f o r m i n gp e r i o di sa c c o m p a n i e db ys e v e r e l yl o c a lv o l u m ef o r m i n g t h el o c a lv o l u m e f o r m i n gr e s u l t si nt w op h e n o m e n o n ：t h ew o r k p i e c et h i n n i n gl o c a l l ya n ds e v e r e l ya n d w o r k p i e c ei n s i d es u r f a c en o tc o n t a c t i n gw i t ht o pp u n c h ，f u r t h e rm o r e ；t h es p r i n gb a c k p r o b l e mm a yc a u s em o r ed e f e c t s s o ，i t sm e a n i n g f u lt oe x t e n dt h i sb l a n kd e s i g n m e t h o dt oa l lf i n eb l a n k i n gw o r k p i e c e a tp r e s e n t ，t h et r i a l e r r o rm e t h o db a s e do nt h er e s u l t so ff e m ( f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ) s i m u l a t i o n ，w h i c hi sak i n do fb l a n kd e s i g nm e t h o d ，i sp r o p o s e d t h i sm e t h o d c o r r e c t st h eb l a n ks h a p ei t e r a t i v e l yb yd e v e l o p e da l g o r i t h mb a s e do nt h er e s u l t so f f e ms i m u l a t i o n t h eb l a n kd e s i g nm e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e rb e l o n g st ot h i sk i n d i nt h ep u b l i s h e dp a p e r s ，t h ed e v e l o p e da l g o r i t h mi su s e di ns h e e tm e t a lf o r m i n g p r i m a r i l y i nt h i sp a p e r , t h ea l g o r i t h mi sd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h i c k p l a t ef o r m i n gw i t h o u tb l a n kh o l d e r t h i sm e t h o dc o n s i s t so ft w os t a g e s ：t h ef i r s t s t a g ei st oo b t a i ni n i t i a lb l a n ks h a p eu s i n gi n v e r s ef i n i t ee l e m e n ta p p r o a c h ( i f e a ) f r o mt h em i d d l e t h i c kl a y e ro f3 dm o d e lo ft a r g e tp a r t t h es e c o n ds t a g ei st oc o r r e c t t h eb l a n ks h a p e d u r i n gt h ec o r r e c t i o np e r i o d ，f i r s t l y , s i m u l a t ea n do b t a i nd e f o r m e d w o r k p i e c eb yf o r w