（材料加工工程专业论文）多工位级进模冲压载体形式对成形精度的影响.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 级进模作为一种复杂、精密的冲压模具，具有高效率、高精度和高寿命等优 点，广泛应用于各个行业的冲压生产中。随着技术的发展，对级进模的成形质量 要求越来越高，但传统的级进模设计中较少考虑到冲压载体的变形对成形精度的 影响，从而造成设计、制造的误差，最终使零件精度下降。由于级进模成形过程 中金属的变形行为非常复杂，利用传统理论手段分析级进模载体的变形问题存在 一定困难，迄今国内外相关的研究很少。 随着计算机技术的迅速发展和有限元理论的日趋成熟，数值模拟在板料成形 研究中的应用越来越广。这种方法可以较精确地模拟分析级进模各种成形，获取 对生产具有指导意义的结论。本文在广泛查阅文献的基础上，在探讨了级进模成 形数值模拟的相关问题基础上，结合数值模拟技术和典型实例，研究级进模载体 形式对级进模成形精度的影响，特别是对级进模拉深以及弯曲成形精度的影响， 得出了对设计级进模具有指导价值的一些结论。 关键词：级进模，载体，有限元法，工艺切口 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h ep r o g r e s s i v ed i ei sak i n do fc o m p l e xa n dp r e c i s ef o r m i n gd i e i tp o s s e s s e s m a n ya d v a n t a g e ss u c h 邵h i g he f f i c i e n c y ， a c c u r a c ya n dl o n gl i f e s oi ti su s e df o r m a n yk i n d so f a u t o m a t i o np r o d u c t i o ni ns h e e tm e t a lf o r m i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g y , t h ep r o g r e s s i v ed i ei sr e q u i r e dm o r ea n dm o r eh i 曲e ri nf o r m i n gq u a l i t y h o w e v e rt r a d i t i o n a ld e s i g ns e l d o mc o n s i d e rt h ed e f o r m a t i o no fs h e e tc a r r i e rd u r i n g s t a m p i n g , t h e r e b y ，i tl e a dt oi n a c c u r a c yo f d e s i g n i n ga n dp r o d u c t i o n , t h e n , i tm a k e t h e a c c u r a c yo f p a r tf a l ld o w n b e c a u s et h ef l o wo f m e t a li nt h ef l a n g i n gf o r m i n gp r o c e s s w e r ev e r yc o m p l e x , i ti ss o m ed i f f i c u l t yt oa n a l y s i st h ed e f o r m i n gi s s u e sf o rc a r r i e ro f p r o g r e s s i v ed i eb yt r a d i t i o n a lt h e o r yw a y s o ，t h es t u d y o nt h ei s s u ew a s r e l a t i v e l yf e w b o t l lh e r ea n da b r o a d w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e n m p u t e rt e c h n o l o g ya n df e m t h e o r y ， f e mh a v eb e e n p o p u l a r l yu s e di n t h ea n a l y s i so fs h e e tm e t a lf o r m i n g t h em e t h o dc a nb eu s e d a c c u r a t e l ys i m u l a t ef o r m i n go fp r o g r e s s i v ed i e g e t t i n gt h eg u l d em e a n i n gc o n c l u s i o n i nt h ep r o d u c t i o mt h i st e x ti so nt h ef o u n d a t i o nt h a tc h e c k st h ec