（材料加工工程专业论文）基于dyna的覆盖件拉深工艺设计及拉延筋优化.pdf

太原理 _ ：大学硕士研究生学位论文 基于d y n a f o r m 的覆盖件拉深工艺设计及拉延筋优化 摘要 拉延筋是工艺补充的一个重要组成部分，利用拉延筋可以在较大范围 内控制拉深成形变形区内的板料变形速度和变形分布，从而达到抑制破裂、 起皱、回弹等多种拉深成形质量问题的产生。在很多情况下，拉延筋设置 是否合理甚至决定着冲压成形的成败。由于近年来高强度钢板的应用越来 越广泛，与普通钢板相比，其较差的成形性使得合理的拉延筋设计就显得 更为重要。 覆盖件成形的核心是拉深。通过有限元模拟出拉深过程，依据模拟出 的数据设计添加拉延筋或修改模型等手段，来制备符合设计拉深模具要求 的数学模型( 简称数模) ，已广泛应用于模具设计中。 本文以一个典型的汽车覆盖件拉深成形为例，借助有限元数值模拟技 术预测覆盖件拉深成形，通过设置不同参数的拉延筋及形式，指出拉延筋 在覆盖件成形中与起皱的关系，并指导模具拉延筋的设置，研究不同拉延 筋布置方式下的成形规律。 基于有限元分析软件d 寸a f o r m 对不同拉延筋布置形式下该零件的 拉深成形过程进行数值模拟，通过对比分析模拟结果，确定了拉延筋的参 数及合理布局。通过模拟，不断地调整优化拉延筋的类型、参数及位置， 最后得到最优结果为1 0 m m 高圆形拉延筋为最佳参数。解决了传统设计方 关键词：汽车覆盖件，拉深，拉延筋，。y 1 1 a f o 姗，有限元数值模拟 i j d e e pd 删i n g p r o c e s s d e s i g na n d o p t i m i z a t l 0 n f o r d r 舯e a d 0 fc 0 刚g p a r t sb a s e d o nd y n a f 0 州 a b s t r a c t d r a w b e a dp r o c e s sc o m p l 锄e n t i sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n t 。f 龇t o m 0 b 1 1 e p a n e lf o 衄i n g ，p l a y sa ni i n p 。r t a n t r 0 1 ei n u s i n gd r a 由e a dc a n b ec 。m 吣l l e d1 na w i d er a n g e 。fd r a w i n gd e f o 衄a t i o n z 。n ep l a t ed e f o 衄a t i o nr a t ea n d d e f o m a t l o n d i s t r i 。n ，t h u ss u p p r e s s i n gm p 咖；，而出i n g ，r e b o u n da n d 。m e r 1 n g q u a l i t yp r 。b l e m s i nm a n yc a s e s ，d m 、b e a d s e t t i n g i sr e a s 。n a b l e a 1 1 de v e n d e t e n i n e st h es u c c e s s 。rf a i l u r e 。fs t 锄p i n gf o m l i n g h i g h s t r e n g ms t e e lp i a t e isa p p l i e dm o r e 趾dm o r ew i 地c 。m p a r e d w i mo r d i n a r ys t e e l ，t h em a t e n a l f o 彻i n gp r o p e n y 。f i ti sp o o r ，s 。t h er e a s 。n a b l ed r a w b e a dd e s i g nb e c o m e s m 。代 i m p o r t a n t c 。v 面n gp a n sf o 衄i n gt h ec 。r e 。f m l w i n g b ym e a n s 。f 丘n i t ee l e m e n t s i 舢l a t i 。n 。fm ed e 印d r a w i n gp r 。c e s s ，b a s e d 。ns i m u l a t e d d a t af o rt h ed e s i g n 。fd r 鲫沌e a dm 。d e lw a sm 。d i f i e dt 。a d d t h em e a n s 。fp r e p a r a t i 。nw i t ht h e d e s 培nd r a w i n g d i er e q u i r e m e n t sm 。d e l i t i sw i d e l yu s e di n t h ed e s i g n 。f d r a w i n gm o d e l t h i sp 印e rt a k e s at y p i c a la - u t 。m o b i l ep a n e l d r a w i n gp r o c e s s a sa n e x a n 叩1 e ，b a s e d 。