（机械工程专业论文）硬币成型过程仿真技术研究.pdf

at h e s i sf o rm a s t e rd e g r e ei nm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s t u d yo ns i m u l a t i o nt e c h n o l o g y o fc o i ns h a p i n gp r o c e s s b y z h a o f e n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rg u o l i x i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：龟吟 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、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 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学工程硕七学位论文 目录 独创性声明 摘要。i a b s t r a c t 第1 章绪言。1 1 1 研究的目的和意义1 1 2 相关问题的国内外研究概况2 1 2 1 有限元模拟技术2 1 2 2 金属体积成形简介3 1 2 3 国外体积成形模拟软件介绍4 1 2 4 造币领域的仿真分析应用现状5 1 - 3 研究内容6 第2 章硬币生产工艺简介 2 1 硬币生产的工艺流程7 2 1 1 冲饼和滚边形7 2 1 2 压印1 0 2 2 硬币压印成形过程的塑性变形特点1 1 2 3 影响压印质量的因素1 3 2 3 1 模具对产品的影响1 3 2 3 2坯饼的影响1 4 第三章：金属塑性成形的有限元基本理论1 6 3 1 有限元法的基本方程1 7 3 1 1 单元几何关系1 7 3 1 2 单元本构关系1 9 3 1 3 有限元法中常采用的单元类型及其形状函数1 9 东北大学工程硕十学位论文 3 1 4 平面三结点三角形单元的有限元分析一般过程2 2 3 2 体积成形有限元法2 4 3 2 1 金属体积成形三维有限元仿真的关键技术2 5 第4 章硬币成形过程数值模拟流程的确定3 1 4 1 仿真分析流程简单介绍3 l 4 1 1 印模和坯饼几何模型及相应数据库建立3 l 4 1 2 印模和坯饼几何模型读入和定义3 5 4 1 3 成形参数设置3 5 4 1 4 单元网格划分3 6 4 1 5 生成求解计算数据库3 7 4 1 6 求解器计算3 7 4 1 7 后置处理3 8 4 1 8 压印试验与数值模拟结果对比。3 8 4 1 9 从仿真分析结果出发，指导实际生产。3 8 4 2 本章小结3 8 第5 章硬币成形过程有限元模拟的应用3 9 5 1 有限元模拟分析流程3 9 5 2d e f r o m - 3 d 前处理系统设置3 9 5 2 1 模型的建立和导入3 9 5 2 2 网格划分4 l 5 2 3 材料添加4 l 5 2 4 模型定位4 2 q 5 2 5 接触关系定义4 2 5 2 6 模拟控制设置4 3 5 2 7数据文件生成4 3 5 3 模拟计算及后处理4 4 5 4 初始阶段的仿真分析研究4 4 5 4 1 分析模型描述4 5 5 4 2 仿真分析结果4 6 东北大学工程硕士学位论文 5 5 坯饼光边的仿真分析。5 0 5 5 1 模拟结果分析5 3 5 6 实际产品的压印仿真分析研究5 6 5 6 1 结果分析5 9 第六章结论6 4 6 1 全文总结6 4 6 2 展望6 4 参考文献 致谢 6 6 6 8 东北大学工程硕七学位论文 摘要 硬币成形过程仿真技术研究是借助于现代计算机技术，采用有限元数值分析方法， 利用d e f o r m 3 d 仿真分析软件，实现硬币成形过程的数值模拟分析。通过模拟仿真研 究硬币成形过程中的金属流动、图纹状态、坯饼参数、材料性能及受力情况，预测产品 成形结果和质量缺陷，优化相关成形工艺参数，降低成本，提高效率，提升产品设计制 造水平。可应用于各种币、章新产品的设计开发，降低试验风险，提高试验效率，缩短 开发周期，为相关参数的优化提供依据。本研究分为硬币坯饼成形过程仿真分析和硬币 压印成形过程仿真分析两部分。 硬币坯饼成形过程仿真分析主要是通过对几种主流产品的坯饼边形仿真来解决生 产中的一些实际问题，首先通过三维软件建立仿真分析所需的工件和工具模型，然后导 入d e f o r m 3 d 软件进行实际的光边成形分析，在这个过程中，仿真分析所需的参数设 置是非常重要的，它直接影响着模拟结果的精确度。 硬币压印成形过程仿真分析是本文研究的重点，主要有两个方面，一是三维浮雕图 纹的建立，二是仿真分析参数的设置。通常的硬币压印成形是多次的，因此还需要进行 多次压印仿真分析，才能和实际过程相符。