（机械制造及其自动化专业论文）圆锥保持架成形仿真分析及模具设计.pdf

摘要 摘要 车辆变速器内的圆锥滚子轴承是组成汽车的重要零件之一，直接影响 汽车的车速、安全、行车时有没噪音等情况，轴承内的保持架的精度及质 量会影响滚子的滚动情况和轴承间隙，直接影响轴承的性能。而模具作为 生产保持架的直接设备，设计合理模具结构显得尤其重要。针对圆锥保持 架传统加工方法精度不高、效率低的弊端，以金属板料冲压成形理论为基 础，对板料拉深成形进行仿真分析，设计出圆锥保持架拉深、侧向窗孔成 形、压坡等模具，有效地保证了圆锥保持架生产的高质量、高效率和低成本。 论文首先分析了拉深过程中工艺参数、模具结构参数、板料形状和模 具问隙等因素对板料拉深成形性能的影响，对拉深过程中拉深件易出现的 障碍( 拉裂、起皱) 进行详细分析，并提出减少或控制障碍的有效措施， 提高拉深成形极限。 其次，采用板料成形仿真模拟技术，建立了圆锥保持架材料模型、力 学模型，论述网格的划分、边界条件的选取与分析过程，对圆锥保持架冲 压成形过程进行了详细分析。 第三，在分析圆锥保持架的结构特点的基础上，设计出全新的保持架 拉深模具，通过冲压模具成形模拟软件d y n a f o r m 来分析板料变形过程和缺 陷产生的情况，找出冲压件缺陷产生的原因，然后通过优化模具结构或工 艺参数来减少或避免这些缺陷的产生，提高了拉深成形性能和效率。 在新设计的保持架拉深模具中，根据保持架侧向窗孔工作性能要求， 设计出能同时由内向外冲裁圆锥保持架多个窗孔的模具，提高成形效率， 降低模具成本，同时减少孔梁弯曲、等分差等缺陷，达到冲孔的精度要求。 同时，针对保持架外径和外滚道表面间的间隙过小时，保持架窗孔与 滚子之间存在径向游隙窜动，可能会出现保持架外径与外滚道表面接触， 将导致轴承失效情况，对保持架参数( 压坡深度、压坡角) 进行优化，根 据优化结果设计出一次能完成全部窗孔挤压( 压坡) 工作的模具，高效率、 高质量地完成挤压工作，同时又能校正冲窗孔时所产生的孔梁弯曲、等分 差等缺陷。 研究结果表明，上述措施，很好地解决了保持架生产质量问题，提高 广东工业大学硕士学位论文 了保持架成形效率和精度。 关键词：保持架；冲压成形；数值仿真；模具设计 a b s tr a c t a b s t r a c t t h et a p e r e dr o l l e rb e a r i n g si nt h ev e h i c l et r a n s m i s s i o ni so n eo ft h e i m p o r t a n tp a r t so fa u t o m o b i l e ，w h i c hd i r e c t l yi n f l u e n c e s t h es p e e d ，s a f e t y ， n o i s ea n ds oo n t h ep r e c i s i o na n dq u a l i t yo ft h et a p e r e dr o l l e rb e a r i n g sw i l l a f f e c tr o l l e ra n db e a r i n gc l e a r a n c e ，a n dd i r e c t l ya f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e b e a r i n g t h e r e f o r e ，t h em o u l di s ad i r e c te q u i p m e n to fp r o d u c i n gt a p e r e d r o l l e rb e a r i n g s ，a n dt h er e a s o n a b l ed e s i g no ft h em o u l ds t r u c t u r ei se s p e c i a l l y i m p o r t a n t a c c o r d i n gt o t h el o wa c c u r a c ya n dl o we f f i c i e n c yo ft r a d i t i o n a l p r o c e s s i n gm e t h o d ，b a s e do nt h es h e e tm e t a ls t a m p i n gt h e o r y ，t h es i m u l a t i o n a n a l y s i so fs h e e tm e t a ld e e pd r a w i n gi s m a d et od e s i g nt h ed e e pd r a w i n g ， l a t e r a lc a g ep o c k e tf o r m i n g ，p r e s s u r es l o p em o u l da n ds oo n ，t oe f f e c t i v e l y e n s u r et h eh i g hq u a l i t y ，h i g he f f i c i e n c ya n dl o wc o s to ft h et a p e r e db e a r i n g c a g e f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t e n d st oa n a l y z et h ei m p a c to ft h ep r o c e s sp a r a m e t e r s ， t h em o u l ds t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，s h e e tm e t a ls h a p ea n dm o l dc l e a r a n c eo nt h e d e e pd r a w i n g ，a n dt oa n a l y z et h eo b s t a c l e ( c r a c k i n ga n dw r i n k l i n g ) ，i no r d e r t op u tf o r w a r dt h ee f f e c t i v em e a s u r e st or e d u c eo rc o n t r o lt h eo b s t a c l et o i m p r o v et h ed e e pd r a w i n gf o r m i n gl i m i t s e c o n d l y ，c o m b i n e dw i t ht h es h e e tf o r m i n g s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ，t h e e s t a b l i s h m e n to ft h em a t e r i a la n dt h em e c h a n i c sm o d e l ，t o g e t h e rw i t ht h e d i v i s i o no ft h eg i r da n dt h es e l e c t i o no fb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n da n a l y s i s ， w i l lb ed e s c r i b e df o rt h ed e t a i l e da n