nt h e f i n i t ed e m e n tn u m e r i c a ls i i n u l a t i 。nt e c h n i q v e s f o rt h e p r e d i c t i 。n 。fm e d r a w i n g ，b ys e t t i n gd i f ! f i 玎e n tp a r a m e t e r s 。f d r a w b e a dd r a w b e a d a n df o n l l 栅1 t e d 。u ti nt h ec 。v e 咖g p a n sf o m i n g p r o c e s sa n d 嘶n 她。f m e 蝴o n s h i p ，a n dt h eg u i d e d i e 。f d r a w b e a d d r a w b e a d s e t t i n g ，s t u d yt h ed i 疏r e n t a r r a n g e m e n tm o d e f o n l l i n g1 a w b a s e d 。nt h e 蛳ee l e m e n t a n a l y s i ss 。r w a r ed y n a f o r m 。n d r a w b e a d 1 a y o u to ft h ep a n s d r a w i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i 。n 。f f o 胁i n gp r o c e s s ，t h r o u g ht h e c 蛐s t 锄1 y s i so f t h es i m u l a t i 。n 删t s ，d e t e m i n et h e d r a w b e a dp a r a m e t e r a n dm t l 。n a l l a y ，o u t t h e s i m u l a t i 。nr e s u l t st 。d e t e n l l i n et h e a v e r a g e1o m mh ig h m u n dd m w b e a d f o ro p t i m a l p a r a m e t e r s t h r o u 曲t h es i m u l a t i 。n ，c o l l t i n u 。u s a d j u s t m e n ta n d 叩t i m i z a t i 。n 。f d r a w b e a dt y p e s ，p 越l m e t e r sa 1 1 d p 。s i t i 。n ，矗n a l l v g e h eb e s 删t s t os o l v et h et 眦i o n a l d e s i g nm e t h o d o fs e 哑d r a w b e a d 。垃e n 阳q u l 坨r e p e a t e dt e s ta n d r 印a i rm 。u l d ，t i m e c 。n s u m i n g ，i sn 。t c 。n d u c i v e t 。c 。1 n p e t l t l 。ni nt h e m a r k e t ；r e l y 。nd i ef i t t e re x p e 订e n c eg u i d i n g p r o d u c t i 。n ：a s w e l la s t 础i 删s e t t i n gd r a w b e a dc a nc 。n t r 0 1 t h ed r a w i n gf o 蛐i n g l o c a l k e yw o r d s ：a u t 。喇l e c 。v 鲥n g p a n s ，d r a w i n g ，d r a w b e a d ，d y n a f o r m j 丘n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n i v 一奎垦垄三奎堂堡主堑塞生堂垡堡壅 一 一一 第一章绪论 覆盖件模具是汽车工业的核心工艺装备，在新车型的开发研制中，6 0 的工作内容 都是在改进更新车身外观，而车身有7 0 以上的零件是覆盖件，所以覆盖件的成形技术 是新型车辆开发的核心技术。在新车型整车的开发费用中，约有5 0 用于车身覆盖件冲 压工艺及冲压模具的开发。在整车制造成本中约4 0 为车身覆盖件及其模具设计制造的 费用【1 o 1 1 覆盖件成形 汽车覆盖件( 简称覆盖件) ，是指构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机和底盘的异 形体表面和内部的汽车零件。汽车覆盖件既是外观装饰性的零件，又是封闭薄壳状的受 力零件。覆盖件组装后构成了车身或驾驶室的全部外部和内部形状，覆盖件的制造是汽 车车身制造的关键环节。图1 1 为小汽车覆盖件集中所在区域。 图1 。1 轿车中主要覆盖件【3 】 f i g 1 1t h em a i nc o v e r i n gp a r t so fc a r 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 1 汽车覆盖件的特点和要求： 与一般冲压件相比，覆盖件具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量要求高 等特点。