（材料加工工程专业论文）负载盘级进冲压成形仿真及模具设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 模具是制造业的重要基础工艺装备，在国民经济各部门中发挥重 要作用。级进模是一种具有高效率、高精度和高寿命等优点的模具， 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能全面考虑影响成 形精度的因素，从而造成设计、制造的误差，最终使零件精度下降。 负载盘级进模设计涉及冲压成形理论、冲压工艺方案、排样设计、 产品展开尺寸计算、模具结构设计、产品的成形仿真以及模具材料选择 等许多关键技术。本文在探讨了级进模冲压成形理论和数值模拟相关问 题的基础上，结合负载盘的典型实例，利用一步逆成形有限元法得到毛 坯外形尺寸，并经多次数值模拟实验分析，提出了一个包括三次正拉深、 两次反拉深的2 8 个工步的级进模冲压工艺成形方案。同时在此基础上 经模拟分析、比较，设计了一种新型的级进模载体切缝载体，该载 体在级进模成形过程中变形小，能显著提高送进精度，提高级进模冲压 成形精度，特别适合于拉深级进模的成形。采用正交实验结合有限元模 拟优化了负载盘级进模冲压成形工艺参数，获得了最佳的摩擦系数( 润 滑条件) 、压边力、冲压速度、模具问隙等工艺参数。最后着重讨论了 主要的模具结构设计，并对模具快换结构作了探讨。 本文取得的结论和成果，对实际生产有一定的指导意义和参考价值。 关键词：负载盘，级进模，数值模拟，载体设计，正交实验，快换结 构 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o l d ，a so n eo fi m p o r t a n tf o u n d a t i o np r o c e s se q u i p m e n t ，p l a y sa k e yr o l ei ne v e r yd e p a r t m e n to fn a t i o n a le c o n o m y w i t hh i g he f f i c i e n c y , h i g hp r e c i s i o n ，h i g h l i f ea n do t h e ra d v a n t a g e s ，p r o g r e s s i v ed i ei sw i d e l y u s e di nt h es t a m p i n gp r o d u c t i o no fv a r i o u si n d u s t r i e s t ot h eq u a l i t yo f p r o g r e s s i v ed i ef o r m i n g ，t h er e q u i r e m e n tn e e d st ob eh i g h e r t h u st h e t r a d i t i o n a lp r o g r e s s i v ed i ed e s i g ns e l d o mc a nt a k et h ef a c t o r st h a ta f f e c t f o r m i n gp r e c i s i o ni n t oa c c o u n tc o m p r e h e n s i v e l y , r e s u l t i n gi nm i s t a k e so f d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ，a n du l t i m a t e l yp a r t sa c c u r a c yd e c l i n i n g l o a dc e l l p r o g r e s s i v e d i e d e s i g n i n v o l v e d f o r m i n gt h e o r i e s ， s t a m p i n gp r o c e s sp l a n n i n g ，l a y o u td e s i g n ，p r o d u c td e v e l o p m e n ts i z e c a l c u l a t i o n ，d i es t r u c t u r ed e s i g n ，p r o d u c tf o r m i n gs i m u l a t i o n ，d i em a t e r i a l s e l e c t i o na n dm a n yo t h e rk e yt e c h n o l o g i e s b a s e do nt h e t h e o r y o f p r o g r e s s i v ed i es t a m p i n ga n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dc o m b i n e