u l t u r a lh e r i t a g e e x t e n s i v e l y , i nt h ef o u n d a t i o no f c o r r e l a t i o ni s s u e sf o rd i s c u s s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o fp r o g r e s s i v ed i ef o r m i n g , c o m b i n a t i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya n d c a n o n i c a le x a m p l e , s t u d yt h ei n f l u e n c eo fs h e e to a l t i e ro ns t a m p i n gp r o c e s so f p r o g r e s s i v ed i e s p e c i a l l y , s t u d yt h ei n f l u e n c eo fd r a w i n ga n db e n d i n go ns t a m p i n g p r o c e s so fp r o g r e s s i v ed i e , a n dg e t t i n gt h es o i ”c o n c l u s i o no fg u i d ev a l u ef o rd e s i g n i n g p r o g r e s s i v ed i e k e y w o r d s ：p r o g r e s s i v ed i e ，c a r r i e r ，f e m ，c r a f t s l o t 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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，也不包含为获得重鏖太堂 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谢意。 学位论文作者签名： 分勇 签字日期：7 年朋日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽态堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重迭态堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名： 扣勇 签- 盲j - 目期：溯年，月砧日 ， 导师签名： 强片 签字日期：卅年r 月以日 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 多工位级进模是一种高效、精密、高寿命的冲压模具，它可以连续完成冲裁、 弯曲、拉深、成形等多道工序，不仅能减少冲模数量、压缩工艺装备投入、降低 成本，而且可大幅度提高生产效率，并实现冲床的自动化生产，确保生产安全【l 】。 与一般的冲压模具不同，多工位级进模由于工序多、结构复杂、尺寸大、精度要 求高，往往需要企业投入很大的人力、物力和财力。级进模冲压成形质量受很多 因素的影响，如起皱或破裂情况、载体形式、毛坯几何形状、冲压方向、摩擦润 滑条件、压边力的大小等。传统的级进模设计、制造十分依赖经验，需要不断的 试模。一般来讲，完成一套普通级进模的设计，最快大约也要l - 1 5 个月。 基于有限元法的数值模拟仿真技术已有几十年的历史，利用该技术不仅能够 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。如今，数值模拟已经成为塑性加工领域的项重要技术，对金属塑 性成形技术的进步产生了巨大的推动作用。为了更好地分析级进模冲压成形，帮 助在较短的时间内得到合理的方案，提高效率和质量，降低成本，本文以级进模 载体为研究对象，结合有限元数值模拟方法，研究了载体形式对级进模成形精度 的影响，提出了一套级进模的设计方法，通过设计、分析评价、再设计的过程来 完成对级进模的优化设计。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 多工位级进模种类很多，应用范围较广，如电子、电机、家用电器等行业。 各类级进模的发展也与它所应用的行业有关，例如，大型空调翅片类级进模是随 着家用空调行业的兴起应运而生的。早期的翅片较简单，相应的模具也比较简陋， 精度也不高。进入9 0 年代，随着家用空调数量的增大，高效率、超大型、精密 复杂、多工位空调翅片类级进模才由美国、意大利、日本的企业设计制造出来。 美国o a k 公司是8 0 年代中期最早研制出大型多工位级进模的，由于这种 模具冲制的翅片铝箔材料厚度仅0 1 1 5 m m ，且宽度在6 0 0 - 8 0 ( k n m ，带料在模具 中十分松软，其定位不能采用传统的导正钉。因此，冲床行程与自动送料装置及 模具三者必须相互协调一致，才能保证送料步距精度。