a r df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；t h e nc a l c u l a t et h es h a p ee r r o rb e t w e e n d e f o r m e dw o r k p i e c ea n dt a r g e tp a r t ，f i n a l l y , c o r r e c tt h eb l a n ks h a p eb yt h ef e e d b a c ko f s h a p ee r r o ru n t i lt h es h a p ee r r o ri ss m a l l e rt h a nt h eg i v e nt o l e r a n c e i nt h i sp a p e r , t h e d e v e l o pm e t h o di si l l u s t r a t e db yt h eo b j e c t o r i e n t e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，u m l ，i n d e t a i l a n dt h i si l l u s t r a t i o na l s op r o v i d e sg u i d a n c ef o rt h ef u r t h e rd e v e l o po ft h ea l g o r i t h m t h er e v e r s ea imb r a c k e ti sat y p i c a lt h i c k p l a t ef o r m i n gw o r k p i e c ew i t h o u tb l a n k h o l d e r i t so p t i m u mb l a n ks h a p ei sd e s i g n e db yt h eb l a n kd e s i g nm e t h o dp r o p o s e di n t h i sp a p e ra n dt h eo p t i m u mb l a n ks h a p ei sc o m p a r e dt ot h eb l a n ks h a p ew h i c hi su s e di n t h ei n d u s t r yp r o d u c t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m u mb l a n k s h a p ei sa c c u r a t ea n d t h eb l a n kd e s i g nm e t h o dm e n t i o n e di n t h i sp a p e ri se f f e c t i v e b yu s i n gt h i sb l a n k d e s i g nm e t h o d ，ar e l a t i v ea c c u r a t eb l a n ks h a p ec a l lb eg o t t e nb e f o r et h ea c t u a lb l a n k e x p e r i m e n t s o ，t h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c td e v e l o p m e n tc a nb eg r e a t l yi m p r o v i n g ，c o s t o fe x p e r i m e n t sb e f o r ep r o d u c t i o nc a nb er e d u c e d t h er e q u i r e m e n t so f d e s i g ns t a f fc a l l b er e d u c e df o rt h ec o m p u t e r sq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ej u d g m e n t s a u t o m a t i c a l l y k e y w o r d s ：f i n