a l y s i so fs t a m p i n gf o r m i n go ft h et a p e r e d r o l l e rb e a r i n g s t h i r d l y ，w i t ht h ea n a l y s i so ft h e s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft a p e r e d b e a r i n gc a g e ，f o rd e s i g n i n gad e e pd r a w i n gm o u l dw h i c hc a nm a k eg o o d t a p e r e db e a r i n gc a g e ，t o g e t h e rw i t ht h ea n a l y s i so ft h es h e e td e f o r m a t i o n p r o c e s sa n dt h ed e f e c tw i t hd y n a f o r m t of i n do u tt h ec a u s e so fs t a m p i n g d e f e c t s ，t h em o u l ds t r u c t u r ea n dt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e dt o r e d u c eo ra v o i dt h ed e f e c t s ，a n dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c ea n de f f i c i e n c yo f t h ed e e pd r a w i n g 广东工业大学硕士学位论文 a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so ft h el a t e r a lc a g ep o c k e t ，a n e wk i n do fm o u l dw i l lb ed e s i g n e dt oc u tm u l t i p l ec a g ep o c k e t so nt h e t a p e r e db e a r i n gc a g ef r o mi n s i d et o o u t s i d ea tt h es a m et i m e ，t oi m p r o v e f o r m i n ge f f i c i e n c y ，r e d u c et h em o u l dc o s t ，r e d u c eb e n d i n gb e a m sa n dp a r t s e r r o r s ，t oa c h i e v ep u n c h i n ga c c u r a c y a c c o r d i n gt ot h es m a l l e rg a p sb e t w e e nt h eo u t e rd i a m e t e ra n do u t e r r a c e w a y ，t h e r ee x i s t sr a d i a lc h a n n e l i n gm o v eb e t w e e nt h ec a g ep o c k e ta n dt h e r o l l e r s ，w h i c hw i l lc a u s et h eb e a r i n gf a i l u r ew h e nt h eo u t e rd i a m e t e ri si n c o n t a c tw i t ht h eo u t e rr a c e w a y w h e no p t i m i z i n gt h et a p e r e db e a r i n gc a g e p a r a m e t e r s ( p r e s s u r es l o p ed e p t h ，p r e s s u r es l o p ea n g l e ) ， ak i n do fm o u l dw i l lb ed e s i g n e dt of i n i s ha l lp r e s s u r es l o p e so fa l lc a g e p o c k e t si no n e t i m e ，f o rf i n i s h i n ge x t r u s i o nw i t hh i g he f f i c i e n c ya n dh i g h q u a l i t ya n da d j u s t i n gt h eb e n d i n gb e a m s ，t h ep a r t se r r o r sa n do t h e rd e f e c t sa t t h es a m et i m e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea b o v em e a s u r e sc a nb e t t e rs o l v et h ep r o d u c t i o n q u a l i t yp r o b l e m so ft h et a p e r e db e a r i n gc a g e ，i no r d e r t o i m p r o v e t h e e f f i c i e n c ya n do ft h et a p e r e db e a r i n gc a g ef o r m i n g k e y w o r d s ：t a p e r e db e a r i n gc a g e ；s t a m p i n gf o r m i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； m o u l dd e s i g n c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t 、月】 c h a p t e ri i n t r o d u c t i o n 1 1 1 p u n c h i n gp r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c s 1 1 2t h es t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do fp u n c h i n gd i e 1 1 3d o m e s t i c a n df o r e i g np u n c h i n gd i ec a ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t 2 1 4 b a c k g r o u n da n dr e s e a r c hs i g n i f i c a n c e o ft h es u b j e c t 3 1 5c o n t e n t so ft h i st h e s i s 4 1 6 s o l v i n gt h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m s 4 1 7 c h a p t