覆盖件的工艺设计、冲模结构设计和冲模制造工艺都具有特殊性。因此，在实 践中常把覆盖件从一般冲压件中分离出来，作为一个特殊的类别加以研究和分析。 覆盖件的特点决定了它的特殊要求： ( 1 ) 表面质量 覆盖件表面上任何微小的缺陷都会在涂漆后引起光线的漫反射而损坏外形的美观， 因此覆盖件表面不允许有波纹、皱折、凹痕、擦伤、边缘拉痕和其他破坏表面美感的缺 陷。覆盖件上的装饰棱线和筋条要求清晰、平滑、左右对称和过渡均匀，覆盖件之间的 棱线衔接应吻合流畅，不允许参差不齐。总之覆盖件不仅要满足结构上的功能要求，更 要满足表面装饰的美观要求。 ( 2 ) 尺寸形状 覆盖件的形状多为空间立体曲面，其形状很难在覆盖件图上完整准确地表达出来， 因此覆盖件的尺寸形状常常借助主模型来描述。主模型是覆盖件的主要制造依据，覆盖 件图上标注出来的尺寸形状包括立体曲面形状、各种孔的位置尺寸、形状过渡尺寸等， 其都应和主模型一致，图面上无法标注的尺寸要依赖主模型量取，从这个意义上看，主 模型是覆盖件图必要的补充。 ( 3 ) 刚性 覆盖件拉深成型时，由于其塑性变形的不均匀性，往往会使某些部位刚性较差。刚 性差的覆盖件受到振动后会产生空洞声，用这样零件装车，汽车在高速行驶时会发生振 动，造成覆盖件早期破坏，因此覆盖件刚性要求不可忽视。检查覆盖件刚性的方法，一 是敲打零件以分辨其各部位声音的异同，另一是用手按看其是否发生松驰和鼓动现象【4 1 。 ( 4 ) 工艺性 覆盖件的结构形状和尺寸决定该件的工艺性。覆盖件的工艺性关键是拉深工艺性。 覆盖件一般都采用一次成型法，为了创造一个良好的拉深条件，通常将翻边展开，窗口 补满，再加添上工艺补充部分，构成一个拉深件。 工艺补充是拉深件不可缺少的组成部分，它既是实现拉深的条件，又是增加变形程 度获得刚性零件的必要补充。工艺补充的多少取决于覆盖件的形状和尺寸，也和材料的 太原理： 大学硕士研究生学位论文 性能有关，形状复杂的深拉深件，要使用0 8 z f 钢板。工艺补充的多余料需要在以后工 序中去斛5 1 。 拉深工序以后的工艺性，是确定工序次数和安排工序顺序。工艺性好可以减少工序 次数，进行必要的工序合并。审查后续工序的工艺性要注意定位基准的一致性或定位基 准的转换，前道工序为后续工序创造必要的条件，后道工序要注意和前道工序衔接好【6 1 。 1 1 2 覆盖件成形工艺 汽车覆盖件冲压成形相比一般的冲压零件的工艺要更加复杂，需要注意的问题也更 多，覆盖件成形主要工序包括：落料( b l ) 、拉深( d r ) 、整形( r s t ) 、切边( t r ) 、 翻边( f l ) 和冲孔( p i ) 。 拉深工序是覆盖件成形最关键的核心工序，在覆盖件拉深成形中，毛坯形状变化复 杂，成形过程已经不仅仅是简单的冲压拉深成形，而是拉深与胀形共同作用的复合成形， 所以覆盖件拉深成形工艺要受到多方因素的影响，因此必须对覆盖件模型进行合理的工 艺补充形成符合要求的压料面形状及合理的拉深方向、毛坯形状和尺寸冲压参数等。这 些因素直接关系到拉深件质量甚至拉深成败，所以工艺补充可以说是汽车覆盖件成形的 核心技术【3 】。覆盖件大多包含形状怪异的流线型光滑复杂曲面形状，因此拉深时变形很 不均匀，主要出现的成形问题包括起皱和拉裂。为此，常采用添加工艺补充面、拉延筋 等手段和调整压边力控制进料。对大型覆盖件拉深成形，需要较大和较稳定的压边力。 所以，广泛采用双动液压机【7 1 。 汽车件的表面形状复杂，大部分是空间曲面，所以其切边、翻边等工序也和一般冲 压件不完全相同，需要合理的设定工序形状，正确的冲压方向、冲压参数，才能得到合 格的成形件。冲压工艺流程要根据冲压零件技术条件为参考依据，如整形工序应该放在 后序没有走料工序之前，才能保证质量要求【引。 1 1 3 覆盖件拉深工艺及选择参数 ( 1 ) 覆盖件的拉深深度。在符合产品尺寸的条件下尽可能平缓均匀，让各处的变形程 度趋于一致。 ( 2 ) 拉深方向。覆盖件拉深方向的确定，不但决定能否拉深出满意的拉深件，而且影响 太原理工大学硕士研究生学位论文 到工艺补充部分的多少和压料面的形状。合理的拉深方向应从以下几方面考虑： ( a ) 保证凸模能够进入凹模，当覆盖件有局部凹形或反拉深要求时，覆盖件本身 的凹形和反拉深要求就决定了拉深的方向。 ( b ) 凸模与毛坯在开始拉深时，应保证良好的接触状态。拉深开始时，毛坯与凸 模保持较大的接触面积，并位于凸模中心部分，这样毛坯才不易发生局部应力集中而使 零件产生破裂，而且材料能均匀地拉入凹模，不会因毛坯发生挪动而影响拉深质量。毛 坯能完整地贴紧凸模，拉深后可获得完整的凸模形状。 ( 3 ) 正确确定压料面的形状。压料面是覆盖件工艺补充面的一个组成部分，即位于凹 模圆角半径以外的那一部分毛坯。拉深前，压料圈将要拉深的毛坯压紧在凹模压料面上， 不形成皱纹或折痕，在拉深过程中，压料面逐步进人凹模内，同时尽可能降低拉深深度， 保证进入凹模的材料不皱、不裂，获得合格的拉深件。因此确定压料面要做到如下几点： ( a ) 压料面尽可能为平面、圆柱面、圆锥面或曲率很小的双曲面等可展面，当毛 坯被压紧时，不应该产生皱纹或扭曲现象，以便材料向凹模内顺利流动。 ( b ) 压料面与拉深凸模的形状应保持一定的几何关系，保证在拉深过程中毛坯始 终处于拉胀状态，拉入凹模内的材料不会多料，也就不会产生皱纹【9 】。 1 1 4 覆盖件成形常见缺陷 板料与凸模开始接触，板料内就会产生一定压应力，随着拉深的深入，当这个压应 力超过允许值时，板料就会失稳起皱。板料的失稳起皱其实质是由板料面内的残余压应 力所引起的。但是，产生失稳起皱的原因的直观表现形式是多种多样的，如不均匀拉深 起皱、剪应力起皱、板内弯曲起皱等，所以覆盖件拉深时起皱的皱纹多少、形态和部位 有多种多样除材料的性能因素外，各种拉深条件对失稳起皱有如下影响：拉深时凸模和 凹模的圆角半径越小越容易产生压应力，越容易起皱；凸模与板材接触的位置的越靠近 板料中央部位，产生的压应力越小，起皱的危险就越小；从板料开始与凸模接触后开始 拉深，一直到拉深完成，板料与凸模弯曲压合，压合量越大，越容易引发起皱，而起这 种起皱是很难通过正常手段消除；拉深深度越深，凹模行程越大，就越容易起皱，板料 与凸模的接触面积越大，由于接触会对材料流动有一定的约束作用，所以随着拉深成形 的深入，而使凸模与板材接触面不断增大，对起皱的出现和扩大的抑制作用将会增加【9 】。 4 太原理二 大学硕士研究生学位论文 1 1 5 成形缺陷控制 ( 1 ) 调整压料面的间隙 在压料力不易控制的情况下，采取调整拉深间隙的办法可消除因材料厚度变化而引 起的压料力变化对材料变形的不利影响，这种方法在调整拉深棋时是很有效的 ( 2 ) 调整压边力的大小 当皱纹在制件四周均匀产生时，应判断为压料力不足，逐渐加大压料力即可消除皱 纹。当拉深锥形件和半球形件时，拉深开始时大部分材料处于悬空状态容易产生侧壁 起皱，故除增加压边力外，还应采用增加捡伸筋来增大板内径向拉应力，消除皱纹。 ( 3 ) 改变坯料的形状 改变坯料形状可以局部微调进料速度和进料量，所以可以消除局部的起皱。 ( 4 ) 调整拉延筋控制进料 由于起皱的机理之一是进料不均匀导致，所以可以通过调整进料的方式来控制成 形。又因为( 1 ) 和( 2 ) 的控制起皱的途径是全局控制，不可能局部改变压料面间隙或 是局部改变压边力，而覆盖件形状复杂，局部区域很难控制，为了消除这些局部的，通 常采用局部修改优化拉延筋来控制起皱【1 0 ，1 2 ，13 1 。 1 2c a e ( c o i n p u t e ra i d e de n g i n e 嘶n g ) 1 2 1c a e 技术的应用 c a e ( c o m p u t e r a i d e de n 舀n e 嘶n g ) 是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、 刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算 以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。c a e 从6 0 年代初在工程上 开始应用到今天，已经历了5 0 多年的发展历史，其理论和算法都经历了从蓬勃发展到 日趋成熟的过程，现已成为工程和产品结构分析中( 如航空、航天、机械、土木结构等 领域) 必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段【l4 1 。 随着计算机技术及应用的迅速发展，特别是大规模、超大规模集成电路和微型计算 机的出现，使计算机图形学( c o m p u t e rg r a p h i c s ，c g ) 、计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e d 太原理工大学硕士研究生学位论文 d e s i 弘，c a d ) 与计算机辅助制造( c o h l p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ，c a m ) 等新技术得 以十分迅猛的发展。c a d 、c a m 已经在电子、造船、航空、航天、机械、建筑、汽车 等各个领域中得到了广泛的应用，成为最具有生产潜力的工具，展示了光明的前景，取 得了巨大的经济效益。 c a e 软件可以分为两类：针对特定类型的工程或产品所开发的用于产品性能分析、 预测和优化的软件，称之为专用c a e 软件；可以对多种类型的工程和产品的物理、力 学性能进行分析、模拟和预测、评价和优化，以实现产品技术创新的软件，称之为通用 c a e 软件。c a e ：软件的主体是有限元分析( f e a ，f i i l i t ee l e m e n t a n a l y s i s ) 软件。 1 2 2 c a e 的关键技术 c a e 技术是一门涉及许多领域的多学科综合技术，其关键技术有以下几个方面： ( 1 ) 计算机图形技术 c a e 系统中表达信息的主要形式是图形，特别是工程图。在c a e 运行的过程中， 用户与计算机之间的信息交流是非常重要的。交流的主要手段之一是计算机图形。所以， 计算机图形技术；黾c a e 系统的基础和主要组成部分。 ( 2 ) 三维实体造型 工程设计项目和机械产品都是三维空间的形体。在设计过程中，设计人员构思形成 的也是三维形体。