e b l a n k i n g ，f o r m i n gw i t h o u tb l a n kh o l d e r , b l a n k ，u m l i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：筮均鱼1 日期：边卫：2 7 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名) ：浆h 利导师c 签名) 量笞日期叩f 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 精冲技术概述 第1 章绪论 从欧美发达国家冲裁成形技术的发展方向看，薄板件冲压将向高速冲方向 发展，中、厚板普通精度件将向数控冲与激光切割组合的方向发展。精冲技术 作为一种精密的体积成形技术，其高精度、高冲裁面光洁度、高效率是新型加 工方式所不具备的，有着极强的生命力，是未来一段时期的发展方向】。 在当今社会，环保、节能、和节约被受到了前所未有的重视，精冲技术在 这方面的优势，使其从众多的加工方式中逐步显现出来。现在，国内外汽车制 造业迅猛发展，全球制造业中心已经向中国的转移，这使我国的精冲行业进入 高速发展阶段1 2 。 1 1 1 精冲技术的发展历史 从上世纪2 0 年代，德国发明了精冲技术并申请了专利，最初，精冲技术主 要用于钟表业，现在，精冲技术已经得到了越来越广泛的作用。精冲技术的大 致发展历程如下： 1 9 2 1 年德国人f r i t zs c h i e s s 在自己的家庭作坊中，设计和制造了试验 性的液压冲裁装置，并成功地进行了一些简单零件试冲n 】。 1 9 2 2 年2 月一r i t z s c h i e s s 在德国申请了“金属零件液压冲裁装置”的专 利，并于1 9 2 3 年3 月将精冲技术公诸于世。随后精冲技术到瑞士、法国、英国 和美国等各地都得到了广泛的应用】。 1 9 2 3 年1 9 5 0 年一精冲技术主要是使用于德国、瑞士的钟表工业【； 1 9 5 2 年瑞士h s c h m i d ( 斯密特公司) 开始了精冲技术的研究，并首先 自行设计和制造了肘节式精冲机，并在1 9 5 6 年制造了第一台液压式精冲机【u ； 1 9 6 0 年精冲技术进入到了一个全新发展时期，其标志是小吨位的商品 精冲机进入市场，日本也正是从这个时期开始研制精冲机【1 1 ； 1 9 6 2 年一a g u i d i 第一次发表了有关精冲的理论； 1 9 6 5 年中国自此起步进行精冲工艺的研究工作；中国机电所和铸锻所、 西安交通大学等开始精冲工艺试验】； 1 武汉理工大学硕士学位论文 1 9 7 6 年一中国与f e i n t o o l ( 法因图尔公司) 开始在精冲技术方面进行交流， f e i n t o o l 第一次向中国提供了精冲技术培训资料；同年，武汉长江精冲技术公司 ( c ，c ) 利用普通冲床改制出中国第一代液压模架式精冲设备，并成功应用于该 公司电传机零件生产【l 】； 1 9 8 0 年世界精冲技术进入汽车工业，开始厚板精冲】。 1 9 8 5 年国家标准化局组织编写精冲模具国家标准，作为第四机械工业 部标准发行【1 1 。 1 1 2 国内外精冲行业现状 1 1 2 1国外状况 目前，在国际上精冲技术研究和应用处于最前沿的是瑞士，代表企业是瑞 士的法因图尔公司( f e i n t o o l ) ，因其拥有世界最先进的精冲技术，故号称 是世界精冲领域的领导者。前些年法因图尔倡导并支持组建了国际精冲大学联 盟，有四所大学的研究所参与其中，分别是瑞士联邦苏黎世理工学院虚拟制造 技术研究所、德国亚琛工业大学机床研究所、德国慕尼黑工业大学、以及我国 的上海交通大学国家模具c a d 工程研究中心。法因图尔公司不但可以提供精冲 产品，还可以提供高品质的精冲设备、精冲模具及辅助设备，应该说是我们大 家学习和追赶的目标n 】。 亚洲精冲技术目前最强的应当是日本。日本是从1 9 6 0 年开始引进精冲技术， 8 0 年代初期开始生产自己的精冲机。在其后的几十年里，随着日本汽车工业的 迅猛发展，精冲技术也有了质的飞跃。目前日本国内正在服役的精冲机大约有 5 0 0 台，其中有3 0 0 台左右用于汽车零部件的生产，年产汽车精冲件超过1 2 亿 件，主要应用于汽车涡轮增压器、制动器、变速箱、安全带、座椅、空调压缩 机、门锁等处【l 】。 