该公司已设计有专用的冲 床与模具配套，模具的设计制造已实现c a d c a m ，模具大部分零配件已实现标 准化，凸凹模互换公差控制在0 0 0 3 r a m 内。日本h i d a k a 公司是这类级进模设 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 计制造的后起之秀，他们借助日本模具技术和机械加工能力，很快研制出世界上 功能最齐全的翅片类级进模，其大模板幅面尺寸达到2 2 0 0 x 1 5 0 0 m m ，送料进给 采用4 跳步，一次能冲出7 2 件翅片产品。与此同时，他们将日本最新研制的耐 磨材料超硬合金( 一种粉末模具钢) 用于模具凸凹模制造，使模具的使用寿命有了 明显的提高。近年模具技术水平也超过美国o a k 公司，目前，该公司生产的模 具几乎占据了中国所有大的家用空调生产厂家。 国外级迸模c a d c a e c a m 的研究始于上世纪6 0 年代末，7 0 年代便有初 步应用，但仅限于二维图形的简单冲裁级进模，其主要功能如条料排样、凹模布 置、工艺计算和nc 编程等。弯曲级进模c a d c a m 系统出现在8 0 年代，如日 本日立公司和富士通公司的弯曲级进模系统等。为了能够适应复杂模具的设计， 富士通系统采用了自动设计和交互设计相结合的方法，在该系统中除毛坯展开、 弯曲回弹计算和工步排序为自动处理外，其余均需要设计人员的参与口】【3 4 1 s 1 。 我国是进入8 0 年代后才开始研制级进模的，尽管经历了近二十年的努力， 从无到有，有了较大的发展。如8 0 年代后期的大连电机厂、上海星火模具厂、 南京7 2 0 厂和9 0 年代中期后来居上的湖南钻石硬质合金工具有限公司、天水长 城精密模具厂、北京市机电研究院精密模具公司，在消化吸收国外先进级进模技 术的基础上，自行研制出的一些中小型级进模，在生产中获得了较好的使用效果。 级进模c a d 方面，许多高等院校作了大量的工作，如浙江大学、上海交通大学 等。本世纪初，美国u g s 公司与我国华中科技大学合作在u g - 2 o ( 现为n x ) 软 件平台上开发出基于三维几何模型的级进模c d 虻a m 软件n x - p d w 。该软件 包括工程初始化、工艺预定义、毛坯展开、毛坯排样、废料设计、条料排样、压 力计算和模具结构设计等模块。具有特征识别与重构、全三维结构关联等显著特 色，已在2 0 0 3 年作为商品化产品投入市场。与此同时，新加坡、马来西亚、印 度及我国台湾、香港有关机构和公司也在开发和试用新一代级进模c a d c a m 系 统 6 - 埘。 与国外工业发达国家比较，我国的多工位级进模技术仍然存在较大的差距， 主要表现在：冲压工序比较单一，多数以冲裁级进模为主，少部分为冲裁拉深 级进模，模具结构比较简单、功能性不强。模具模板幅面尺寸比较小，一般在 1 2 0 0 x 6 0 0 m m 内，一次冲制的产品数量也在十几件以内，属中小型级进模。模 具精度不高，冲裁间隙误差在0 0 1 5 r a m 以上，制件产品易产生毛刺。模具使用 寿命相对较短，一般一次刃磨在5 0 万次以内，模具材料主要以普通模具钢为主 或采用硬质合金。另外，国内很少有人在此领域从事深入系统的研究1 1 3 1 4 】嘲。 近年来，人们也意识到模具技术是与被加工材料、模具加工设备和模具材料 密切相关的，我国总的工业水平落后于国外工业发达国家，因此，不能完全照搬 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 国外的模具结构和标准，必须有适用于本国国情的模具设计思想和理论。国内级 进模技术面临如何在消化吸收国外先进模具技术的基础上，结合本国的国情来设 计制造自己的模具产品这一重大课题。随着我国工业化进程的加速，大型多工位 级迸模的需求将会越来越大，在模具设计、制造方面，国内迫切需要有自己的理 论指导和实践经验来实现高品质模具国产化。 1 3 研究内容 国内外现有文献对级进模的排样等问题已有深入研究，但涉及载体形式对级 进模成形精度影响的研究则几乎没有。本文利用有限元模拟软件d 删i f o m 和生 产实例，对常用的拉深、弯曲成形方式进行了系统分析，特别是级迸模载体形式 对板料变形和成形精度的影响。主要内容包括： 级进模成形数值模拟过程及其关键技术； 载体形式对级进模拉深成形精度的影响； 载体形式对级进模弯曲成形精度的影响。 1 4 研究目的及意义 获得提高级进模精度的设计理论和方法，在设计阶段就对工艺进行优化，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产品，持续稳定的大批量生产， 用最少的成本创造最大的社会经济效益。 1 5 研究的可行性 重庆大学模具实验室拥有u g 、p r o e 等c a d 造型软件、d y n a f o r m 、 d e f o r m 等模拟仿真的有限元分析软件，并有资深的教授和老师的指导。 另外，实验室与我市众多的模具企业建立了良好的协作关系，为该课题的开 展提供了良好的条件。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。 