dw i t ha t y p i c a le x a m p l eo ft h el o a dc e l l ，d i m e n s i o n so fb l a n ks h a p ew e r eo b t a i n e d b yo n es t e pi n v e r s ef o r m i n gf e m t h e na c c o r d i n gt or e p e a t e dn u m e r i c a l s i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h es t a m p i n gp r o c e s ss c h e m eo ft h ep r o g r e s s i v ed i e w a s p r o p o s e d ，w h i c hi n v o l v e d2 8w o r k i n gs t e p si n c l u d i n gt h r e ed r a w i n g a n dt w oa n t i d r a w i n g s i m u l t a n e o u s l yo nt h i sb a s i san e w p r o g r e s s i v ed i e c a r r i e rc a l l e dc u t t i n gc a r r i e rw a sd e s i g n e db ys i m u l a t i o na n a l y s i sa n d c o m p a r i s o n t h i sc a r r i e rh a ds m a l ld e f o r m a t i o nd u r i n gp r o g r e s s i v ed i e f o r m i n g ，w h i c hc o u l di m p r o v ef e e da c c u r a c ys i g n i f i c a n t l ya n df o r m i n g 江苏大学硕士学位论丈 p r e c i s i o no ft h ep r o g r e s s i v ed i e ，s oi tw a sm o r es u i t a b l ef o rt h ef o r m i n g o f d e e pd r a w i n gp r o g r e s s i v ed i e u s i n go r t h o g o n a le x p e r i m e n tc o m b i n e d w i t hf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，s t a m p i n gp r o c e s sp a r a m e t e r so ft h el o a d c e l l p r o g r e s s i v e d i ew e r eo p t i m i z e d ，s u c ha st h eb e s tl u b r i c a t i o n a l c o n d i t i o n s ，b i n d e rf o r c e ，p u n c hs p e e d ，d i eg a pa n do t h e rp a r a m e t e r s f i n a l l y , t h e m a i nd i es t r u c t u r e d e s i g n w a sd i s c u s s e d ，a n dt h e q u i c k c h a n g em o l ds t r u c t u r ew a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sw o u l d p r o v i d e c e r t a i n g u i d i n g s i g n i f i c a n c ea n dr e f e r e n c ev a l u e t ot h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：l o a dc e l l ，p r o g r e s s i v ed i e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c a r r i e r d e s i g n ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，r a p i dc h a n g es t r u c t u r e 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：触 日期：1 