c a e 技术中的三维实体造型就是在计算机内建立三维形体的几何模 型，记录下该形体的点、棱边、面的几何形状及尺寸，以及各点、边、面间的连接关系。 ( 3 ) 数据交换技术 c a e 系统中的各个子系统，各个功能模块都是系统有机的组成部分，它们都应有统 一的几类数据表示格式，使不同的子系统间、不同模块间的数据交换顺利进行，充分发 挥应用软件的效益，而且应具有较强的系统可扩展性和软件的可再用性，以提高c a e 系统的生产率。各种不同的c a e 系统之间为了信息交换及资源共享的目的，也应建立 c a e 系统软件均应遵守的数据交换规范。目前，国际上通用的标准有g k s 、i g e s 、p d e s 、 s t e p 等。 ( 4 ) 工程数据管理技术 c a e 系统中生成的几何与拓扑数据，工程机械，工具的性能、数量、状态，原材 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 料的性能、数量、存放地点和价格，工艺数据和施工规范等数据必须通过计算机存储、 读取、处理和传送。这些数据的有效组织和管理是建造c a e 系统的又一关键技术，是 c a e 系统集成的核心。采用数据库管理系统( d b m s ) 对所产生的数据进行管理是最好 的技术手段。 ( 5 ) 管理信息系统 工程管理的成败，取决于能否做出有效的决策。一定的管理方法和管理手段是一定 社会生产力发展水平的产物。市场经济环境中企业的竞争不仅是人才与技术的竞争，而 且是管理水平、经营方针的竞争，是管理决策的竞争。决策的依据和出发点取决于信息 的质量。所以，建立一个由人和计算机等组成的能进行信息收集、传输、加工、保存、 维护和使用的管理信息系统，有效地利用信息控制企业活动是c a e 系统具有战略意义、 事关全局的一环。工程的整个过程归根结蒂是管理过程，工程的质量与效益在很大程度 上取决于管理【15 1 。 1 2 3c a e 拉深仿真技术 近年来，随着计算机技术及软硬件的迅猛发展，冲压成形过程模拟技术( c a e ) 发挥着越来越重要的作用。在美国、日本、德国等汽车制造技术发达国家，c a e 技术 已成为制定冲压工艺和模具设计制造过程中的必修环节，大量的被应用于预测成形缺 陷、改进冲压工艺与调整模具结构，提高了模具设计的准确性，减少了试模时间。现 在国内许多知名汽车或模具企业，在c a e 的应用中也取得了长足进步，取得了良好 的效果。c a e 技术的应用可大大减少模具试制的成本，缩短冲压模具的制造周期，已 成为保证模具质量的重要手段。c a e 技术正逐步使冲压模具设计丛经验设计转变为科 学设计。 1 2 4 模具数字化技术 近年来数字化模具技术的快速发展，解决了汽车冲压模具开发制造中许多实际应 用难题。模具数字化，就是利用计算机或计算机辅助软件( c a e 软件) 在冲压模具设 计与制造过程中提供的数字理论依据。总结国内外汽车模具企业应用c a e 的成功经 验，数字化技术汽车模具开发主要包括以下方面： 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 可行性制造性设计( d f m ) ，即在汽车零件设计时的分析可制造性，因此可 以确保成形工艺的成功。 ( 2 ) 冲压工艺补充设计的辅助技术，开发出智能化的工艺补充设计技术。 ( 3 ) c a e 辅助分析和仿真冲压成形，预测和解决可能出现的缺陷及成形问题。 ( 4 ) 用3 d 软件进行模具设计，取代传统的二维图纸设计。 ( 5 ) 模具形面的加工过程采用c a p p 、c a m 和c a t 等数控仿形加工技术。 ( 6 ) 通过c a e 模拟技术指导处理解决模具研磨、装配、调试过程中出现的问题。 1 3 本课题研究的背景及意义 模具行业具：有一定的特殊性，尤其是汽车覆盖件模具。其原因是： ( 1 ) 模具尺寸巨大，一般以吨作为衡量单位，目前一吨模具的市场价格在7 5 万到 1 5 0 万人民币不等。而通常汽车覆盖件拉深模具在1 5 吨到5 5 吨不等。 ( 2 ) 设计制造周期长，通常一套模具的设计周期是1 5 天，制造周期三个月左右。 本课题研究的零件仅凹模的数控仿形铣加工就耗工时1 0 8 小时。 ( 3 ) 试模难，由于汽车覆盖件形状复杂，其拉深成形过程是普通拉深和账形的混 合体，相互制约的因素很多。常常会因为一处的修改导致多处变形与模型不符。因此修 模的时候钳工能：匀与经验在试模修改等工作中起决定作用【l6 1 。 在这种大成本、长周期、后续调试困难的模具行业里，八九十年代谁也不敢说自己 能够驾驭诸多不确定因素而不费吹灰之力完成模具的制造，很多试制和成形都存在很大 偶然性和随机性，所以在这个时间段里经验对模具的设计起着举足轻重的指导作用。模 具与冲压件的质量、模具的开发周期、后期调试往往直接取决于模具设计者和模具钳工 的从业经验。此时的模具从业多为工作多年经验丰富的老师傅和老工程师。2 0 0 0 年以后， c a d c a m c a e 的技术在汽车行业得到了广泛的应用，而起进步十分显著，基本上淘汰 了那个时代的手二 绘图。2 0 0 5 年以后而随着c a e 技术和计算机技术的发展，c a e 模拟 的成形结果越来越趋近于真实，模拟技术已经可以轻易地解决了前冲压成形中的大部分 难点。因此在短短的几年里，过去经验丰富的老人因为跟不上发展的节奏而逐步被淘汰， 取而代之的是精通计算机技术以及工艺的年轻人。 