三维浮雕图纹主要通过逆向工程和浮雕软件 建立，然后导入d e f o r m 3 d 软件进行仿真分析，计算完成后，对仿真分析的结果和实 际压印结果进行对比，验证参数设置是否合理，同时针对产品产生的缺陷，优化产品设 计。 通过模拟计算，分析了坯饼变形情况、应力应变，载荷大小，以及部分点的运动情 况，得到了坯饼光边及压印模型的最佳参数，对实际的压印力、压印次数、以及产品缺 陷都给出了很好的预测。因此，硬币成形过程的仿真分析研究，可以提供一个基于有限 元数值模拟和多目标优化技术的硬币设计分析平台，其涵盖了整个产品的设计过程，并 能够实现全过程的数字仿真技术支持，减少试模次数，缩短周期，解决生产实际问题， 具有很好的经济效益和社会效益，为企业快速、高效地进行产品优化设计铺就一条数字 化、智能化、虚拟化的发展道路。 关键词：硬币滚边压印d e f o r m 3 d 有限元模拟浮雕图纹三维建模 + 东北大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d yo fc o i ns h a p i n gp r o c e s ss i m u l a t i o ni st or e a l i z en u m e r i c a la n a l y s i so fc o i ns h a p i n g b ym o d e r nc o m p u t e r i n gt e c h n i q u e ，a d o p t i n gn u m e r i c a la n a l y s i su s i n gf i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o nm e t h o da n dd e f o r m - 3 da n a l y s i ss o f t w a r e b yt h em e t a lf l o w , s t a t u so f p a t t e r n ，p a r a m e t e ro fb l a n k , m a t e r i a lp e r f o r m a n c ea n d f o r c ef a c t o rd u r i n gc o i ns h a p i n g p r o c e s s ，w ec a nf o r e c a s tt h er e s u l to fc o i ns h a p ea n dq u a l i t yd e f a u l t w ec a no p t i m i z e s h a p i n gp r o c e s sp a r a m e t e r , r e d u c et h ec o s t , e n h a n c ep r o d u c t i v i t ya n di m p r o v et h el e v e l o fd e s i g n i n ga n dp r o d u c i n g t h es t u d yc a nb eu s e dt od e v e l o pa n dd e s i g na l lk i n d so f c o i na n db a d g e i tc a nl o w e rt e s tr i s k , r a i s ee f f i c i e n c ya n ds h o r t e nd e v e l o p i n gc y c l e i t c a na l s os u p p l yr e f e r e n c et oo p t i m i z ep r o c e s sd a t a m yt h e s i si sf o r m e db yt w o p a r t s m s i m u l a f i o na n a l y s i so fc o i nb l a n ks h a p i n gp r o c e s sa n ds i m u l a t i o na n a l y s i so f c o i n i n gp r o c e s s 0 i ti sp r i n c i p a l l yb ys i m u l a t i n ga n a l y z i n gb l a n ke d g e so fs e v e r a lm a i n s t r e a mc o i ni no r d e r t os o l v es o m ep r o b l e m sw em e e td u r i n gp r o d u c i n g a tf i r s t , w es e tu pm o d e i so fb l a n k a n dt o o l sb y3 ds o f t w a r e ，w h i c ha r en e e d e dd u r i n go u ra n a l y s i