引堋阳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学位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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内 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 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密“ 1 一 1 秒胪 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论帚一早珀 了匕 1 1 引言 模具是制造业的重要基础工艺装备，是国民经济各部门发展的重要基础之 一，在工业生产中起着极其重要的作用。国外将模具比喻为“金钥匙 、“进入富 裕社会的原动力 ，国内也将模具工业称为“永不衰亡的工业”、“无与伦比的效 益放大器 等等。在现代机械制造业中，模具工业已成为国民经济中一个非常重 要的行业，许多新产品的开发和生产，在很大程度上依赖于模具制造技术。模具 作为一种高附加值和技术密集型产品，其技术水平的高低已成为衡量一个国家产 品制造水平的重要标志之一。 在工业生产中，许多机械零件普遍采用模具冲压成形的工艺方法，有效地保 证了产品的质量，提高了劳动生产率，并使操作技术简单化，而且还能省料、节 能，可以获得显著的经济效益。据不完全统计，冲压件在电子产品中占8 0 。8 5 ， 在汽车、农业机械产品中占7 5 。8 0 ，在轻工业产品中占9 0 ，航天航空工业 中冲压件也占很大的比例乜1 。 冲裁、弯曲、拉深、成形是四种最基本的冲压加工工序，由此四种工序的组 合可以实现复杂产品的冲压加工。各种产品的结构、尺寸、材料、精度各异，所 采用的冲压加工方法也各不相同，但冲床、模具和材料是每一个冲压过程不可缺 少的。冲床、模具和材料是冲压加工的三个基本要素如图1 1 所示。与一般机械 加工不同，冲压过程对操作者的技术水平要求低，而相关的技术含量实际上体现 在模具上，因此对模具有很高的技术要求。 图1 1 冲压加工三要素 f 遮1 1t h r p 圯f a c t o r so fs t a m p i n g 冷冲模是指进行冲压加工的模具。冷冲模有多种形式，按照冲压加工工序的 性质可分为冲裁模、拉深模、弯曲模等；从冲压工序的组合来看，可分为简单模、 复合模和级进模，其中后一种分类方法更为普遍。简单模是在模具上只有一个加 4 苏女学顽学位论支 工工位，而且在冲床的一次行程中只完成一类冲压加工工艺。复合模也只有一个 工位，但在冲床的一次行程中要完成两类以上的加工工艺。 圈12 级进梗 f i 9 12 p r o g r o s s i v ed i e 缴进模( 如图l2 所示) 又称为连续模，它是在一副模具内，按所加工的零 件，分为若十个等距离丁位，在每个工位上设置一定的冲压工序，完成冲压零件 的某部分加工。被加_ ：i 二材料一般为条料或带料，在控制送进距离机构的控制下， 绎迓个工位冲制后便得到一个比较复杂的冲压零件，用一副多工位级进模即可 冲制完成。一般地说，无论冲压零件的形状怎样复杂，冲压工序怎样多，均可用 副多工位级进模冲制完成。特别是对于汽车电气及其它电子产品所用的负载类 的零件( 特别足尺寸小、形状复杂、精度要求高、产量大的零件) 级进模更为 适用。据统计，在各类冷冲模具中，级进模所占比例达到2 7 。1 。可见，在现代 冲压技术中，级进模己占有主导地位，世界各工业发达国家也都十分重视对多工 位精密复杂级进模技术的研究和开发。 12 国内外级进模研究现状 多工仔级进模是一种高效、精密、高寿命的冲压模具，它可以连续完成冲 裁、拉深、弯曲、成形等多道工序，不仅能减少冲模数量、压缩工艺装备投入、 降低成率，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。畸一般的冲爪模具不同，多工忙级进模由于工序多、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，如成形起皱或破裂情况、载体结构形式、毛坯几何形状、冲 压速度或方向、摩擦润滑条件、压边力的大小等。传统的级进模设计、制造过分 江苏大学硕士学位论文 依赖经验，需要进行不断的试模来达到技术要求。一般来讲，完成一套普通级进 模的设计，最快大约也要1 1 5 个月。 国外级进模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n c 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璐吲。 我国是进入8 0 年代后才开始研制级进模的，经历了二十几年的努力，从无 到有，终于有了较大的发展。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 塑性工程系等。