3 重庆大学硕士学位论文2 金属扳料成形有限元理论 2 金属板料成形有限元理论 2 1 板料成形力学特点 板科成形过程是一个同时包含几何非线性、材科非线性和边界条件非线性的 极其复杂的高度非线性问题，具有以下的特点： 板料变形过程具有大变形、大位移、大转动的特点，必须采用有限变形 理论才能真实地描述其变形特点； 弹性变形和回弹必须加以考虑，一般不采用刚塑性材料模型，而采用弹 塑性材料模型； 由于材料本构关系与屈服条件有关，必须选择能够描述板料各向异性特 点的屈服准则； 板料成形时通常须考虑弯曲效应，不采用薄膜单元，而采用壳单元 2 2 弹塑性有限变形理论基础 在板料变形过程中，由于产生大位 移和大转动，小变形弹塑性分析中的应 力、应变的度量方法己经不再适用，必 须重新定义有限变形中的应力和应变【阍。 首先讨论变形肘物体的运动描述。 物体构形和运动的描述 物体中所有物质点瞬时位置的集合一 某一瞬时物体在空间占据的区域y 定义 为该物体的构形1 在三维坐标参考系中( 见图2 1 ) ， 设在t - - t o = 0 时刻物体任一质点a 的位 图2 1 物体的构形 f 螗2 1t h eo _ b j e c lc o n m r u e ts h a p e 置坐标为五( f = l ，2 ，3 ) ，此时的构形，为初始构形，记为k 。此后某一时刻f ， 物体运动到一个新位置，各质点间的相互位置关系发生了变化，物体产生了变形， 质点a 的位置坐标从置改变为 而( f = l ，2 ，3 ) 。显然而是置和时问t 的函数，即 而= 薯【墨，五，五，0 ( 2 1 ) 变形态构形或变形后构形记为矿 假设物体及其运动和变化都是连续的，则k 中每一质点互仅与v 中一个质 点而对应，反之亦然。于是，可认为函数而( 置，o 是单值、连续和可微的，且雅 重庆大学硕士学位论文2 金属板料成形有限元理论 可帅删，行列式不等于引一，_ l 剖。 也有 五= z ( 五，x 2 ，x 3 ，哆( 2 2 ) ，：l 堕i o 。i 吗i j = ，。1 因此，对物体质点的运动，可以有两种描述和研究方法一种是把物体质点 的运动和物体的各物量看成是物质坐标置和时间t 的函数，并研究这些函数的 变化规律，这样的描述和研究方法，称为拉格朗日方法，适用于固体力学问题的 描述。另一种方法是把物体质点的运动和物体的各物理量看成是空间坐标五和时 间t 的函数，并研究这些函数的变化规律，这样的描述和研究方法称为欧拉方法， 一般用于流体力学问题的描述。对于板材成形问题的运动学研究，采用拉格朗日 描述。 2 3 有限变形弹塑性本构关系 本构关系用来描述变形体中应力与应变之间的对应关系。对于金属板料塑性 成形过程来说，需要建立弹塑性的本构关系。在小变形问题中，物体构形的变化 很小，欧拉描述和拉格朗日描述是一致的。此时建立的是小变形弹塑性本构方程。 在有限变形问题中，变形前后物体的构形发生了明显的变化，在这种条件下建立 本构方程时要求它满足客观性，即要求具有客观性的应力变化率和应变变化率来 描述。有限变形条件下的弹塑性本构方程与小变形弹塑性本构方程在形式上是相 同的，只需将小变形弹塑性本构方程中的应力和应变换成具有客观性的应力率和 应变率。 小变形条件下关于应力增量的弹塑性本构方程的一般形式为 d a = d 9 如 ( 2 3 ) 其中ld ，l 称为小变形弹塑性矩阵。 有限变形条件下，由柯西应力张量的久曼导数和阿尔曼斯应变张量e 构 成建立速率型本构关系的合适匹配，因此将其分别替代式( 2 3 ) 中的应力增量 和应变增量，可以建立有限变形条件下关于应力速率的弹塑性本构方程【l 叼 = 踢e p 白- ( 2 4 ) 写成矩阵形式 彦7 = d 9 日 ( 2 5 ) 5 重庆大学硕士学位论文 2 金属板料成形有限元理论 在冲压成形仿真研究中，早期的研究者大多把坯料处理为各向同性材料，采 用v o n m i s e s 屈服条件嘲，但是冲压所用的板材一般是经过多次辊轧和热处理制 得，由于轧制使板材形成纤维性的织构，具有明显的各向异性刚。这种各向异性 对板材的成形规律有明显的影响，因此在分析板料成形问题时要考虑这一因素。 目前，在板科的各向异性屈服条件中应用的比较多的是描述厚向异性的h i l l 屈服 准则，下面讨论h i l l 厚向异性屈服准则下的本构矩阵口”。 h i l l 提出的正交各向异性材料的屈服准则为2 2 1 曩吒一) 2 + g ( 一a ；1 ) 2 + 叫q 广) 2 + 2 峨+ 2 磁+ 撇；= l ( 2 6 ) 式中f 、g 、日、m 、n 是和材料屈服性能有关的各向异性常数。 对板料成形可以使用平面应力假设，h i l l 正交各向异性二次屈服准则可以简化为 ，盯乏+ g + 日( q l a 2 2 ) 2 + 2 畦= l( 2 7 ) f 、g 、h 、n 之间有以下关系 n 肚专心柏2 专, f + g = 勺i - - 三- 2 匆 亿s ， 盯订，盯，：，q ，分别是对应方向的单向拉伸屈服应力。 一般在使用h i l l 屈服准则时，忽略板料的面内异性仅考虑板料的厚向异性 ( ，= g ) ，此时有 g 埘= 日+ ，2 孑1 ( 2 9 ) 其中仃。