除上述两国之外，精冲技术在欧美其它国家及亚洲的韩国、新加坡、泰国、 印度等地也都有着广泛的应用【2 】。 1 1 2 2 国内状况 1 9 6 5 年我国引进了第一台由法因图尔制造的精冲机，从此开始了对精冲工 艺的研究，当时主要是在仪器仪表行业及电子通讯行业使用。限于上世纪六十 2 武汉理工大学硕士学位论文 年代我国汽车工业尚未高速发展，科学研究无法与对精冲件需求最大的汽车工 业紧密结合，研究工作长期受到某种限制，生产规模扩大步伐很缓慢。现如今 随着中国汽车工业的蓬勃发展，为精冲工艺研究提供了一个崭新平台。鉴于许 多工作有待进一步开展的紧迫形势，中国锻压协会在2 0 0 6 年成立了精冲技术委 员会，集合了当时国内精冲界全部的1 2 家知名企业，还是一支很小的队伍，即 使到目前全国精冲企业总数也不超过4 0 家【1 1 。 2 0 0 8 年我国汽车产量约为9 3 0 万辆，若平均每辆汽车按使用7 0 件精冲件来 计算，精冲件的需求量大约6 5 亿件，这还不包括其它行业的需求。但现在国内 企业当中，汽车精冲件年产量最大的也不超过2 0 0 0 万件，8 5 以上的都在1 0 0 0 万件以下 2 1 。 在精冲机生产方面，目前国内还不能制造出高性能的精冲机，只能生产一 些低端精冲机。同样地，从事精冲技术专业人员的素质和数量也亟待增强和增 加。随着汽车制造业的迅猛发展和国际制造中心向中国的转移，我国正进入精 冲行业的高速发展阶段团。 1 1 3 精冲技术应用背景 精冲属于无削加工技术，是在普通冲压技术基础上发展起来的一种先进的 精密冲裁方法。精冲是在专用压力机或改装的通用压力机上，使用特殊结构的 模具和润滑剂，使金属板料在三向压应力状态下沿所需轮廓进行纯剪挤分离， 从而得到断面光洁垂直、平整度好、尺寸精度高的板状精密零件【2 】。由于精冲具 有高效、低耗和优质等特点，所以广泛应用于工业生产中。精冲零件已由起初 的仪器仪表领域的薄板低强度的小型精密零件，发展到汽车、摩托车行业的厚 板高强度的大型零件。有资料表明，目前全世界精冲件的5 0 - 6 0 用于汽车工 业，一辆汽车中至少会使用7 0 个精冲件。除汽车工业外，精冲件在钟表、缝纫 机、办公设备、照相机、航空器、电气设备及通用机械、民用五金等领域也有 着广泛应用 2 3 】。 在国内外目前通行的专业教材和手册中，大都习惯性地将精冲仅以区别于 普通冲裁的一种精密分离方式出现，冠以“精密冲裁”的简称，即“精冲= 精密冲 裁”。精密冲裁与传统冲压与剪切加工差别不大，但零件边缘都是平滑剪断的， 除极特殊用途外，无需去毛刺加工 1 】。 从成形机理上看，精冲的断面剪切与普通冲裁过程并不完全相同，而与体 3 武汉理工大学硕士学位论文 积成形有着许多类似之处，是平面变形与体积变形的综合技术。并且随着精冲 技术与成形技术的不断结合，精冲复合成形技术已成为精冲技术的重要发展趋 势，井已成为汽车等行业许多关键零件制造工艺的必然选择。从某种意义上完 全可以说，精冲已逐步过渡成为板料成形与体积成形的复合体，实现了一些原 来需要组装、切削加工才能形成的功能，换言之“精冲精密冲裁”( 如图1 1 所 示) 。 a 1 图1 1 精冲零件 精冲复合成形工艺可分为两类：板料成形和体积成形。板科成形主要包括 三种：拉深，弯曲，翻边。这些成形工艺主要用于较薄的材料，且多为中小变 形。第二太类，即体积成形主要包括：镦粗和平面压扁，打标和沉孔，剪挤以 及挤压成形。体积成形的适用材料厚度范围 e 板料成形要大的多，且可能发生 大变形，使材料产生相当大的加工硬化。因此，必须根据压力机和摸具的最大 许用载荷来设定工艺极限。对于所有精冲复合成形工艺，需采用多个工位来实 现零件的成形。每个工位都可能包含冲裁和成形工序。在制定成形工艺时，尤 其针对高强钢材料成形，必须充分考虑模具的设计和成形设备的选择。 鉴于目前汽车，机械，设备，消费品等行业对所需产品质量的高标准要求， 精度己成为产品的零部件生产和装配过程中越来越被重视的因素。在精冲，精 冲，成形组合加工工艺中，采用了模具与压力机的三重作用原理，保证了加工具 有很好的尺寸精度，平整度和形状精度，所以无须进一步的加工和平整加工 4 武汉理工大学硕士学位论文 直接用于装配工序。甚至在技术上对零部件精度要求很高的机械和机电传动和 动力系零部件亦是如此【3 】。 1 2 毛坯设计方法的研究概况 毛坯外形的确定问题早于上世纪5 0 年代就已提出，研究者们提出了多种板 料成形的毛坯计算方法，大部分毛坯外形确定方法都是针对不同形状零件的需 要而提出的。