本世纪初，美国u g s 公司与我国华中科技大学合作的在u g 一2 0 ( 现为n ) 【) 软件平台上开发出的基于三维几何模型的级进模c a d c 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 进模删c i a m 系统阳。1 3 5 2 | 。 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。 基于有限元法的数值模拟仿真技术( q 墟) 已有多年的历史，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， 3 江苏大学硕士学位论文 优化塑性成形工艺过程。如今，数值模拟已经成为塑性加工领域的一项重要技术， 对会属塑性成形技术的进步产生了巨大的推动作用1 。 与国外工业发达国家比较，我冈的多r j = 位级进模技术仍然存在较大的差距， 主要是表现在以下四个方面： ( 1 ) 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，模具结构比较简堆、功能性不强。 ( 2 ) 模具模板幅而尺寸比较小，一般在1 2 0 0 x 6 0 0m 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。 ( 3 ) 模具精度小高，冲裁问隙误差在0 0 1 5m m 以上，制件产品容易产生 毛刺。 ( 4 ) 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n 5 1 7 1 。 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 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 位级进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的国产化。 1 3 研究课题的提出和研究内容 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、快 换结构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 y n a f o r m 和生产实例，对常用的拉深、冲裁等成形方式进行了系统分析，特别 是级进模载体形式对板料变形和成形精度的影响。 主要内容包括以下三个方面： ( 1 ) 基于数值模拟的级进模工艺优化 ( 2 ) 级进模载体结构设计对板料变形和成形精度的影响 ( 3 ) 级进模主要零部件的快换结构设计 4 江苏大学硕士学位论文 1 4 课题研究的目的和意义 1 4 1 课题研究的目的 随着我国经济的飞速发展，客货流通量迅猛增长，交通运输量激增，市场对 汽车的需求量越来越大。这就使汽车的发展迎来了一个良好的发展机遇，但同时 也正面临着严峻的考验。市场上对汽车零部件的需求量越来越大，因此零部件制 造商虽然不断地增加汽车产量，但汽车零部件的生产速度仍然难以满足市场需 要；另一方面，随着国内外汽车制造市场内竞争的日渐激烈，对汽车零部件的制 造技术和产品质量也提出越来越高的要求，汽车零部件制造商只有不断更新生产 技术、提高产品质量才能顺应市场需求，提高产品竞争力，这就对汽车在生产技 术方面提出了更高的要求。 由于制造技术等方面的原因，目前我国汽车零部件的一些产品质量普遍较 差，整体制造水平较为落后，特别是在汽车电子部件制造方面，由于一些主要的 汽车电子产品( 如负载盘等) 冲压成形技术落后，产品存在着较为严重的成形缺 陷，成形质量和成形精度达不到设计标准，难以满足汽车电子产品制造要求，这 些问题长期以来一直没有得到很好地解决，严重影响了汽车电子产品甚至整车的 制造质量。目前，汽车电子构件的冲压成形技术备受关注，如何解决汽车电子构 件的成形精度及缺陷问题已成为当前汽车制造领域中一项迫切需要解决的技术 问题。 本文正是迎合这种趋势进行研究，具体研究内容是汽车电子构件冲压成形数 值模拟，即借助成形模拟软件d y n a f o r m 对汽车电子构件进行成形过程数值模 拟分析、成形缺陷分析，分析变形机理、找出缺陷原因，最终达到优化成形工艺 和优化模具设计的目的，使汽车电子构件在成形质量和成形精度方面都达到设计 标准，减少和尽量避免缺陷的发生，使产品满足制造要求，从而得到更高精度的 汽车部件。 1 4 2 课题研究的意义 理论意义：冲压成形是一项历史悠久的技术，创始于1 7 、1 8 世纪，兴盛于 2 0 世纪初，正朝着科学化、数字化、可控化方向发展。在经济发展中，冲压成 形技术已经广泛应用于各个领域。近几年利用计算机进行有限元模拟技术的问 世，引起了场风波，它与冲压成形技术相结合，有着广阔的发展前景。在理论 5 江苏大学硕士学位论文 研究方面，本课题正是将有限元模拟技术与冲压成形技术相结合，利用有限元模 拟软件对汽车电子负载盘的冲压成形过程进行模拟，并分析其成形缺陷、优化成 形工艺，使冲压技术更加完善，因此，本课题在其理论方面有以下意义： ( 1 ) 通过有限元模拟及分析，更好的了解负载盘的冲压变形理论，为其冲 压变形机理分析提供了思路，完善了冲压成形理论； ( 2 ) 通过对负载盘级进模成形过程的有限元模拟，对其可能产生的成形缺 陷以及产生缺陷的原因进行分析总结； ( 3 ) 根据模拟的结果及产生的缺陷的可能性原因分析，优化初步的工艺方 案，达到尽可能避免缺陷的产生的目的。 