s t h e nw ei n t r o d u c e d e f o r m - 3 ds o f t w a r et os i m u l a t i o na n a l y s i s i ti sv e r yi m p o r t a n tt os e tp a r a m e t e ro f s i m u l a t i o na n a l y s i sd u r i n go u rw o r k t h ep a r a m e t e r sw i l li n f l u e n c ep r e c i s i o no f a n a l o g u ea n a l y s i s s i m u l a t i o na n a l y s i so fc o i n i n gp r o c e s si sk e yp o i n to ft h i sp a p e li ti sm a i n l yd i v i d e di n t o t o wp a r t s f i r s t l y , i ti ss e t t i n gu p3 dr e l i e fp a t t e r na n ds e c o n d l ys e t t i n gs i m u l a t i o n a n a l y s i sp a r a m e t e r s n o r m a l l y , c o i n i n gi sd o n et h r o u g hm a n yt i m e s ，i ti sn e c e s s a r yt od o s i m u l a t i o no fi t sp r o c e s sm a n yt i m e si no r d e rt h a tt h es i m u l a t i o np r o c e s sm a r c h e st h e r e a lp r o d u c i n gp r o c e s s 3 dr e f i e fp a h e r ni ss e tu pb yr e v e r s ee n g i n e e r i n ga n dr e f i e f s o f t w a r e a n dt h e ni tw l l ib ei n t r o d u c e dt od e f o r m - 3 ds o f t w a r et od os i m u l a t i o n a n a l y s i s a f t e rc o m p u t i n g , t h er e s u l to fs i m u l a t i o nw i l lb ec o m p a r e dw i t ht h er e s u l to f r e a lc o i n i n gt ot e s ta n dv e r i f yi ft h ep a r a m e t e r sa les e tr e a s o n a b l y a tt h es a m et i m ew e w i l lo p t i m i z ed e s i g na c c o r d i n gt h ed e f a u l to fp r o d u c t i o n w eg a i nt h eb e s tp a r a m e t e r so fb l a n ke d g i n ga n dc o i n i n gm o d e la n da n a l y z e d e f o r m a t i o no fb l a n k s ，s t a i na n ds t r e s s ，l o a df l u c t u a t i o na n ds o m ep o i n t s m o v e m e n t t h r o u g hs i m u l a t i o nc o m p u t i n g w eg a i nt h ef o r e c a s to fc o i n i n gf o r c e ，c o i n i n gt i m e sa n d d e f a u l t so f p r o d u c t i o na tt h es a m et i m e s o ，s t u d yo fc o i ns h a p i n gp r o c e s ss i m u l a t i o nc a n g i v eu sac o i nd e s i g na n a l y s i si n t e r f a c eb a s e do nn u m e r i c a la n a l y s i su s i n gf i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o