c a e 技术的：发展在模具设计中的突出优势，得到了越来越多模具厂家和汽车厂家的 太原理工大学硕士研究生学位论文 认可与研究。经过几年的发展可以说现在汽车模具行业了是“无c a e ，不模具”。只有 经过c a e 成功模拟出覆盖件拉深成形过程，做出合理的成形极限图和材料变薄云图， 并且通过三方( 三方是指汽车厂、模具设计制造单位、零件供应商或其他中介第三方) 会审、会签后，才能开模设计制造。其模具开发流程如图1 2 所示。 图1 2 模具开发流程 f i g 1 2d i ed e v e l o p m e n tp r o c e s s 由图l - 2 可以看出有限模拟在整个开发流程位于一个类似人类咽喉的位置其重要性： 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 由于模具尺寸很大，造价昂贵，制造周期长，在整个开发、设计和制造过程中 都不容有失。又因为c a e 技术可以提供直观的成形过程，能够真实地反应出成形缺陷， 可以作为判断拉深是否能够成形的依据。因此没有c a e 技术支持，就不会得到供应商 认可。只有c a i 模拟出来的拉深成形通过三方会审，才能够进行模具设计。 ( 2 ) 模具研磨是模具钳工日常主要工作之一，以往钳工研磨依据是试压后。根据 坯料成形的变形情况，通过视觉和触觉来判断如何研磨，因此这样就要完全依靠模具 钳工的水平和经验。即使这样也需要反复试模、反复的研磨才能得到满足要求的工件， 而c a e 模拟出来的最终成形极限图，可以直观地反应出拉深过程中出现的缺陷和潜 在可能出现的位置，做到有的放矢指导钳工修研，破裂高危区域和成形困难区域应该 重点照顾。从而可以大大地减少试模次数，缩短试模时间以达到节约成本的目的【1 7 。18 1 。 1 4 本课题研究方法 本课题研究的目的为了提高覆盖件表面质量，而消除拉深成形过中起皱和破裂。 为了去除起皱和破裂通常的试模方法是模具设计完成固定拉延筋后，通过调整压边 力和冲裁速度来调整破裂和起皱，通常这种做法可以全局控制起皱和破裂，适当的调整 可以最大化的均匀起皱与破裂，但汽车覆盖件过于复杂，往往局部的起皱和破裂是无法 通过这种方式消除。所以课题的目的就转换为在找到合适的压边力和冲裁速度后，通过 d y i l a f o m 模拟指导修改其他参数来达到消除这些局部破裂和起皱的表面质量问题。 传统拉延筋添置方式是根据经验添加，往往误差较大，细节难以控制，所以通常需 要反复试模与调试，模具设计制造周期长，试模调试复杂，生产成本加大。通过d y n a f o n i l 平台模拟出起皱和破裂区域，通过修改坯料形状和尺寸来调整进料情况。反复修改坯料 后试压，直至坯料压制出的工件符合检具。然后用三坐标测量仪对该坯料边缘进行大量 选点，通过逆向工程做出坯料模型。再次对该坯料下的模型进行数值模拟，验证成形后， 交付车间下料准备生产1 9 ，2 0 1 。 本课题是利用d v n a f o m 平台，在设置固定压边力、压边间隙、冲裁速度和模具行 程的条件下模拟覆盖件拉深成形，研究设计拉延筋( 圆筋) 的高度与起皱和破裂的关系。 通过改变局部拉延筋的高度，消除局部起皱或破裂，以达到工件表面质量要求。当利用 d y n a f o m 调整出合理的拉延筋高度后，导出i g s 格式，此i g s 格式模型将作为数控加工 1 0 太原理二 大学硕士研究生学位论文 依据，通过数控加工出拉延筋。试压后微调拉延筋以消除不可预知的误差。所以该方法 可以广泛应用于覆盖件模具拉深设计以及普通冲压模具拉深。 1 5 本课题研究基本任务 本课题通过对冲压覆盖件拉深模拟研究，做出成形极限图和材料变薄云图，分析图 片中起皱和破裂位置区域，探索通过添加和修改拉延筋参数的方式来解决这些起皱问 题。主要工作内容包括： ( 1 ) 分析工件模型，确定冲压方向与冲压工艺。 ( 2 ) 根据冲压工艺对模型添加工艺补充面，设置压料面，制备出后续模拟所需模型。 ( 3 ) 利用d y i l a f o h n 模拟分析软件确定工件的坯料下料尺寸和坯料形状。粗略对无拉延筋 状态模型下进行d y n a f b m 有限元分析，初步判断拉深成形的可性行。 ( 4 ) 对不同坯料下和不同高度全模型固定高度圆形拉延筋进行模拟，观察成形极限图和 材料变薄云图，确定最佳拉延筋基本高度。判断其破裂和起皱的规律来研究优化拉延筋。 具体思路如图1 3 所示。 i制定冲压工艺方案l 图1 3 本课题的研究思路 f i g1 3 t h er e s e a r c hp r o j e c t si d e a s 1 l 一 太原理工大学硕士研究生学位论文 r_二二二二二 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章成形工艺与模拟模型参数设置 2 1 课题工件冲压成形工艺及主要工艺参数确定 2 1 1 课题工件及其材料 该零件是某汽车厂某车型的覆盖件，材料是s t l 4 ，板材料厚为2 m m ，最大长宽高是 6 6 6 9 m m 5 3 8 7 m m 7 2 4 m m ，该零件是左右对称件，故而在拉深的时候可以考虑左右 件对称一起拉深，该覆盖件的模型如图2 1 所示。 