早期提出的有查图和查表法，实验逐次逼近法、拼合法、滑移线 法和几何映射法，近期提出的方法有有限元法。其中查表及查图法是基于板料 成形前后面积不变的基础上，一般只适合于简形件，对于非筒形件多采用下列 方法确定。 1 2 1 逐次逼近法 该方法最早由f i n c h 针对盒形件提出忉，步骤为：先取一印有坐标网格的一 定形状的毛坯作初始毛坯，经过拉伸工艺后，观察凸缘外边缘处材料，判断出 该处多余材料，在下一次毛坯上将该部分切除，接着用经过第一次切除的毛坯 外形作为本次毛坯的初始形状，重新拉深，观察并切除余料，如此循环往复， 直至获得满意的结果。从其步骤可知，该方法人力和物力消耗大，而且应该切 除的余料部分，难于定量把握，使用该方法效率低。 1 2 2 拼合法 拼合法在1 9 4 7 年由b 1 h 1 3 b o p o h o 提出，最初用于确定方矩形件的毛坯外 形，毛坯各部分的面积根据拉深件相应部分面积相等确定。其展开原则为：直 边部分按弯曲变形展开的长度进行计算，圆角部分按四分之一圆杯压延件变形 展开计算为毛坯半径，然后用圆角光滑棱角，连接过渡区即得到毛坯形状嘲。 拼合法基于对拉深过程中凸缘材料流动的非连续性组合假设和整体转移假 设，因此要得到较高的准确度，就必须假设对应的零件尺寸尽可能地缩小，而 这种假设与实际是不符的。【8 删 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 滑移线法 滑移线法是5 0 年代在前苏联由楚达列夫提出来的，它的提出第一次给毛坯 形状的设计找到了理论依据，滑移线法是根据滑移线理论确定合理毛坯形状， 利用滑移线理论需要如下假定条件：板料凸缘厚度无变化，且处于平面应变状 态，材料各向同性，无硬化，不考虑摩擦对塑性流动的影响。 但是，建立滑移线场是一件相当繁杂的工作，用手工求解是比较困难的， 但用计算机建立滑移线场只能处理平底、直壁、平压料面压延件。因此滑移线 场方法仍然具有一定的局限性。【l 川 1 2 4 模拟法 模拟法是8 0 年代出现的一种求算毛坯的方法。它基于2 个假设条件：( 1 ) 毛坯面积在冲压前后不变；( 2 ) 由第一个条件得出的必然推论，即圆角部分的多 余毛坯全部转移到直边部分。根据许多物理问题数学描述的相似性，通过相似 理论，采用其它物理介质构成的模型来模拟板料凸缘的金属流动，模拟法适应 任何边界形状问题，比较有代表性的方法有电模拟法、流体模拟法和热传导模 拟法等。一般对于外形相似的冲压件，只须求出某一尺寸模型的等位线，其它 尺寸模型的等位线均可以通过放大或缩小得到。 实际上，圆角部分的多余毛坯是很难全部转移到直边部分的。由于冲压中 变厚变薄量分配的不均匀，甚至凸缘部分也往往不全部处于塑性变形状态，冲 压前后的面积并不完全相同。这些与假设条件不相符的实际情况，使得模拟法 的准确度受到一定的影响。i 1 1 1 2 5 几何映射法 j c g e r d e e n 和e c h e n t l 3 1 最早提出几何映射法。他们认为，应变由变形前后 板料的几何差别定义，而通常变形后的板料形状已知，因此从理论上讲，在不 需要知道载荷就能够计算应力的分布的情况下，有可能将变形后的板料点对点 地映射回初始平板，但是变形后板料的厚度分布未知。这样几何映射法的精确 度依赖于对特定问题厚度分布的正确假设，并且需要开发一种迭代方法使厚度 与特定的边界条件相匹配。为了进一步提高几何映射法的精度，目前多种能量 6 武汉理工大学硕士学位论文 法己被应用其中。如许江平，柳玉起【l 刁等人建立了空间与平面几何尺寸最接近 的准则，从而实现了任意复杂曲面的展平。并在论文中，证明了这一准则等 价于有限单元法中残余节点力向量为零。 此方法也是一种近似方法，可计算任意复杂形状的零件展开毛坯形状，又 能与曲面描述方法和有限元分析结合，有利于统一考虑板料成形中的计算机辅 助技术。由于几何映射法本身的局限性，它只适用于有限的范围，并且误差较 大。在很多文献中，用来计算有限元逆算法的初始解【1 5 】。 1 2 6 有限元法 有限元方法可以考虑到成形的几何、物理和力学等方面的因素，因此可以 较精确地建模。目前，随着有限元技术，计算机硬件和计算技术发展，特别是 非线性有限元问题的计算技术发展，使对冲压成形过程进行较高准确度的模拟 分析和优化成为可能。