nm e t h o da n dm u l t i - a i mo p t i m i z et e c h n i q u e i tc o v e r st h ew h o l ep r o c e s so fc o i n d e s i g n i tc a nr e a l i z es u p p o r to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dr e d u c et i m e so ft e s t i n gd i e i t c a ns h o r t e nc y c l ea n ds o l v ep r o b l e m si np r o d u c i n g i th a sh i g he c o n o m i ce f f i c i e n c ya n d s o c i a lb e n e f i s i tm a k e so p t i m u md e s i g no fp r o d u c t i o nb yd i g i t i z a t i o n ，i n t e l l i g e n c ea n d v i r t u a lm e t h o d k e yw o r d s ：c o i n ，e d g i n g , c o i n i n g , d e f o r m - 3 d ，f m i te l e m e n ts i m u l a t i o n ，r e l i e fp a t t e r n ， 3 d m o d e l i n g 东北大学工程硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第1 章绪言 硬币是一种非常特殊的产品，主要包括流通币和纪念币。纪念币是具有特定主题， 限量发行的人民币，主要分贵金属纪念币和流通纪念币( 也称普通金属纪念币) 两种。中 国人民银行从1 9 8 4 年发行第一套普通纪念币至今，共发行了6 2 套7 4 枚( 张) 普通纪 念币，总发行量约8 5 亿枚( 张) 。这些纪念币选题丰富多彩，设计独具匠心，规格材 质多种多样，图案新颖美观，面额不等。题材有事件、会议、人物、动物，涉及政治、 法律、体育、教育、环保、金融等多方面，将中华人民共和国6 0 年的辉煌成就及重要 事件浓缩于纪念币的方寸之间。这些纪念币是我国人民币系列的重要组成部分，丰富和 完善了我国的货币制度，弘扬了我国的货币文化，并不断探索和创新，为促进商品流通 和经济发展、扩大对外交流发挥了积极作用。中国现代贵金属纪念币是指以黄金、白银、 铂、钯为币材铸造的具有特定主题并且限量发行的法定贵金属纪念币。它属于国家法定 货币，不参与市场流通，具有很高的收藏和投资价值。纪念币都有面额，但往往其实际 价值要比面额大，特别是贵金属纪念币，原值更是远远高于面值。 纪念币是通过大吨位压印机用印模在坯饼上压印出来的。压印是造币生产的主要工 序。国际上通常的压印报废率为1 0 ，而直径大、镜面面积大的纪念币，其报废率可高 达5 0 。为了减少不必要的损耗，必须提高生产合格率，采用压印成形过程数值仿真模 拟是很好的选择。对压印成形过程进行模拟，可以预测压印产生的缺陷，以便采取措施， 有效的避免废品的产生，减少材料的报废，降低生产成本。 目前国内外不少学者都对金属材料在常温下体积成形过程进行了数值模拟，取得了 较好的进展。商业化程度最高的d e f o r m 软件，专为塑性成形数值模拟设计，操作方 便，专用性强，计算效率高，其模拟精度较高，可用于实际生产的工艺分析及模具设计， 能提高生产效率，降低成本。m s c s u p e r f o r g e ，s u p e r f o r m ，l s d y n a 3 d 等软件也 有各自的优点。 硬币成形仿真分析研究就是借助于现代计算机技术，采用有限元数值分析方法，实 现硬币成形过程的数值模拟分析。通过模拟仿真研究硬币成形过程中的金属流动、图纹 状态、坯饼参数、材料性能及受力情况，预测产品成形结果和质量缺陷，优化相关成形 工艺参数，降低成本，提高效率，提升产品设计制造水平。可应用于各种币、章新产品 的设计开发，降低试验风险，提高试验效率，缩短开发周期，为相关参数的优化提供依 东北大学工程硕十学位论文 据。本研究分为硬币坯饼成形过程仿真分析和硬币压印成形过程仿真分析两部分。 1 2 相关问题的国内外研究概况 1 2 1 有限元模拟技术 长期以来，困扰广大模具设计人员的主要问题就是较长的模具开发设计周期，特别 是对于某些特殊复杂的成形零件，甚至制约了整个产品的开发进度，而c a e 技术及分 析软件的出现，有效地缩短模具设计周期，减少了试模时间，帮助企业改进产品质量， 降低生产成本，从根本上提高了企业的市场竞争力。c a e 技术是建立在有限元法基本原 理和数值方法基础上，利用计算机进行计算和求解的分析方法。 “有限元 这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用，经历了三 十多年的发展历史，理论和算法都已经只趋完善。有限元的核心思想是结构的离散化， 就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通 过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可 以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。有限元分析在机械制 造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器，国防军工，船舶，铁道，石化， 能源，科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下 几个方面： 曲增加产品和工程的可靠性； ”在产品的设计阶段发现潜在的问题 c ) 经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本 d ) 缩短产品投向市场的时间 e 1 模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费 国际上早在2 0 世纪6 0 年代初就开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序， 但真正的c a e 软件是诞生于7 0 年代初期，而近1 5 年则是c a e 软件商品化的发展阶段， c a e 开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，在大力推销其软件 产品的同时，对软件的功能、性能、用户界面和前、后处理能力，都进行了大幅度的改 进与扩充。这就使得目前市场上知名的c a e 软件，在功能、性能、易用性、可靠性以 及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求，从而帮助用户解决了成千 上万个工程实际问题，同时也为科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的贡献。目 2 东北大学- t 程硕士学位论文 前流行的c a e 分析软件主要有n a s t r a n 、a d i n a 、a n s y s 、a b a q u s 、m a r c 、 m a g s o f t 、c o s m o s 等。m s c - n a s r ra n 软件因为和n a s a 的特殊关系，在航空航 天领域有着很高的地位，它以最早期的主要用于航空航天方面的线性有限元分析系统为 基础，兼并了p d a 公司的p a t r a n ，又在以冲击、接触为特长的d y n a 3 d 的基础上组 织开发了d y t r a n 。后来又兼并了非线性分析软件m a r c ，成为目前世界上规模最大 的有限元分析系统。a n s y s 软件致力于耦合场的分析计算，能够进行结构、流体、热、 电磁四种场的计算，已博得了世界上数千家用户的钟爱。a d i n a 非线性有限元分析软 件由著名的有限元专家、麻省理工学院的k j b a t h e 教授领导开发，其单一系统即可进 行结构、流体、热的耦合计算。并同时具有隐式和显式两种时间积分算法。我国近几年 也开发了较为成熟的c a e 软件，如华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室 开发的f a s t a m p 以及吉林大学车身与模具工程研究所的k m a s 等【3 - 刀。 1 2 2 金属体积成形简介 金属体积成形是塑性成形中应用广泛的工艺方法，包括锻造、挤压、轧制、拉拔、 旋压、摆碾等。长期以来，人们从实验、理论分析和数值模拟计算三个方面对体积成形 进行了大量研究工作，各种模拟技术在研究和生产中得到应用并迅速发展。随着计算机 软硬件的更新，各种数值模拟技术取得了惊人的进步，上限单元技术和有限元法成为数 值模拟的主要方法，其中有限元法应用最为广泛。金属体积成形过程，包含复杂的材料 非线形、几何非线形、和边界接触非线形问题，是数值模拟技术应用比较困难的领域。 与板料成形的数值模拟相比，体积成形数值模拟相对落后，在工程实际中的应用还未见 明显成效。但随着计算机技术、有限元法等各种先进技术的不断进展，数值模拟方法必 将在体积成形的理论研究和工程应用中发挥重大作用【8 j 。 金属体积成形是一个复杂的塑性大变形过程，既存在材料在塑性变形状态下的本构 关系非线形( 应力与应变之间的非线形) ，又存在大变形引起的几何非线形( 应变与位移之 间的非线形) ，再加上边界条件的非线形。所以，对体积成形问题进行精确求解是非常困 难的。塑性有限元理论和计算机技术的发展，使有限元应用于金属塑性成形模拟成为可 能，并受到广泛重视。