图2 1 工件原始模型( 右件) f i g2 - 1t h eo r i g i n a lm o d e lo f w o r k p i e c e ( r i g h t ) 该工件的材料是s t l 4 ，德国标准普通结构钢深拉深级钢板，材料属性薄板、钢带、 冷轧钢板，其拉深成形性能等同d c 0 4 ，s p c e ，0 8 a l 。 表2 1s t l 4 的主要化学成分( ) t a b l e2 1c h 锄i c a lc o m p o s i t i o n o fs t14 ( m a s s ) 其力学性能为： 屈服强度r p 0 ，2 ( m p a ) 2 2 0 抗拉强度r m ( m p a ) 2 7 03 5 0 伸长率a 5 ( ) 3 6 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 硬度5 0h r b s t l 4 比普通低碳镀锌板硬度高，但是可塑性和韧性差，s t l 4 是侧重于拉深性能2 3 1 。 2 1 2 冲压方向与送料方向的选择 冲压方向： 冲压方向的确定在模具设计和冲压工艺制定中是十分关键的一步，它不但影响拉深 工艺补充面的设计，而且还决定后续工序的确定。不同的冲压方向，对覆盖件的冲压质 量影响和模具结构也是不同的，因此合理的冲压方向既能避免负角又能方便成形过程、 简化模具结构，所以设计者在冲压方向的选择应该是依据工件形状的特点来确定冲压方 向。由于该工件有大量的平面，以及大量相同冲压方向的孔，为了后续切边冲孔设计的 方便，应该首先：考虑选择与大量相同冲压方向孔垂直的平面。以便后续成形，其次是考 虑圆孔所在的平面，尽量减少侧冲。本件的冲压方向选择还是很轻松的，因为所有的孔 所在平面都与所要选择的最大平面平行。 送料方向： 当冲压方向确定后送料方向也就很容易确定了，就是垂直于冲压方向并平行于工艺 补充面的镜像基准面，如图2 2 所示。 墨 2 1 3 冲压工序确定 图2 2 冲压方向与送料方向 f i g 2 2t h es t 锄p i n ga n df e e dd i r e c t i o n s 通常冲压加工因制件的形状、尺寸和精度的不同，所采用的工序也不同。根据材 1 4 太原理： 大学硕士研究生学位论文 料的变形特点可将冷冲压工序分为分离工序和成形工序两类。 ( 1 ) 分离工序 坯料在冲压力作用下，变形部分的应力达到强度极限o “以后，使坯料发生断裂而 产生分离。分离工序主要有剪裁和冲裁等。 ( 2 ) 成形工序 指坯料在冲压力作用下，变形部分的应力达到屈服极限os ，但未达到强度极限o “， 使坯料产生塑性变形，成为具有一定形状、尺寸与精度制件的加工工序。成形工序主要 有弯曲、拉深、翻边、旋压等。 该零件的工艺卡片如表2 2 所示 表2 2 零件工艺卡片 1 1 a b l e2 - 2p a np r o c e s s i n gc 裥 2 2 工艺模型设计 工件的曲面形状规律决定其拉深成形工艺。由于激光切割技术在试制过程中的广 泛应用，试制设计的模型关键是营造最好的拉深环境，然后通过激光切割将需要切边和 冲切的孔切掉，即可以完成试验符合要求的覆盖件。 而大批量生产制作的拉深模型则需要充分考虑后续的冲裁工艺，所以其拉深模型 应尽量减少立边、负角、多工位侧切等难加工区域或极复杂切边工艺。为了设计这样的 模型，通常将覆盖件翻边部分与压料面展平，整理难切边区域，尽量做到立边或负角区 域通过切边后的翻遍整形完成，难切边区域则通过一次或两次侧切来完成。所以通常需 要先做切边冲孔模型，而后以切边冲孔模型为基础设计拉深模型。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 1 切边工艺模型设计 确定冲压方向后，主切边方向一般应该与冲压方向相同，而冲压方向的法向就一般 为辅切边方向。切边工艺模型设计通常要求是内孔封闭、简化拉深结构形状、保证良好 的塑性变形条件和环境、外工艺补充部分尺寸尽量减小、对后续工序有利加工成形。 切边模型的设计过程大概分为以下步骤： ( 1 ) 抽取中性层，利用u g 对零件进行中性层的抽取，得到中性层片体。 ( 2 ) 通过观察得知该零件为左右对称件，故而在拉深成形的过程中要考虑一模两件 的拉深方式，这样做的好处是模具压力中心可以很容易通过几何形状中心确定，左右高 度对称又能使模具冲压力和压边力均匀的分布在工件和工件的拉延筋上，从而减少了局 部压力过大而造成应力集中、破裂、边缘褶皱、拉痕等因受力不均产生的缺陷。通过做 中间基准面镜像零件后在u g 的工作界面中得出了左右对称的两件，中间基准面的位置 选择一般按照工件总长的1 1 0 1 8 ，也可视工件实际情况来进行确定。 ( 3 ) 镜像好的两个片体用片体连接或补偿片体的方式连接在一起，如图2 3 所示。 图2 3 镜像后连接在一起的模型 ( 4 ) 填补所有孔洞，可以通过n 边曲面方式封闭曲面上的所有孔洞，也可以通过曲 线成面封闭孔洞。 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 2 拉深工艺模型设计 抽取冲切模型外边缘线，规律延伸零件外边缘线，做出外边缘延伸面，放大该曲面。 以x y 平面投影抽取的外边缘曲线，做外边缘曲线最大轮廓曲线，优化这条外边缘轮廓 曲线并将其放大，以拔模角5 。