国内外通过大量工作已经形成铸造、锻造、覆盖件冲压、 模具c a d c a m 等多项商业软件，有力推动材料成形工艺模拟技术的发展【1 3 6 1 。 国内外学者把有限元技术用于板料冲压成形毛坯计算，提出了许多种方 法，陈国艳试图把其归纳为以下两种方法。 1 2 6 1 有限元逆算法 逆算法的一个主要特点是，将板料成形过程简化为一个或若干个简单加载 的变形过程，再采用全量理论进行分析。因此计算可以忽略中间构型的变化， 只考虑初始态和最终态。有限元逆算法是从给定的最终零件的形状尺寸和过程 条件出发，沿着与冲压成形过程相反的方向求解毛坯形状。 受到几何映射法的启发，b a t o n 等人首先提出了有限元逆算法。该方 法将钣金成形过程简化为一个或若干个简单加载过程，采用全量理论进行分 析，只考虑初始构形和最终构形，忽略中间构形的变化，同时，它又考虑了 模具、压边圈、拉延筋的作用，帮助设计人员快速地模拟出钣金件在给定工 艺条件下的毛坯轮廓和成形后的应变、应力分布和厚度变化率等刚。目前有 两种逆算法使用的理论，虚功理论和极值功原理。对逆算法的改进主要体现 在对其计算精度的改进。如，找到更好的求毛坯初始解的算法，从一步成形 向多步成形发展，本构关系的修正。其中，多步成形有两个关键问题需要解 7 武汉理工大学硕士学位论文 决：中间的3 d 构型中毛坯初始解的求解与在n e w t o n r a p h s o n 算法中沿着滑 移约束线表面的点的移动控制轨迹。 有限元逆算法是根据板料弹塑性成形理论来决定初始毛坯形状。由于金属 流动规律的复杂性及各因素相互之间关系难以定量把握， 且冲压成形的应力应 变分析是涉及物理、几何和边界条件的三重非线性复杂问题，要完全精确地计 算毛坯形状很困难，需要不断进行深入的理论研究。 1 7 - 2 1 1 2 6 2 有限元试错修改法 1 9 8 5 年t o h 提出用试错修改法( t r i ma n de r r o rm e t h o d ) 来求解盒形件毛坯外 形。该方法实际上是把有限元技术用于传统的逐次逼近法中，把过去的手工实 验修改毛坯外形变为通过有限元软件反复模拟修改毛坯外形 2 3 1 ，该方法的具体实 施步骤大致如下： ( 1 ) 为冲压件大致假设或用一个传统方法求得一个初始毛坯形状； ( 2 ) 用有限元模拟软件模拟初始毛坯的成形过程； ( 3 ) 比较( 2 ) 步所得零件形状与理想工件的形状，若两者差异较大，则继续， 相反，若两者相差不大，则可以退出计算； ( 4 ) 对上一步的毛坯作相应修正，得到新的毛坯形状，再重复步骤( 2 ) 。 国内外学者均进行过这方面的研究。研究方向多集中在计算路径的选择， 修正因子敏感度的调整，误差计算方法等方面。在计算路径的选择方面， s h p a r k 以方形盒为例，提出首先用拉格朗日插值函数构造某点的变形路径， 再采用最终形状上某点的路径的切向来作为和理想零件的比较方向，和同一点 来迭代修正零件轮廓，在论文中，考虑了成形路径，并证明了结果的收敛。k i c h a n s o n ，h y u n b os h i m 提出使用轮廓节点的初始速度作为变形路径来反复计算毛坯 形状，从而减少了确定误差计算方向与补偿的工作量，等堋。在修正因子的 敏感度调整方面，h y u n b os h i m ，k i c h a ns o n 在他们提出的利用轮廓节点的初 始速度的基础上，进一步利用了正向有限元模拟的结果来加快毛坯修正的效率， m c o l i v e i r a ，r p a d m a n a b h a n 等的研究加入一权重因子来加快毛坯的修正效率； 并且通过模拟计算表明，轮廓曲面控制点的选择的位置和数量直接影响到形状 误差的计算。在误差计算方法方面， j o n g 。y o pk i m 提出r o l l b a c k 方法来修正 毛坯形状，先求得成形零件形状以有限单元离散，将边界单元的边与理想零件 的轮廓线求交点和延长点，将交点等比例地投影到毛坯单元边长上，或是将延 长点等单元线方向地补偿到毛坯中；此方法也只适用于轮廓路径在平面上变化 8 武汉理工大学硕士学位论文 的零件，f u n g h u e iy e h ，m i n g t s u n gw h 提出基与正逆向预测法来设计拉深凸 缘的毛坯形状，孙开胜提出用截面线修正法来计算盒形件毛坯形状与补偿例， 笔 2 2 - 3 0 l 随着计算机的硬件和软件的飞速发展，有限元试错法已经得到了越来越多 的应用。