是板料面内的屈服应力，并可得到简化的h i l l 屈服准则： 以+ 畦一鲁q 。+ 2 等q ：= 一 ( 2 - o ) 式中r 厚向异性系数 h hh g f2 h n 因此h i l l 厚向异性屈服准则所对应的屈服函数为 ，= 矗+ 2 一鲁q 。+ 2 筹q ：= 厅2 相应的弹塑性本构矩阵r d ，1 为 6 ( 2 1 1 ) 佗1 2 ) 重庆大学硕士学位论文2 金属板料成形有限元理论 r d ， ；三 lj 1 一一 l1 1 1 ，1 o 0 o 0 l 一1 ， 2 e 一q ( 1 - v 2 ) 。 ( s + v s j 1 谂铲：褥剐 ( 2 1 3 ) 瓦甲 q = 4 91 - _ e f _ 1 ，2 矿月+ 硫+ 2 蝎。+ 醍+ 2 ( 1 一v ) 4 ( 2 1 4 ) 耻丛甓产 ( 2 1 5 ) r + z = 丛产 ( 2 1 6 ) 墨：= 百( 2 r - 1 ) t n ( 2 1 7 ) 将式( 2 1 6 ) 代入式( 2 8 ) 中，即可得到h i l l 厚向异性屈服准则下的有限变形弹 朔件太构芒磊的亘佐形吉 2 4 接触摩擦处理 2 4 1 接触处理 在板材深冲成形过程中，作用于板材并使之产生所需的塑性变形的力的唯一 来源是模具对板材的接触和摩擦作用。模具与工件间的接触界面的处理对板材成 形模拟结果的影响极大。 实际中两个边界的接触总是发生在一定的面积上，接触力也就按一定规律分 布在这接触面上。对于接触体系在运动中所表现的几何非线性和材料非线性，通 常采用分步求解的方法。即将时间域 o r 】分成许多子域【“，】，i = l ，2 ，3 ，其 中t o = o t l - i ，t x = t ，于是得到形成这些子域的时刻t o ，2 ，t x 。现在假设只 需求这些离散时刻的解，而不需求整个时间域任一时刻的解。 为求。时刻的解，假设毛时刻的解为己知。只要在这个假设条件下能够求 出。时刻的解，任意时刻的解都能求出，因为t o = o 时刻的解是己知的，可用来 求时刻的解；f l 时刻的解求出后又可求f 时刻的解。依此类推，t x 时刻的解也 就可求出了。这样采用离散处理后，接触边界的处理实际上变成了单个接触点的 处理。因此，接触边界处理中的基本问题可概括为以下几方面t 接触搜寻 7 重庆大学硕士学位论文 2 金属板料成形有限元理论 接触点的搜寻指通过计算找出所有离被接触块足够近而应作为己接触点处 理的节点。 接触力计算 当接触点找出后，就要根据物体的运动规律计算接触力。接触力的计算受接 触约束条件的限制，即接触点不能穿透被接触边界并且接触力不能为拉力。常用 来计算接触力的约束方法有罚函数法和拉格朗日乘子法。在罚函数法中，位于一 个接触面上的接触点允许穿透与之相接触的另一个接触面，接触力的大小与穿透 量成正比，即 z = 仃s( 2 1 8 ) 式中，口是罚因子，s 是接触点的法向穿透量，负号表示接触力与穿透方向 相反。 在拉格朗日乘子法中，接触力是作为附加自由度来考虑的，其泛函形式除了 包含有通常的能量部分外还附加了拉格朗日乘子项 兀( “， ) = - ；u r k u - - u r f + a 7 ( p u + o d ) ( 2 1 9 ) 式中，【，结点位移向量： 置刷度矩阵； ，_ 结点力向量； 拉格朗日乘予； d = ( q k + o d ) 为接触点的透入量向量。 由最小能量原理可得有限元方程： k p l = 毪q 2 0 ) 其中 墨= 匿等 五= fj d = 阴 求解方程即可得到节点位移和拉格朗日乘子，拉格朗日乘子的分量即为接触 点处的法向接触力。 2 4 2 摩擦处理 摩擦是一种十分普遍和重要的物理现象，通常是指两物体表面接触时产生的 重庆大学硕士学位论文 2 金属板料成形有限元理论 阻碍两表面作相对切向运动的一种行为。产生摩擦现象最本质的原因是物体表面 的租糙性，使得两种表面发生接触时，实际上只有一部分较为突出的表面真正产 生接触。在深冲成形过程中，摩擦现象有着举足轻重的作用，有时需要加强摩擦 作用，如增大压边力，有时需要降低摩擦作用如涂润滑剂。其主要目的是控制材 料在模具中的流动。摩擦力的准确计算对板材成形非常重要。目前适用的摩擦定 律仍是库仑摩擦定律，只是作了适当修正。 由经典库仑摩擦定律可知，当两个接触物体间的切向摩擦力小于临界值z 时，两接触面间没有相对滑动。这个临界值与法向接触力c 成正比即： f t = ，l ( 2 2 4 ) 式中。表示静摩擦系数。当两接触体开始产生相对滑动时，它们间的摩擦 力f 就为临界值。 在两个物体的相对滑动中，摩擦力的大小与法向接触力成正比，其方向与切 向相对运动方向相反即： c = 胁只形i v , i ) ( 2 2 5 ) 式中肋为滑动摩擦系数，k 为相对滑动速度。 经典摩擦定律是遵循只有当切向应力达到某一临界值时，接触表面才会产 生局部位移这一假设的前提下应用的，一般适用于刚体的摩擦行为。但对于变 形体无论多么小的摩擦力都会产生一定的微小相对滑移。因而，经典摩擦定律修 正为非线性摩擦定律； 只= - p 只三a r c t 她( 志) t q 2 6 ，只= 只兰a r c i 她l i 三毫鬲l ( 2 ) 露 k y 乙 矗lj 式中f 摩擦力； c 正压力； 摩擦系数； r v c n s t 系数，典型值为0 0 1 - 0 1 ； e 目对滑动速度； t 相对滑动速度的切向量。 