现实意义：在我国国民经济的飞速发展过程中，交通事业的发展起着举足轻 重的作用，而安全又经济的运输方式就主宰了交通事业的发展，汽车是人们共同 的选择。而汽车电子产品的成形质量如何、精度能不能达到标准，就成为人们关 心的话题、研究者急于解决的问题。 本课题的研究正是迎合了这种趋势，因此有它自己特殊的现实意义： ( 1 ) 通过负载盘级进模成形过程模拟分析，找到其产生的主要成形缺陷， 分析产生缺陷的原因，优化成形工艺，指导实际生产。将冲压成形技术与有限元 模拟技术的结合，提高了生产效率，节省了时间，提高了汽车电子产品的成形精 度和成形质量。 ( 2 ) 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 本章小结 本节综述了国内外级进模冲压及有限元模拟实验研究的进展，突出了当前的 技术研究热点，并总结了我国与国外的技术差距。在此基础上提出了本课题研究 的三个方面的主要内容、实验平台及研究方法，并着重分析了课题研究的目的和 意义。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章板料成形有限元模拟基本理论 2 1 引言 板料成形过程是一个大挠度、大变形的塑性变形过程，涉及金属板料在拉深、 冲裁和胀形等复杂应力状态下的塑性流动和塑性强化，以及由此引起的破裂、起 皱和回弹等问题。同时，冲压过程也是一个复杂的多体接触的力学分析问题。板 料成形分析技术是解决这一难题的有效手段，己经成为国际塑性加工领域的一个 研究热点1 8 1 引。 板料成形过程的数值模拟，在板料成形工艺和模具计算机辅助设计等方面具 有巨大的潜力，随着塑性理论、计算方法和计算机技术等的发展，将不断地从研 究走向应用，成为应用于生产实际的有效的科学工艺分析方法。 2 2 板料冲压成形数值模拟一般过程 应用数值模拟技术对板料成形过程进行有限元分析的一般过程如下： ( 1 ) 读入成形零件几何模型并进行有限元网格划分 成形零件的几何模型通常由c a d 软件( 如p r o e ，u g ，c a t i a 等) 设计获 得，由板料成形数值模拟软件直接导入其几何模型( 如p r o e 的呻文件等) ， 或采用图形数据交换标准i g e s 文件导入几何模型。然后利用板料成形数值模拟 软件的网格划分模块对该零件进行有限元网格单元划分。如果该零件几何模型中 不包括工艺补充面部分，可应用板料成形数值模拟软件提供的模面设计功能，生 成该零件的工艺补充面。 ( 2 ) 定义成形工具 根据成形零件的结构尺寸和所使用的冲压设备的不同，拉深模可分为单动拉 深模和双动拉深模。成形数值模拟时应根据不同的模具结构，定义相应的成形工 具。 ( 3 ) 定义毛坯 在生成毛坯前，应首先进行毛坯尺寸的计算，利用一步成形法进行坯料尺寸 和形状的生成是当前板料成形数值模拟软件提供的重要功能。利用坯料的边界轮 廓生成毛坯的网格单元模型。同时在定义毛坯时应设置壳单元类型、板料的材料 属性和接触类型等。 7 江苏大学硕士学位论文 ( 4 ) 定义拉深筋 设置拉深筋是板料成形中控制冲压件成形的主要手段之一。拉深筋的根本作 用是为变形区板材提供附加阻力，合理改变变形区板材的受力状态，达到顺利成 形的目的。在成形数值模拟中，拉深筋可以用两种方法来实现：一种是建立真实 的拉深筋几何模型，这种方法计算精度较高，但需要对板料进行网格细化，大大 增加计算时间；另一种是建立等效拉深筋模型，即用等效的约束边界条件来代替 实际拉深筋的影响，这种方法计算效率高、调整方便，所以得到了广泛的应用。 ( 5 ) 设置成形参数 成形参数包括载荷、模具的运动控制和边界条件的设置等。 ( 6 ) 求解器计算 在生成求解器输入文件前，还应设置求解器参数，如自动适应网格划分、输 出控制参数等，然后由板料成形数值模拟软件生成求解器的输入文件( 如 l s d y n a 的d y n a 控制文件* d y n 和d y n a 模型文件宰m o d ) ，提交给求解器 进行计算。 ( 7 ) 后置处理 求解器完成计算后，必须对计算结果进行后置处理，以图形方式来直观地显 示计算结果，实现计算的可视化。后置处理模块的功能包括： 应力、应变和厚度的等值线图，通过等值线图可以直接观察出应力、应 变和厚度的分布情况； 应力、应变和厚度的云图，云图可对不同等值线区域用不同的颜色进行 填充，这样可以更加形象地反映出应力、应变和厚度的分布情况； 成形极限图的显示，可以直观、方便地判断板料的成形性； 变形过程的动画显示，可以直观地观察变形过程； 截面应力、应变等物理量变化显示； 根据分析计算结果，可以对板料成形过程的成形参数或模具提出修改意 见，指导实际的模具设计。 2 3 板料冲压成形数值模拟关键技术 从冲压成形的角度，材料对冲压成形工艺的适应能力就是材料的冲压成形性 能，包括失稳性、贴模性和定形性等。