在上面的4 个步骤中，研究的重点为第( 3 ) 、( 4 ) 步：比较( 2 ) 步所得零 件形状与理想零件的形状和在上一步毛坯基础上作出相应修改。 有限元试错修改法的研究人员提出了多种方法来设计毛坯形状。 在已经进行的研究中，主要的研究均集中在薄板成形领域经过归纳，作 者认为主要有两个不足：( 1 ) 成形零件的轮廓线和理想零件的轮廓线在同一平 面上比较；( 2 ) 零件在成形时，轮廓需要在平面上运动。 这种基于有限元模拟的试错法，利用有限元模拟的结果来进行毛坯形状修 正。有限元法建立于严格理论基础上，可用于复杂几何构型和各种物理问题的 分析。并且随着计算机硬件和新的数值计算方法的不断出现，有限元技术已成 为当今工程技术领域中应用最广泛，成效最为显著的数值分析方法。在有限元 模拟过程中，可充分地考虑了各个工艺参数对成形结果的影响，使得模拟结果 具有较高精度。因此，基于有限元模拟结果的毛坯设计方法，只要选择了合适 的算法来进行修正与补偿，得到的毛坯形状理论上是可靠的。 1 3 本文研究的主要内容 本文结合国家科技重大专项“1 0 0 0 0 k n 精冲压力机 ( 批准号： 2 0 0 9 z x 0 4 0 0 4 0 9 1 ) 和“近净成形技术一复杂零件精冲技术 ( 批准号： 2 0 0 9 z x 0 4 0 1 4 0 7 3 ) ，对复合精冲成形件的毛坯设计方法进行了研究。 精冲复合成形件一般是：对板料厚度在3 m m 8 m m ，采用精冲成形工艺得到 的工件。毛坯形状是冲压成形的重要参数之一，直接影响到成形零件的质量。 通过合理地选择板壳零件的毛坯外形，可以提高板料的可成形性，提高材料利 用率，减少成形件的形状误差。精冲作为一种精密成形工艺，成形后不需再进 行切边修边工艺，对毛坯形状的精确设计的重要性是不言而喻的。精冲复合成 形件主要有如下3 种成形模式，如图1 2 所示，其中本文中研究的就是对精冲 落料步毛坯形状的设计。 9 武汉理1 大学硕七学位论文 图1 2 精冲复合成形件成形顺序 在本文中，着重考虑毛坯的轮廓外形的设计，暂不考虑毛坯内冲孔的位置 的设计。无压边厚扳成形件( 如图1 3 所示) 是精冲复合成形件的一种，其毛 坯设计比较复杂，因为其既有局部体积成形，而且零件轮廓形状也是复杂的空 间几何形状。因此，在本文中，先针对无压边厚板成形件来设计算法，再进一 步扩展算法到其他精冲复合成形件。这类无压边厚板成形件是以弯曲和翻边变 形性为主的精冲成形件4 ”。 本文中提出的毛坯设计算法本质上属于有限元法中的反复试错法。该方法 可宴现毛坯形状设计的“傻瓜式”操作。对于无压边中厚板成形件，尽管其成 形机理复杂，但是有限元试错法通过增量有限元对成形过程的模拟，在毛坯设 计过程中可充分考虑各工艺参数的影响，从而使毛坯设计具有较高精度。在对 无压边中厚板成形件基于增量有限元模，通过反复试错来得到优化毛坯形状时， 有两个关键问题需要解决： 岛氐 图1 3 无压边厚板成形件 墨瞽 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 成形零件和理想零件的轮廓的比较。因为无压边的厚板成形件轮廓为 一空间曲线。沿轮廓点的路径切向比较方法已无法使用，也无法算成形件与标 准轮廓线的交点或延长交点。需要一种两条空间曲线的比较方法。 ( 2 ) 将成形零件和理想零件的轮廓的差别反馈到毛坯中去，对毛坯形状进 行修正。在修正长度方面，在无压边中厚板成形件中，局部变薄严重，在修正 毛坯时需要考虑厚度方面的影响；在修正方向方面，由于成形零件轮廓的空间 曲线进行的比较如何对毛坯轮廓进行修正，从而得到精确毛坯形状，并且保证 修正后轮廓形状的有效性。 在本文中，通过有限元逆算法得到初始毛坯形状。在毛坯优化方面，开发 出了针对无压边中厚板成形问题的有效算法，有效地解决了上面的两个问题， 用实验证明了这种算法的有效性。研究流程如图1 3 所示。 并且，在整个毛坯设计方法中均采用了面向对象的方法。用面向对象建摸 语言u m l 说明了系统开发的全过程；用面向对象语言c + + 开发的程序中留下了 充足的接口，方便对算法进行理解，及后续工作者进行完善，修正和扩充。 1 4 本章小节 l 工件( = 维模型) 扣限元逆 k 坯初始形状b o 1 【毛坯优 抚化目标毛坯形状 上 实验验证 法 图1 4 本文中毛坯展开方法的流程 本章介绍了精冲技术和各种毛坯设计方法，及它们的国内外研究现状、存 在问题及发展方向。