2 5 缺陷分析 在板料成形中，主要的成形缺陷是起皱和破裂。这两种缺陷都是由于工件的 变形失去稳定性( 即失稳) 引起的，但各自有不同的特点。起皱属于受压失稳， 其变形特点是由面内变形模式变为弯曲变形模式。受压失稳在弹性或弹塑性状态 下都可以出现，主要受刚度参数的影响。破裂属于受拉失稳，其变形特点是由均 9 重庆大学硕士学位论文2 金属板料成形有限元理论 匀变形模式变为局部化的变形模式，最终变形集中于一带状区域中，发展成为破 裂。受拉失稳发生在塑性变形阶段，主要受强度参数的影响。在复杂冲压件的成 形中，这两种缺陷可能同时出现网 板料成形问题可抽象为弹塑性有限变形的边值问题。成形过程的稳定性可由 该边值问题解的唯一性和稳定性来分析。 在简单的情况下，可以求得壳体， 结构受压失稳的解析解。但是板料冲 压成形过程十分复杂，成形中的起皱 有一个产生和发展的过程有的皱纹 可以在加工中压平消失，回弹过程中 也可能出现皱纹。因此，只能利用有 限元模拟等数值方法来追踪起皱的 整个发展过程。由于起皱要由离散点 的位移场来反映，因此应在起皱发生 的部位采用密网格，以便准确地反映 皱纹的形状。最好采用自适应网格重 分技术，根据皱纹的大小调整局部网 i x 口 _ x ， 图2 2 成形极限图 晦2 2f o m l i n g l i m i td i a 舯m 格的疏密。板料成形中塑性变形的局部化是一个涉及范围很小的失稳问题。其发 生和发展的过程与材料的初始缺陷、损伤的发展和变形的不均匀性等因素相关， 是一个十分复杂的问题。由于上述原因以及板料成形过程的复杂性，成形模拟中 难以通过细分单元的办法来追踪变形局部化直到破裂的发展过程。目前常用的方 法是利用成形极限瞌线作为破裂的判断准则。成形极限图可以通过试验或理论分 析建立，如图2 2 所示。它表明了在简单加载条件下，板料出现局部颈缩时面内 的宏观均匀主应变值。这些主应变值的连线构成了成形极限曲线。当计算所得的 某点的主应交值处在成形极限曲线以下( 如图中的p 点) ，该点处的材料是安全 的；当算得的主应变值处在成形极限曲线以上( 如图中的q 点) ，认为该点处材 料开始或已经发生破坏紧靠成形极限曲线的区域为临界区。 2 6 本章小结 阐述了板料有限变形下的本构关系，给出了i - j i l l 厚向异性屈服准则下的 本构矩阵。 对接触摩擦处理等关键技术进行了阐述。 分析了板料成形数值模拟中接触摩擦处理以及缺陷分析的方法 重庆大学硕士学位论文3 级迸模冲压成形数值模拟的关键技术 3 级进模冲压成形数值模拟的关键技术 3 1 引言 复杂零件的成形常需要多个工序，才能获得合格的工件。多工位级进模成形 过程中，除了最后的工位外，其余工位上的坯料都是半成品，各工位之间的材料 可能在几何尺寸、材料性能、力学性能和厚度等方面发生变化，特别是上一步的 应变会保留到下一工位的成形中，可能出现加工硬化。利用有限元建模及仿真技 术来实现级进模拉深成形的数值模拟，需要妥善处理各工位之间的应变继承” 问题，从而预测成形缺陷以及监控成形过程，更好地指导工艺及模具设计。 3 2 多工位级进模成形有限元数值模拟步骤 多工位级进模成形数值模拟过程如图3 1 所示。 3 - 3 多工位级进模成形数值模拟的关键技术 多工位级进模的成形就其每一步来说，仍然是和单工序成形机理相同。但相 对于单工序成形的数值模拟，多工位级进模成形的数值模拟中有一些特殊问题包 括：几何模型的建立、单元类型的选择和网格划分、边界条件的处理和板料与模 具间干涉，以及工步间信息的传递等。 3 。3 1 几何模型的建立 几何模型是进行多工位级进模成形数值模拟的前提，准确而有效地描述模具 的几何形状是进行板料成形有限元数值模拟关键技术之一。一般说来，数值模拟 中模具和坯料的几何模型可以通过两种途径建立：一是比较规则的简单曲面可以 利用数值模拟软件本身具有的一些简单造型功能，由点、线经过拉伸、扫掠等操 作建立；二是对于比较复杂的曲面模型，必须通过专用的大型c a d 软件( 如u g ， p r o e n g e e r i n g ，c a t i a ，s o l i de d g e 等) 建模，生成所需曲面的各种能被数 值模拟软件读取的交换格式文件( 如i g e s ，p r t r a n 等) ，然后导入到数值模拟 软件中。本文就是利用业界广泛应用的建模软件u g 建立模型，然后转换成i g e s 格式读入到数值模拟软件中鲫瞵】。 但在多工位级进模成形的几何模型建立过程中，应注意以下几点： 为了获得高质量的几何模型，第一次成形过程中坯料、凸模、凹模与压 边圈的几何模型可以直接利用u g 建立模型，以后各次拉深过程中压边圈的几何 模型由上一次变形后的坯料偏移一定的压边间隙得到，凸模、凹模的几何模型通 过u g 建立，然后转换成d y n a f o r m 能够读取的标准交换格式文件。 重庆大学硕士学位论文3 级进模冲压成形数值模拟的关键技术 在进行格式转换之前，一定要利用建模软件的缝合功能将具有共同边界 的单面缝合成一张整面，以保证在读入到d y n a f o r m 后的曲面模型网格划分 后在共同边界线上，同一节点位置只有一个节点和不会出现网格错位现象。 