，+ 2 0 0 i i 瑚到2 0 0 n u n 长度范围内以曲面方式拉深此曲线， 就会做出一个与外边缘延伸面相交的曲面。抽取两个曲面的曲面交线，以此曲面交线作 为基准，通过曲面修剪剪掉不要的那部分曲面，以最低平面做基准面修改拉深多余的部 分，缝合曲面，以交线基准导为r 1 0 圆角后得到如图2 4 的模型。 图2 _ 4 添加工艺补充后的模型 f i g2 4m a t h 锄a t i c a lm o d e la f t e ra d d i n gt h es u p p l e m e n ts u r f a c e 抽取拉深出来的曲面边缘线，对此曲线进行n 边曲面，放大这个n 边曲面做出一 个曲面，利用上步抽取出来的曲面边缘线通过修剪曲面剪去内部的那部分，在x y 平 面做长方形曲线，利用这条长方形曲线修剪那个放大曲面，舍弃外部得到如图2 5 模 型，该模型将为模具设计提供依据。 太原理 ：大学硕士研究生学位论文 图2 5 添加长方形投影边界压料面的模型 2 3 有限元模拟参数的确定 2 3 1d y l l a f o m l 主要功能及板料成形工作流程 d y n a f o 衄主要有三部分组成，前处理器、有限元求解器和后处理器动态非线性图 形输出功能。能够读取输入后缀为术v d a ，：l ：v d a s ，木m o d e l ，木c a t p a r t ，木p r t ，宰d x f ， 木s t p ，木s t 印，木x i g s ，半s t l ，木i n p 等文档，涵盖了所有主流三维和二维机械设计软件。 其本身还具备几何模型修补功能。 网格自动划：分能力强大，修补功能完善，操作简单实用，能用最少数量的单元网格 最大限度模拟冲压工艺面。 坯料尺寸计算可以得到零件的展开件，为落料设计提供理论依据，不过只能作为落 料坯料的参考参数，很多时候由于成形过程过于复杂，以及模具工装加工状态、设备精 度状态、环境温度状态往往都不能完全符合理论要求，而不能将模拟出来的坯料作为落 料坯料，一般需要根据具体情况做适当的优化。l s d y n a 相对应的系统化简洁的设定 模拟参数和定义： 具。可以设定冲压速度、滑块行程和加速度、交变力压力等多种压力 机运动进行模拟。 d e f 模块包含了曲面的自动生成工具，如冲裁工艺面填补功能、调整冲压方向、压 料面与工艺面补充生成拉延筋的制作等功能。但这部分工作一般都在u g 、c a t i a 、 p r o e n g i n e e r 等三维软件中完成。 后处理后，通过成形极限图动态显示各单元成形的情况，如起皱、破裂等问题，通 太原理： 大学硕士研究生学位论文 过三维动态等值线或云图显示应力应变、工件变薄的过程，能够允许设计人员在不同部 位进行厚度分析，以上过程可生成：一= j p g ，术a v i ，木m p e g 等格式的图片和影像【2 5 】。 应用d y n a f o n n 软件分析板材成形过程主要涵盖三个基本过程，建立计算模型、求 解、分析计算结果。其设计模拟过程和思路如图2 6 所示 宙 图2 6 有限元模拟流程 f i g 2 - 6p r o c e d u r e so ff i n i t ee l e l n e n ts i m u l a t i o n 2 3 2d y l l a f o m 网格划分 修 改 工 艺 参 数 有限元法是通过变分原理来解决物理数学问题一种计算法，从研究有限大小的单元 力学特征着手，列出一组以节点位移为未知参数的方程组。有限元的基础就是网格的划 分5 。 网格的划分直接影响着计算规模和计算速度，从而直接影响有限元模拟的质量和成 败。其主要的影响因素有： 修改模型工艺补充面或修改工件 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 网格数量。网格数量是直接影响计算结果的精度大小，网格越多，计算精度就 会越好，但是网格过多也会加大计算的负担，加重计算机的工作量。实际很多时候都不 需要那么高的精度就可以完成模拟，完全没有必要进行过多的计算。网格过少则会导致 仿真失真，不能真实反映工件成形状况，所以网格数量的确定应该权衡精度和计算机的 工作量。 ( 2 ) 网格疏密。网格疏密指的是机构不同部位采用大小不同的网格，这个是为了调 整计算数据的分部，在计算数据变化程度剧烈的位置，为了能够更好表达成形变化规律， 需要采用比较密集的网格分部，同样道理，在几乎没有成形变化的区域，网格可以适当 的放大，以减少计算机工作量和节省计算时间口。 自上世纪五十年代末，有限元网格自动划分技术就成了国内有限元研究和应用的热 点，因此也产生了许多种不同的算法。 ( 1 ) 映射法：映射法是最早成分应用有商品化产品并在其中占据了领导地位的方法， 它根据形体边界的参数方程，把一个参考网格通过映射方程从参数区域映射到实际的区 域中。 ( 2 ) d e l a u 】1 a y 三角切分法是一种利用离散点集生成网格的方法。其最大优点是自 动避免了生成小内角长薄单元，特别适合有限元网格的生成。d e l a u n a y 三角方法在二：维 平面区域中取得了成功，却非常不适合三维情况船1 3 2 | 。 2 3 3 网格检查、补偿与修复工艺 网格划分完成后，由于模型转换，不知道在u g 里面做好的曲面是否存在问题，如 曲面破裂、曲面与曲面相接处的位置