其中材料的贴模性是指在冲压成形过程中 8 江苏大学硕士学位论文 取得与模具形状一致性的能力，冲压过程中出现的起皱、拉裂等缺陷，均会降低 坯料的贴模性。定形性是指冲压件脱模后保存其在模具内既有形状的能力，回弹 是影响定形性的主要因素。如果材料的抗失稳性差，则会导致零件严重破坏，且 难以修复，抗失稳性已经成为工程实际中评定材料成形性能的核一t l , 依据。具体影 响材料成形性能主要有以下几方面的因素m 2 ： ( 1 ) 屈服极限口。 屈服极限口。小，材料容易屈服，变形抗力小，易于成形，不易破裂，不易 起皱，脱模后回弹量也小，贴模性与定模性均好。 ( 2 ) 屈强比旦 0 5 , 屈强比旦小，说明口。小而口6 大，表示材料容易产生塑性变形而不易被拉 吒 裂，即材料的弹性极限到局部缩颈点之问的塑性区大。 ( 3 ) 延伸率 拉深实验中，将试样拉断时的延伸率称为总延伸率或简称延伸率，而将试样 开始局部缩颈时的延伸率称为均匀延伸率。均匀延伸率表示材料产生均匀或稳定 塑性变形的能力，对于单纯拉深或伸长类扩孔、翻孔等成形件具有特别重要的意 义。 ( 4 ) 应变强化指数t l 几乎全部金属，在塑性变形中，其变形抗力都有随着应变的增加而强化的趋 势，通常疗值越大，应变强化越明显，在冲压过程中就更有利于增大变形区的 范围，越能延缓缩颈的到来，材料的成形性能也越好。 ( 5 ) 厚向异性系数， 因板料轧制时出现纤维组织等缘故，板料的塑性会随方向的变化而变化，这 就是所谓的塑性各向异性。厚向异性系数反映了板料在板平面方向和厚度方向上 由于各向异性而引起应变能力不一致的情况。厂值越大，表示板料越不容易在厚 度方向产生变形，既不易变薄也不易变厚。 2 3 1 弹塑性本构关系 在薄板冲压成形过程中，板料是唯一的塑性变形体，其本构关系是影响仿真 9 江苏大学硕士学位论文 结果可靠性的最重要因素之一，不同特性的金属有不同的弹塑性本构模型可供选 用。弹塑性本构关系模型主要解决两个问题：在什么样的复合应力状态下材料开 始屈服以及材料屈服后如何进行塑性流动拉2 】。 金属材料在变形过程中，由弹性状态过渡到塑性状态需要满足屈服准则，屈 服准则是从弹性状态进入塑性状念的力学条件。材料进入塑性状态后，其应力应 变关系具有非线性和不唯一性，与加载路径和加载历史有关。常用的描述各向同 性弹塑性的材料模型屈服准则m i s e s 屈服准则的表达式为： 瓜= | 式中，儿是应力偏量第二不变量；口。是材料的流动应力。 研究表明，板料的塑性特性是各向异性的，b a r l a t 心别提出了适用于平面应力 条件的各向异性准则，它们表示的屈服面和基于结晶学计算的屈服面相一致，经 实验证实非常适合描述板料各向异性特性。 b a r l a t 屈服准则描述为： f = 口k + 七：i m + a k l 一k 2 i “+ ( 2 - a ) 1 2 k 2 i m = 2 仃。 2 - 2 毛= t c r + h o r j 屯= 7 0 x x + h o - 、2 。： 2j 。珂 式中x ，y 分别为板料轧制方向和横向：口，h ，p 为塑性各向异性的材料系 数；为等效应力。后继屈服函数为： = 2 ；- = 口k + 七：广+ a k l 一k ：l m + c l 蕊2 | m 2 - 3 式中c = ( 2 - a ) 2 3 2 虚功方程 设物体在塑性变形过程中总的变形功为，则有： w = f 。d w = l o i j d 占i j 2 - 4 式中，y 是物体体积；铂是应力张量；j j 是应变张量。 物体在塑性变形过程中，同时存在着弹性变形和塑性变形。如果用。和曾 分别表示弹性部分和塑性部分，则： w = ( c ) + p = ，吒d 磊。+ ，咯d 毛9 2 - 5 1 n 江苏大学硕士学位论文 式中，倒和wc t , 分别称为弹性变形功和塑性变形功。 变形体在变形过程中，每一瞬时都要满足平衡关系，即要满足虚功方程。这 里采用虚功方程来表示物体的平衡条件，即积分形式的平衡方程。一般先建立 e u l e r 描述的虚功方程，然后通过应力张量和应变张量的互相转换，就可以得到 在件& 时刻，用l a g r a n g e 描述的虚功方程： 陋拙e f 口出s ) d v = 岔螂) 2 - 6 式中左端表示内力所作的虚功；右端表示外力( 体力p i 、面力死和节点力) 所作的虚功。式中的( o t + a t s j 是k i r c h h o f f 应力分量。该式是用来建立l a g r a n g e 有 限元法求解方程的基础。 2 3 3 单元模型 为了准确地应用有限元法对板料成形过程进行模拟，必须选用合适的单元模 型。在有限元数值模拟分析中，正确选择单元是模型化的一个步骤，单元选择是 否合适将对模拟结果和精度产生重要的影响瞳钔。目前人们已经发展了大量的能够 使用在冲压成形c a e 分析方面的单元公式，形成了种类众多的壳单元，但最常 用的是4 节点四边形薄壳单元，其算法主要有两种，即h u g h e s l i u 算法和 b e l y t s c h k o t s a y 算法。