第一次成形 第二次及以 后工位成形 图3 1 多工位级进模成形数值模拟过程 f i g 3 1t h e 弘“糙sa f 曲啷i l 椭m 嘶- p 硎加p t d i 尹嘲i v ed i ef o r m i n g 重庆大学硕士学位论文3 级进模冲压成形数值模拟的关键技术 对于特征较多或较复杂的曲面模型，应该首先进行特征合并，尽量简化 曲面模型的数据结构瞄】。 3 3 2 单元类型选择和网格划分 单元类型的选择和网格划分是有限元数值模拟的重要环节，单元类型的选择 应综合考虑计算效率和计算精度两个方面。在8 种单元中，h u g h c s o l i u ( h l ) 单元 和b e l g t s c h k o t s a y ( b t ) 是最常用的两种壳体单元。h l 单元具有很高的计算精 度；能正确描述变形体在大变形时的刚体转动，保证了计算中本构方程的客观性； 由于h l 单元是从三维实体单元退化而来，和实体单元兼容，可以方便地实现与 实体单元的过渡和连接；可以考虑横向剪切应变；可以计算板料的变薄程度，由 于h l 单元的计算量太大，所以h l 的计算效率不高。b t 单元采用一点g a u s s 积分和协转动坐标技术，降低了非线性运动的复杂度，虽然计算精度不如h l 单 元，但计算效率差不多比h l 单元提高一倍。因此，本课题在模拟时一般选用计 算效率和精度都可以接受的b t 单元。 曲面模型建立以后，就要对各个曲面模型进行适当的单元划分，单元划分得 合理与否在一定程度上会影响到计算的精确度和计算时间。 在单元划分时，最重要的是处理好网格划分控制参数，选取划分控制参数时， 要尽可能保证所划分出来的网格对原曲面有较好的拟合度且尺寸尽量均匀，尺寸 相差较大的网格模型会显著增加计算时间，一般网格控制参数应控制在2 - 6 r a m 。 通常，在弯曲变形较大的部位或角点附近单元划分得密一些，在变形较小或没有 弯曲的部位单元可以划分得稀疏一些。根据多工位级进模成形的特点，第一次成 形模拟的有限元网格可以划分得比较小一些。以后各工步中，由于坯料的网格是 从上一步直接得到的，不需要重新划分网格，而板料经过变形后单元尺寸会增大， 所以以后各工位成形模具的网格尺寸应逐级增大，这样既可以保证整体网格的均 匀性，又可以减少网格的数量，从而使计算时间减少。同时为了更好地反映材料 变形特点，在各次模拟中均采用自适应网格划分技术，以便在计算过程中根据实 际情况自动细划网格。 3 3 3 边界条件的处理和板料与模具间的干涉处理 接触算法和摩擦模型等边界条件的处理一直是板料成形数值模拟理论的难 点之一，它直接影响数值模拟的精度和效率。 板料冲压成形过程中，变形力是通过模具与板料的接触来传递的。由于接触 摩擦模型中拉格朗日乘子法和直接约束法均不能处理压边问题，实际成形模拟过 程中往往采用罚函数法模拟接触过程。这种方法常常与动态显式算法相匹配，广 泛应用于板料成形模拟领域。 对于罚函数法而言，接触力施加是依靠板料节点对模具单元的穿透罚值实现 重庆大学硕士学位论文3 级进模冲压成形数值模拟的关键技术 的，因此，存在板料与模具的干涉问题。这一现象对于单工步成形模拟而言一般 不会出现问题，然而在多工位级进模成形模拟过程中却常常由于前后工序间接触 条件的改变，造成下一工步成形模拟开始阶段错误的罚力施加，导致模拟失败。 借鉴工艺设计中前后工步同一模具缩尺传递原理，北京航空航天大学的张晓 静、周贤宾【2 7 】等提出了多工步成形模拟接触厚度递减传递”原则。即对于同一模 具而言，后继工步板料与模具的接触厚度必须略小于前一工步板料与模具接触厚 度一定数值，避免板料与模具发生干涉。由于采用了前后工步间模具与板料接 触厚度递减传递劣法，几位学者成功解决了汽车覆盖件多工步模拟中板料与模 具的干涉问题。本文在对多工位级进模成形的数值模拟中也采用了这一方法，得 到了很好的模拟结果。 在实际模拟过程中，根据d y n a f o r m 软件的特点，采用以下措施保证多 工位级迸模成形的成功模拟。 在模具定义好之后，不采用自动对模技术，而是通过手上对模来保证模 具和坯料之间的接触正确无误。 以上首次变形后的坯料作为本步模拟的初始坯料，定义它的材料类型和 单元类型后，删除其网格信息和节点信息，然后写出用于计算的d y n 输入文件。 3 3 4 工步间变化历史信息的传递 多工步成形分析与单工步成形分析不同，它牵涉到前后两个工步间工件信息 的传递问题。后面工步分析模型中的工件信息应该完整地体现在上一步的分析结 果中，如工件成形后的各单元节点的坐标值，单元的应力、应变信息，当前工步 中工件的分析数据应在这些信息的基础上进行分析，即多工步分析使用上一步分 析结果作为工件信息。为保证前后工序间节点几何力学信息、单元应力应变场信 息等的准确传递，多工位级进模成形模拟中，应当遵循以下几个原则： 工步间变形历史信息传递过程中变形体的节点和单元编号固定原则。 工步间变形历史信息传递过程中禁止添加变形体单元或节点的原则。 后继工步前处理过程中，遵循新增模具网格编号向后排序原则，避免新 模具网格信息读入过程中新旧网格编号发生干涉。 