塑性有限元法大致可分为两类。一类是固体型塑性有限元法( s o l i d f o r m u l a t i o n ) ，包括小变形和大变形弹塑性有限元法。另一类是流动型塑性有限元法 ( f l o wf o r m u l a t i o n ) ，包括刚塑性有限元法和刚粘塑性有限元法。弹塑性有限元法由 m a r c a l 和k i n g 于1 9 6 7 年最早提出，不少研究者用它对锻造、挤压、拉拔、轧制等金 东北大学工程硕士学位论文 属体积成形问题进行了分析p 4 1 1 。二十世纪7 0 年代，由l e e 和k o b a y a s h i 给出刚塑性有 限元列式，极大地推动了有限元模拟技术在体积成形过程中的应用。 目前，二维体积成形的有限元分析技术已经比较成熟，不但能够模拟普通的平面应 变、平面应力和轴对称成形问题，而且能够优化预成形过程，预测成形过程中的表面和 内部缺陷，模拟像双金属和粉末烧结体金属这样的特殊塑性成形过程。随着计算机运算速 度的提高和存储量的增加，以及三维接触问题的解决和三维网格再划分技术的日渐成 熟，三维刚( 粘) 塑性有限元模拟技术在三维锻造、挤压、轧制、旋压等体积成形方面得 到了成功应用。目前，具有代表性的体积成形数值模拟软件有美国的d e f o r m 、a n s y s 、 a u t o f o r g 、法国的f o g r 3 及我国的m a f a p 等i s ) 。 1 2 3 国外体积成形模拟软件介绍 纪念币压印成形属于体积成形过程，目前有很多国外软件可以进行体积成形过程模 拟，例如d e f o r m 、m s c s u p e r f o r g e 、s u p e r f o r m 、l s d y n a 3 d 等。 1 9 7 9 年，美国b a t t e l l ec o l u m b u s 实验室在美国空军基金的资助下开发了有限元计 算成形a l p i d ( a n a l y s i so fl a r g ep l a s t i ci n c r e m e n t a ld e f o r m a t i o n ) 。随后几年中，a l p i d 的 开发人员针对用户提出的种种要求，逐渐将程序完善，并采用m o t i f 界面设计工具，将 计算程序发展为商品化分析软件d e f o r m ( d e s i g ne n v i r o m e n tf o rf o r m i n g ) ，由美国 s f t c 公司推广应用。d e f o r m2 d2 0 0 2 年发布7 2 版，1 9 9 8 年推出了三维系统 d e f o r m3 d , 2 0 0 2 年发布4 。0 版。d e f o r m 是一套基于有限元的仿真系统，用于分析 金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺【1 0 。1 2 j 。通过在计算机上模拟整个加 工过程，帮助工程师和设计人员： 设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场试验成本； 提高工模具设计效率，降低生产和材料成本； 缩短新产品的研究开发周期。 d e f o r m 不同于一般的有限元程序，它是专为金属成形而设计的。d e f o r m 是一 个高度模块化、集成化的有限元模拟系统，它主要包括前处理器、模拟器、后处理器三 大模块。前处理器处理模具和坯料的材料信息及几何信息的输入、成形条件的输入，建 立边界条件，它还包括有限元网格自动生成器；模拟器是集弹性、弹塑性、刚( 粘) 塑性、 热传导于一体的有限元求解器；后处理器是将模拟结果可视化，支持o p g l 图形模式， 并输出用户所需的模拟数据。d e f o r m 允许用户对其数据库进行操作，对系统设置进 4 东北大学工程硕士学位论文 行修改，以及定义自己的材料模型等1 1 3 5 1 。 m s c s u p e r f o r g e 是一个全新的工业锻造过程仿真软件，由功能强大的有限体积 求解器和w i n d o w s 风格的易用图形界面无缝集成。利用m s c s u p e r f o r g e 的锻造仿真技 术，能够大幅度减少反复试验，缩短锻造工艺开发周期，加快产品投放市场时间，增加 利润。m s c s u p e r f o r g e 已被成功用于全球各大著名锻造公司和零部件供应商的锻造产品 开发。m s c s u p e r f o r g e 的工艺过程窗口，以结构化方式内置各种锻造过程，允许用 户组合不同锻造道次而创建一个新的锻造过程，易于在锻造过程中通过拖放技术把模具 和工件模型分配给不同的加工道次。同样，利用拖放技术将材料特性、压机类型、摩擦、 热传导以及模型间导热等需要考虑的各种因素分配给模具和工件。完成锻造模拟后，结 果自动转入可视化和动画处理u 6 1 。 l s 。