说明了本文的课题研究的来源、目的与主要内容。 本文研究的主要内容是对精冲复合成形件的毛坯设计方法进行研究。首先 针对毛坯设计比较复杂的无压边厚板成形件进行了毛坯优化方法算法的开发。 再拟将算法推广到其他精冲复合成形件。本文中开发的毛坯设计方法不仅可以 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 在工艺设计初期就得到一个比较好的毛坯形状，大大缩短产品开发周期，减少 实验成本；并且通过计算机自动的定性定量判断可以在毛坯形状设计方面大大 地降低对设计人员的要求。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章有限元逆算法与初始解 在本文中，通过有限元逆算法得到毛坯优化形状的初始解。有限元逆算法 可以快速地直接从零件的理想造型得到毛坯形状。在这一章中简要地说明了在 本文中所采用的有限元逆算法的相关理论知识和三角形单元的本构方程。 2 1 逆算法基本理论。 有限元逆算法基于全量理论假定板料成形过程是比例加载的。如图2 1 所 示，有限元逆算法的大体思想是：从最终构形的三维曲面出发，对其用单元进 行离散，通过有限元方法确定在满足最终构形工件平衡条件的情况下采用理想 形变理论确定最终构形上各节点p 在初始构形平面c o 上的位置p 0 ，从而得到冲 压件的初始毛坯形状以及最终构形工件中的应力、应变和厚度分布等【弘蚓。 图2 1 有限元逆算法示意图 有限元逆算法基于以下假设： ( 1 ) 处于平面应力状态，板料变形过程中只考虑薄膜应变效应： ( 2 ) 材料不可压缩； ( 3 ) 变形属于弹塑性大变形； ( 4 ) 变形过程按比例加载； ( 5 ) 冲头、拉延筋、压边圈对板料的作用简化为法向作用力和切向摩擦力； 在有限元逆算法中，表2 1 列出了有限元逆算法中的已知量和未知量。从表 2 1 可知整个有限元模型大部分建立在板料的最终构形上。 金属板料冲压成形时将产生塑性大变形和大位移，即同时存在材料非线性 和几何非线性，变形机理非常复杂。为了准确地揭示金属板料冲压成形过程中 13 武汉理工大学硕士学位论文 金属的变形规律，这里采用非线性连续介质力学理论来描述金属板料变形过程。 表2 1 有限元逆算法的已知量和未知量 已知量未知量 初始构形c o初始厚度 初始节点坐标 ( 平板毛坯) 初始应力应变形状和尺寸 最终构形节点坐标最终构形厚度 最终构形c 节点垂直方向位移最终应力应变 ( 冲压件) 等效阻力和方向 模具的作用力 任一物体在空间中都占据一定的区域，构成一空间几何图形，将这一空间 图形称为物体的构形。物体运动时，其构形也会随着变化。这里选用两个坐标 系来描述变形体在空间的运动。物体在t 等于零时刻的构形称为初始构形，t 非 零时刻的构形称为现时构形。为了确定物体初始构形中点的位置，通常引入 l a g r a n g e 坐标，记为o x l x 2 x 3 ( 亦称物质坐标系) ，初始构形中任一点的位置由 物质坐标x ( x 1 ，x 2 ，x 3 ) 确定。为了确定物体在现时构形中的位置，引入e u l e r 坐标系o x l x 2 x 3 ( 亦称空间坐标系) 。现时构形中任意一点的位置由空间坐标 x ( x l ，x 2 ，x 3 ) 确定。用物质坐标系x 作为自变量来描述物体的变形和运动时， 称为l a g r a n g e 方法，用空间坐标x 作为自变量的方法称为e u l e r 方法，这两种 坐标系和描述方法是建立变形张量和研究金属塑性变形的前提和基础【3 5 旬9 】。 固体力学中，常采用l a g r a n g e 方法。将空间坐标系o x l x 2 x 3 和物质坐标系 o x l x 2 x 3 重合，如图2 2 所示。质点x i 在现时构形中的位置用初始构形中的位 置x i 和时间t 来描述，运动规律表达为： 轫娥搦形 现时搦形 图2 2 物质点运动示意图 戈= z ( x ，t ) ( 2 。1 ) 质点由初始构形中的x 点运动到空间构形中的x 点的位移u 为： 1 4 武汉理t 大学硕士学位论文 u = x x 若已知物体内所有质点的运动轨迹，就可完全了解物体的运动和变形。 在连续介质力学中，线元长度的改变是定义应变的基础。假设物体的变形 和运动都是连续的，那么物质坐标系o x l x 2 x 3 中的每一个质点唯一和空间标系 o x l x 2 x 3