3 4 本章小结 探讨了级进模成形数值模拟过程及关键技术研究，给出了在有限元软件模拟 中，单元类型的选择及网格的划分、边界条件的处理、以及各工步之间应力、应 变的继承需要遵循的原则。 1 , 4 重庆大学硕士学位论文4 载体形式对级进模拉深成形精度的影响 4 载体形式对级进模拉深成形精度的影响 4 1 引言 本章借助d y n a f o r m 有限元软件分析了拉深时载体变形所引起的步距误差和 对条料变形影响的结果，从而可以优化条料排样设计的工艺切口。 4 2 级进模拉深成形工艺概述 拉深是把平面形状的毛坯，借助于模具的作用，制成开口空心形状零件的一 种冲压工艺方法。用拉深工艺可以制得筒形、阶梯形、锥形、球形、盒形件、以 及其它形状复杂的零件，如图4 1 所示。零件尺寸小的只有几毫米，大的可达 2 - 3 m ，精度可达i t 8 1 0 级，表面光洁，因而在汽车、飞机、拖拉机、电器、仪 表、电子等工业以及日常生活用品的生产，拉深工艺占有重要地位。它是冷冲压 的基本上序之一。 印口口审 中也。 零夺 四玄 囟廖 ljll 图4 1 拉深件示意图图4 2 级进模拉深成形示意图 f i g4 1s k e t c hm a po f d r a w i n gp a r t sf i g 4 2s k e t c hm a po f d r a w i n gf o r m i n gi np r o g r e s s i v ed i e 在级进模拉深成形时，不像单工序拉深模那样以散件形式单个送进，而是通 过带料以组件形式连续送进，如图4 2 所示。通过载体、搭边和坯件连在一起的 组件，实现稳定送料。由于级进拉深时，不能中间退火，故要求材料具有较高的 塑性，同时由于级进拉深过程中工件之间的相互制约，因此每一工位拉深的变形 程度不可能太大，且零件间留有较多的工艺废料，材料的利用率比单工序模更低。 4 3 级进模拉深成形特点 由于级进模拉深所用的材料比用单工序模要大，使得级进模拉深成形工步的 材料流动阻力增大为了减小拉深成形的流动阻力，有时会在拉深前后工步之间 重庆大学硕士学位论文4 载体形式对级进模拉深成形精度的影响 冲裁出切口，使它们相对分离。但由于拉深工步与相邻的其他工步之间仍有部分 材料相连，材料变形需要更多的能量，因此变形比单个零件的拉深变形仍然要困 难一些。同时，它的边界条件和压边条件等也都与单工序模有差别。 4 4 级进模拉深变形过程分析 在分析级进模拉深变形过程中，由于其变形过程与单工序拉深变形过程基本 是一样的，因此我们利用单工序拉深变形过程研究的 方法对级进模拉深变形过程进行了理论分析。 4 4 1 板料拉深时的变形过程 在拉深成形过程示意图4 3 中，圆形平板坯料置 于拉深凹模之上，拉深凸模和凹模分别安装在压力机 的可动部分( 即冲头) 与固定部分( 即下上作台面) 上。当 凸模向下运动时，凸模的底部平面首先压住中间部分 直径为d 的坯料；凸模继续下行，即将坯料的环行部 分( d o d ) 一凸缘逐步拉入凹模型腔内，凸缘材料 便不断转化为零件( 直径为d ) 的筒壁。由此可见，拉 深成形的实质就在于凸缘部分的变形，拉深成形过程 就是使凸缘逐步收缩形成为零件筒壁的变形过程。 图4 3 拉深过程示意图 f i 9 4 3s c h e m a t i ci l l u s w a f i o no f c u pd r a w i n gp r o c e s s 在拉深时，平板坯料的各部分的受力和变形情况是不同的，而且随着拉深过 程的进行而不断变化。从变形的角度分析，可以将拉深成形的立体状零件分为五 个部分区域，如图4 4 所示。凸缘区域a b c d ，凹模圆角区域c d e f 、筒壁区域 e f g h ，凸模圆角区域g h i j 和筒底区域o f f 。 b 图4 4 拉深件的各成形区域 f i 9 4 4f o r m i n g 剐腓o f d e e p - d r a w i n gp a r t 1 6 重庆大学硕士学位论文 4 载体形式对级进模拉深成形精度的影响 凸缘区域a b c d 是拉深成形的主要变形区域，级迸模拉深变形与单工序拉、 深变形最主要的区别就在该区域，单工序拉深变形的圆形毛坯是处于自由状态 的，而级进模拉深变形的圆形毛坯受到整个板料的约束，于是该区材料在凸模 压力的作用下不断被拉入凹模型腔内转化为筒壁，同时其外缘直径不断缩小。因 此，材料处于径向受拉、切向受压的平面应力状态，并在径向和切向分别产生伸 长和压缩变形，板厚由内向外逐渐增厚，凸缘外沿处板厚增加最大，因此，应变 状态是三维的。该区是拉深的主要变形区域。 当凸缘材料向凹模型腔内流动而进入凹模圆角区域时，材料在凹模圆角区的 边界c d 处，首先经受一次由直变弯的弯曲过程，以使坯料与凹模圆角贴合。当 材料离开凹模圆角区域转化为筒壁的一部分时，材料又经历了一次由弯变直的弯 曲过程。这两次弯曲变形，既使材料的厚度减薄量大为增加，又为材料成形附加 了弯曲阻力和摩擦阻力，造成拉深成形力大大增加。在凹模圆角区域c d e f ，材 料的应力状态为径向受拉，切向和厚向受压的立体应力；应变状态为径向拉伸， 切向压缩，厚度减小的三维应变状态。 由于凸模与凹模之间的单面间隙略大于材料厚度，材料被拉入凹模型腔内转