d y n a 是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复 杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线 性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。在工程应用领域被广泛认 可为最佳的分析软件包。与实验的无数次对比证实了其计算的可靠性。 l s d y n a 程序是功能齐全的几何非线性( 大位移、大转动和大应变) 、材料非线 性( 1 4 0 多种材料动态模型) 和接触非线性( 5 0 多种) 程序。它以l a g r a n g e 算法为主， 兼有a l e 和e u l e r 算法；以显式求解为主，兼有隐式求解功能；以结构分析为主，兼有 热分析、流体结构耦合功能；以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能( 如动力分 析前的预应力计算和薄板冲压成型后的回弹计算) 1 7 - 2 7 】。 l s d y n a 利用a n s y s 、l s i n g r i d 、e t a f e m b 、t r u e g r i d 、l s p o s t 和 l s p r e p o s t 强大的前后处理模块，具有多种自动网格划分选择，并可与大多数的 c a d c a e 软件集成并有接口。后处理方面：结果的彩色等值线显示、梯度显示、矢量 显示、等值面、粒子流迹显示、立体切片、透明及半透明显示；变形显示及各种动画显 示。 1 2 4 造币领域的仿真分析应用现状 硬币的压印属于金属塑性成形中的体积成形，体积成形在有限元分析中涉及到数 学、力学、材料学、模具制造以及计算机科学。从力学的观点来看，有限元分析涉及大 位移，大应变，大转动、弹塑性材料以及摩擦接触，是一个典型的强非线性问题，因而 也就成为了计算力学中最富有挑战性的课题之一。 5 东北人学i t 程硕士学位论文 意大利造币厂和“m e c c a n os p a 研究所以数值分析的方法共同完成了一项研究【l 】。 这项研究工作，就是在一种新型硬币设计方案开始之前，通过对工艺条件的科学分析， 提供一些适用的综合信息。这项研究是和试验分析紧密相连并且同时进行。设计阶段依 靠雕刻师的经验，通过测试检查设计质量的好坏，这是很落后的。而理解影响硬币质量 的因素是非常困难的，以给定材质和厚度为例，为了获得高质量的硬币产品，提前设定 浮雕的最大高度并且改变高度( 图形的坡度) 是不可能的，但应用有限元分析方法，可 以在设计阶段发挥重要的作用。 莫斯科造币厂将q f o r m 程序应用于造币技术的模拟，认为可以模拟材料流动，优 化模具装配，提高制件精度。其应用的模拟软件q f o r m 主要应用于铸造方面，对硬币 的压印过程进行仿真精度很低。 表1 1 国外仿真分析软件使用统计 t a b1 1s t a t i s t i c so fs i m u l a t i o na n a l y s i ss o f t w a r eu s e do v e r s e a s 厂家用途使用软件 意人利造币厂压印成形仿真 铲f 0 麟 莫斯科造币厂压印成形仿真o f o p 珊 加拿大皇家造币厂边形及压印成形仿真 脚一f o r m i 毗舒乐公司日本造币厂南采用有限元分析方法，找到印模耐印奄与印模弧s l j f o r m 一3 d 非造币厂巴伐利亚国家造币厂度之间的关系和浮雕位置对印模耐印量的影响 1 3 研究内容 主要研究内容如下： 1 ) 硬币成形过程仿真分析的整体方案设计。 2 ) 硬币成形过程仿真分析所需工具模型的建立及网格的剖分。 3 ) 使用d e f o r m 一3 d 进行硬币成形过程的仿真分析研究，同时指导实际生产。 6 东北大学t 程硕士学位论文 第2 章硬币生产工艺简介 从原材料投入到生产出符合国家技术标准的硬币这一完整的造币生产工艺过程主 要包括四大部分：硬币材料的生产，硬币坯饼的制作，硬币印模的制作以及硬币生产。 坯饼滚边和压印工作是造币生产中的主要工序，也是造币的核心部分。硬币压印是冷挤 压加工的种形式，其工作原理是利用预先制作好的纪念币模具，通过压印机对金属坯 饼施加压力，使金属坯饼发生塑性变形，从而在坯饼两平面压印出合乎要求的纪念币花 纹图案。 2 1 硬币生产的工艺流程 以一角流通硬币为例，其生产工艺流程图为： 图咽。囡。圈d 囡咽锢咽。图。囡d 圉咽d 圉 造币材料的生产工艺过程可分为：造币合金的熔炼、浇铸和板( 带) 材的轧制，它 是整个造币生产过程的重要组成部分，它为硬币生产提供合格的板( 带) 材料。 造币坯饼的制作有：坯饼的冲裁、滚边( 光边) 、热处理以及坯饼检查、清洗等工 序，它是整个造币生产过程的不可缺少的重要坏节，它为硬币生产提供合格的金属坯饼。 