b e l y t s c h k o t s a y 算法由经典薄壳理论m i d l i n 昭司假设导出， 运算速度快，适合进行复杂冲压件的c a e 分析，但是计算过程中可能会有零能 量模式出现，称为“砂漏”；h u g h e s l i u 算法由八节点实体单元退化而成，运算 速度相对较慢，在单元扭曲较大时仍然能够获得合理的结果，适合进行复杂冲压 件的冲压和回弹分析，由这两种算法衍化出一系列的单元模型，在d y n a f o r m 中提供给用户1 6 种单元公式，要根据不同的情况选择合适的单元模型，对于板 料成形模拟分析，最常用的单元还是h u g h e s - u u 壳单元和b e l y t s c h k o t s a y 壳单 元。 2 3 4 材料模型 冲压过程涉及的材料有两类，即模具材料和毛坯材料( 或称板料、坯料) 。 为了分析冲压过程中的有关力学特性，必须建立材料的力学模型啪1 。与板料相比， 冲压模具材料具有很高的硬度和刚度，可以认为在冲压过程中模具是不可变形 的，在模拟分析中一般采用刚体材料模型来模拟模具材料。这是一种最简单的材 料模型，不需考虑其应力应变情况。针对不同的应用，已经发展了很多种材料模 江苏大学硕士学位论文 型，其中主要包括： ( 1 ) 刚体材料模型； ( 2 ) 幂指数塑性材料模型； ( 3 ) 分段线性材料模型； ( 4 ) h i l l 厚向异性弹塑性材料模型； ( 5 ) 3 参数b a r l a t 材料模型。 对于板料，在经典塑性流动理论中，其塑性特性是各向异性的乜7 删。h i l l 厚 向正交各向异性材料模型用一个二次方屈服函数来描述正交各向异性材料的塑 性行为；3 参数b a r l a t 材料模型是一种描述多晶体材料的三参数屈服准则，该屈 服准则仅限于平面应力状态，考虑了两个方向的正应力分量和一个剪应力。 由于d y n a f o r m 旺铲专门用于板料成形模拟，它提供的材料模型仅限于幂 指数塑性材料模型、分段线性材料模型、带成形极限图的厚向异性弹塑性材料模 型、h i l l 厚向异性弹塑性材料模型以及3 参数b a r l a t 材料模型，后两种材料模型 即是上述提到的考虑各向异性的材料模型，也是最常用的模型。分段线性材料模 型是基于材料单拉实验结果的材料模型，它用分段线性函数来逼近材料塑性变形 阶段的实验结果，以c o w p e r - s y m o n d s 应变率模型作为乘子，考虑应变率效应。 带成形极限图的厚向异性弹塑性材料模型是厚向异性弹塑性材料模型的一个扩 展模型，其原理完全与厚向异性弹塑性材料模型相同，区别仅在于该模型能够输 出冲压过程中各节点应变的失效比，失效比是用于判断冲压过程中板料是否会开 裂、起皱或拉深失稳的一个参数。 2 3 5 多工位级进成形模拟技术 基于板料成形的多工位级进成形模拟技术，主要是对每一步成形分别建立不 同的模具模型，而模型建立过程则是：初次板料建模依通常方式建立，后续成形 应提取上一步成形后的模型( 含应力、应变，位移等参数) 作为半成品模型，再 导入到c a e 软件中，设置相关工艺参数后进行模拟分析。 2 4 一步逆成形有限元法的求解技术 2 4 1 反求理论 金属板料成形过程一般需要经历复杂的变形，影响成形的因素很多，如：模 具的形状、材料性能、毛坯形状和尺寸、边界条件、模具和板料之问的摩擦和润 江苏大学硕士学位论文 滑等等。模具设计和工艺设计就是通过协调以上这些因素，合理控制金属的流动， 获得能成功加工出产品的模具和工艺条件。成功设计一个零件及其成形工艺涉及 到以上提到的诸多因素，即使有经验的工程师也需要多次耗时、耗财的实验才能 完成，在开发汽车电子产品时更是如此。 在初始设计阶段，我们希望有一个工具在已知工件的形状和平板毛坯的厚度 的情况下，能快速估计工件的厚度变化和应变分布，并且能够分析成形过程中不 同因素对产品质量的影响。直接简单地根据产品或工件的几何形状来预测板料的 变形具有比较大的实用意义，但是目前这方面的研究工作还比较少。这里研究了 有限元逆算法( 亦称一步成形模拟方法) ，以满足这种要求b 。 逆算法的主要目的是为了从产品的最终构形出发，计算坯料的初始形状。它 的板料在冲压成形过程中假设是按比例加载的变形过程，并且材料不可压缩，模 拟过程中采用塑性全量形变本构模型。有限元逆算法的基本思想是在成形后的冲 压件上建立有限元方程进行迭代求解，在已知有限元逆算法所需要的基本条件和 物理量的前提下，利用有限元逆算法求解坯料的几何尺寸等。 2 4 2 逆算法实施过程 逆算法分析的对象是修边后的冲压件，通过有限元方法将工件向水平面或者 给定曲面展开，并进行一系列迭代计算得出工件的初始坯料形状及最终成形后的 应力、应变等物理量信息口2 j 。逆算法求解过程大致可分为两个阶段： ( 1 ) 初始场猜测 首先将离散后的工件网格沿垂直方向( 一般为z 向) 向水平面或者给定曲 面投影，获得初始的展开网格即初始场。通常情况下，由于采用垂直投影方式， 如果零件存在较大的倒扣角，投影得到的初始场就会存在一部分畸形单元，在随 后的方程组求解过程中会导致方程组单元刚度矩阵歧义，造成求解失败。 