硬币生产的工艺过程主要有：压印、成品检查、计数包装、装箱入库等工序，它是 整个造币生产中的核心部分，在此前面的一系列的工艺过程都是为了能生产出符合国家 技术标准规定，能为广大人民群众喜爱的硬币服务的，因此极为重要【2 】。 合格的硬币应该是： 1 ) 清晰、饱满、具有艺术魅力的花纹、图案。 2 ) 直径、边厚、丝齿高度等规格尺寸和单枚质量、表面硬度、色泽必须合格。 3 ) 硬币外形规整、完美，表面清洁、光亮，无起皮、嵌屑、划伤、水渍、油污、 凹坑等缺陷。 4 ) 制造硬币的合金化学成分完全合格。 2 1 1 冲饼和滚边形 冲饼和滚边形是冷冲压的基本工序之一。冷冲压是使金属及非金属材料在冲压模中 7 东北大学丁程硕士学位论文 产生分离或变形的压力加工方法，所用板( 带) 材的厚度一般是小于4 毫米的，故又 称为薄板冲压。冷冲压在工业上具有极其重要的地位，在造币生产中占着首要地位。冷 冲压之所以能被广泛应用，并占有相当重要的地位，是由于它具有生产效率高、产品精 度高、生产成本低、易实现机械化和自动化、能成批量生产等特点。 ( 一) 冲裁坯饼 冲裁坯饼又称落料，是利用冲模在曲饼压力机上把板( 带) 材分离的一种冲压工艺， 它在造币生产中主要是冲裁出造币所需要的毛边坯饼。造币生产中的冲裁坯饼过程包括 有：板( 带) 材的准备、冲裁坯饼、筛饼等。用于造币生产的板( 带) 材的表面质量及 尺寸精度的高低，对冲裁坯饼的质量好坏有着很大的影响，因此必须给予充分重视。板 ( 带) 材经过冲裁后形成两个部分：冲落部分和带孔部分。落料和冲孔这两种工序在坯 料的变形过程和模具的构造上都一样，只是在用途上有所区别。在造币生产中，冲裁的 目的是为了制取形状为圆形的造币坯饼( 在大多数清况下，造币坯饼均为圆形，当然也 有其他形状的，如长方形、多边形、异形等) ，即从板( 带) 材上冲落下来的料为所需 要的部分，而剩余的部分为废料。在冲裁工序中，按材料的分离方式不同，冲裁一般可 分为普通冲裁和精密冲裁两大类型。在造币坯饼的冲裁中，主要是普通冲剃引。 r 眨刁 凡 i 2 、l j l 闲忒 r 吻 f l 一 闷千悄 图2 2 冲裁工作不意图 f i g 2 2 s k e t c hm a po f p r e s s - c u t t i n g 1 一凸模；2 一凹模；3 一板料 良好的冲裁工艺应能保证金属材料消耗少，模具结构简单而寿命高，产品质量稳定， 操作简便等等。在一般情况下，对冲裁工艺影响最大的是产品的几何形状和精度要求。 冲裁设备种类很多，大的有几百吨的冲裁力，小的只有几吨的冲裁力。目前用于造币冲 裁坯饼的设备主要有单柱曲柄冲床和双柱曲柄冲床。它们一般由脚座、床身、飞轮制动 闸、曲辊、离合器、连杆、滑块、调节螺丝、传动系统等组成。筛饼的目的是将冲裁下 8 东北大学工程硕士学位论文 来的毛边坯饼通过筛饼机或筛饼工具将严重缺角的坯饼除去。筛饼机一般与冲床的下料 部分组成一联动线，冲床连续落料，筛饼机不断筛去缺角饼。 ( 二) 滚边( 光边) 由冲床冲裁下来的毛边坯饼经滚边机进行滚边，滚边的目的是为了获得适合硬币压 印的具有一定边形的坯饼。 平攀 ( a ) 毛边坏饼( b ) 滚边后坯饼图 图2 3 坯饼滚边前后形状图不 j f i g 2 3b l a n k s s h a p e sb e f o r ea n da f t e re d g i n g 滚边又可称光边，滚凸缘，其作用就是将毛边坯饼四周外圆滚压出一条两面凸形的 边缘，如图2 3 所示。压印之后的硬币，一般周边都有一圈比硬币花纹图案要高一些的 凸边，它起着保护硬币花纹，减轻花纹图案磨损的作用，并起着装饰的作用。由于该凸 边一般比较宽而高，在压印时需要有较多的金属去补充，如果仅仅靠压印力的作用使其 隆起凸边是有困难的，因此，事先采用滚压的方法使坯饼外圆有一圈凸缘，在压印时就 可以起到金属填补的作用。其次，通过滚边，可以将毛边坯饼边部的缺陷，如脆裂和应 力集中而形成的毛刺等弊病得到消除，成为光洁而平滑的光边，故滚边又称为光边。滚 边机主要由滚边盘、月牙铁、传动系统和送饼装置等组成，滚边机根据电动机出轴方向 的不同可分为立式滚边机和卧式滚边机两种类型。滚边属于旋压加工，其工作原理就是 利用金属坯饼通过滚压模具( 月牙铁和中心盘) 产生旋向力的侧面，使金属坯饼发生塑 性变形而成型，滚边后的坯饼边形主要由中心盘和月牙铁上的凹型滚槽所控制。凹型滚 槽的形状根据经检查合格而特制的“样板饼 滚制而成。造币坯饼的边形一般有以下三 种( 见图2 4 ) 。滚边后的坯饼直径的大小可通过调节月牙铁与中心盘之问的距离来获 得。 9 硷 东北大学r 丁程硕十学位论文 一r 一， 、 ， ， ， 争7 7 二7 。，- _ 7 。77 r 一 夕 叮7 _ 7 7 了厂7 7 ；ar 7 _ 7 7 _ 7 一厂，! 毯镒一艺兰之荔 图2 4 造币坯饼边形不葸图 f i g 2 4 c o i nb l a n k s e d g e s 2 1 2 压印 金属压印，它本质上是将金属材料( 坯饼) 的一部分或全部体积在限定范围内加以 重新分配。其特点使整个金属材料( 坯饼) 体积受到不均匀