a u t o f o r m o n e s t e p 模块的逆算法估计采用了此种投影方式，因此无法计算具 有倒扣角的零件。但在后续出现的逆算法如f a s t b l a n k 和m s t e p 中，针对此 种情况作了一些处理。在获得垂直投影的初始场后，利用单元面积不变或其他方 法调整初始场中的畸形单元，以增强后续迭代求解过程的收敛性。投影获得的初 始场仅仅是作为迭代求解的起始状态，其形状和精度对于后续的迭代求解没有实 质性的影响。m s t e p 的弹性展开模式( 快速方式) 输出的结果实际上就是展开 江苏大学硕士学位论文 得到的初始场猜测结果，没有考虑塑性成形的因素，因此精度较低。 ( 2 ) 迭代求解 在上一步获得的初始场基础上，将运动方程的各项公式应用于初始场和最终 工件两个状态，根据虚功原理进行迭代计算，当计算出的内力( 节点力) 和外力 ( 压边力、拉深筋力、托料力等) 达到平衡状态时，可得出各节点的反向位移， 与最终工件上相应节点坐标叠加即可得到初始坯料节点坐标。将计算得出的位移 代入运动方程可得出其对数应变，随后根据本构关系算出应力状态。 2 5 板料成形分析软件d y n a f o r m 简介 d y n a f o r m 软件是由e t a 公司研制的基于l s d y n a 的钣金冲压分析软 件包，它把l s d y n a 、l s n i k e 3 d 强大的分析能力与e 1 队f e m b 的流程化前 后处理功能结合起来。d y n a f o r m 分析的求解器是l s d y n a 和l s n i k e 3 d ， 这两个程序是通用的、非线性的、动态的有限元分析程序，利用显式和隐式计算 方法来解决结构及流体等问题，已经成功地应用于钣金冲压的数值模拟。 d y n a f o r m 包括板料成形分析所需的与软件的接口、前后处理、分析求解等功 能。同时，近几年来加强了隐式算法的开发，实现了显、隐无缝集成的功能，在 完成冲压分析后，自动切换到隐式求解器进行回弹分析。在回弹分析过程中，可 以采用大的时间步长，提高回弹的计算效率。 d y n a f o r m m l 的主要功能包括分析拉深、成形、弯曲、翻边、切边等板料 成形过程中的不同工序，也可以进行多步成形( 或多工序加工) 分析。通过用户 已定义好的冲压工艺及模具曲面形状来预测成形状态，其中包括减薄拉裂、起皱、 回弹等各种问题；同时可以对成形力、压边力、拉深筋、模具磨损等各种工艺问 题进行分析，以便优化工艺和模具设计。 d y n a f o r m 的核心技术包括以下几个方面盼7 l ： ( 1 ) 动力显式积分算法； ( 2 ) 板壳有限元理论的研究； ( 3 ) 本构理论和屈服准则( 材料模型) ： ( 4 ) 接触判断算法和网格细化自适应技术； ( 5 ) 多工步成形模拟技术： ( 6 ) c a d c a e 软件和成形过程模拟c a e 软件之l 、日j 的数据转换技术； 1 4 江苏大学硕士学位论文 ( 7 ) 建立有限元模型的若干技巧； ( 8 ) 板材冲压成形模拟的一般过程。 作为专业化的饭金冲压成形数值模拟软件，d y n a f o r m 对用户的工程背景 及理论知识要求并不高，具有界面友好和操作流程自动的特点。有限元数值模拟 的优点在于能提前预测产品成形的可能缺陷，从而为设计者提供合理的设计依据 和工艺安排，以缩短设计制造周期，降低成本提高产品质量等。d y n a f o r m 提 供丰富高效的单元类型，领先的接触和交界处理技术，百余种材料模型，可直观 地看出板料的厚向应变图、最大应力位置、成形极限图及富于真实感的动画等。 e 1 ：n d y n a f o r m 可模拟压边、拉深、翻边、弯曲、多工步成形等过程，能预测 板料起皱、拉裂、回弹、压痕、料厚变化、拉深筋布置及压力机吨位等工艺参数， 可帮助模具设计者明显减少模具开发时间及减少费用，是板料冲压成形理想的 c a e 工具。d y n a f o r m 软件包是用于板材成形模拟的专用软件包，可以帮助模 具设计人员显著减少模具开发设计时间及试模周期，不但具有良好的易用性，而 且包括大量的智能化自动工具，可以预测成形过程中板料的破裂、起皱、减薄、 划痕和回弹，评估板料的成形性能，从而为板料成形工艺及模具设计提供帮助。 为了反映板料在冲压过程中发生破坏的情况，k c c l e r 和g o o d w i n 在1 9 6 8 年 提出了成形极限图( f l d f o r m i n gl i m i td i a g r a m ) 的概念口3 叫1 。其基本原理是假 设板料变形中一个主应变方向与板面垂直，即厚向应变，为主应变之一；另两 个主应变仅在板面内，以这两个主应变一和，为坐标轴建立的坐标系中，成形 极限曲线( f o r m i n gl i m i tc u r v e ，f l c ) 将坐标系的半平面 d 夕划分为安全 区、临界区和破坏区三部分，如图2 3 所示。零件上某点的面内应变值，) ， 如果