e rs u m m a r y 5 c h a p t e ri is h e e tm e t a lf o r m i n ga n a l y s i sp r i n c i p l e 7 2 1s h e e tm e t a ls t a m p i n gf o r m a b i l i t y 7 2 1 1l im i td r a w i n g co e f f ic i e n t 7 2 1 2 i n f l u e n c i n gf a c t o r s 7 2 2 d r a w i n gp r o c e s sa n a l y s i s 11 2 2 1w r i n k l i n g 11 2 2 2c r a c k 12 2 3 c h a p t e rs u m m a r y c h a p t e ri i l s h e e tm e t a lp u n c h i n gp r o c e s ss i m u l a t i o na n a l y s i sp r i n c i p l e s 15 3 1m a t e r i a lm o d e lo fs h e e tm e t a lf o r m i n gs i m u l a t i o na n a l y s i s 1 5 3 2m e c h a n i c sm o d e lo fs h e e tm e t a lf o r m i n gs i m u l a t i o na n a l y s is 16 3 3s h e e tm e t a lf o r m i n gs i m u l a t i o nn u m e r i c a la n a l y s i sa l g o r i t h m 17 3 4 c a g ed r a w i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n df o r m i n gp r i n c i p l e 1 8 3 5t o o lm o d e l 2 0 3 6m e s h i n gp r i n c i p l e s 2 1 3 7 c h a p t e rs u m m a r y 2 1 c h a p t e ri vt a p e r e dc a g ed r a w i n gm o l dd e s i g na n ds i m u l a t i o na n a l y s i s 2 2 4 1s t r u c t u r ea n a l y s i sa n dt e c h n o l o g y 2 2 4 2s c h e m ea n a l y s i sa n dd e t e r m i n e 2 3 i v 4 3d r a w i n gp r o c e s sa n dc a l c u l a t i o n 2 3 4 3 1d e t e r m i n et h er e p a i rs i d em a r g i n 2 3 4 3 2c a l c u l a t i o no fb l a n kd i a m e t e r 2 j 一、一 4 3 3d e t e r m i n i n gd r a w i n gc o e f f i c i e n t 2 4 4 3 4b l a n k i n gf o r c ec a l c u l a t i o n 2 4 4 3 5d e t e r m i n ep u n c h i n ge q u i p m e n t 2 6 4 4m o i dd e s i g n 2 6 4 4 1b i n d e rd e s i g n 2 6 4 4 2c o n v e x ，c o n c a v ef i l l e t r a d i u sa n dd e t e r m i n ed r a w i n gd i e c l e a r a n c e 2 7 4 4 3o v e r a l ls t r u c t u r eo fd i ed e s i g n 2 7 4 4 4d r a w i n gt h ec o n v e xa n dc o n c a v em o l ds t r u c t u r ed e s i g n 2 8 4 5t a p e r e dc a g ed r a w i n gp r o c e s sc o m p u t e rs i m u l a t i o na n a l y s i s 2 9 4 5 1 m o d e l i n g 3 0 4 5 2 m e s h i n g - 3 0 4 5 3t 0 0 1s e t 3 1 4 5 4 a n a l y s i s a n dc a l c u l a t i o n 3 1 4 5 5 a n a l y s i so fs i m u l a t i o n r e s u l t s 33 4 6 c h a p t e rs u m m a r y 3 3 c h a p t e r vt a p e r e dc a g ep o c k e tb l a n k i n g m o l dd e s i g n 3 3 5 1 a n a l y s i s o fs t r u c t u r ea n dt e c h n o l o g y 3 4 5 2s c h e m ea n a l y s i sa n dc h o i c e 3 4 5 3m o l dd e s ig n 3 5 5 3 1m o l ds t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e 3 5 5 3 2m o l dd e s i g nf e a t u r e s 3 6 5 4m a inp a r t sd e s i g n 3 6 5 4 1d e t e r m i n et h ep u n c ha n dc o n c a v ed i ec l e a r a n c e 3 6 5 4 2p u n c hd e s i g n 3 6 5 4 3c o n c a v ed i ed e s i g n 3 9 5 5p r o c e s sd e s i g na n dc a l c u l a t i o n 4 0 v c o n t e n t s 5 5 1 p u n c h i n gp r e s s u r ec a l c u l a t i o n 4 0 5 5 2r e s e ts p r i n gd e s i g n 4 0 5 5 3d i s c h a r g er u b b e rd e s i g n 4 1 5 5 4 b l a n k i n gt o t a lp r e s s u r e 4 2 5 6 c h a p t e rs u m m a r y 4 2 c h a p t e rv ip a r a m e t e ro p t i m i z m i o no ft h et a p e r e db e a t i n gc a g ep o c k e ta n dp r e s s u r es l o p e mo1ddesign 4 3 6 1a n a l y s i so fs t r u c t u r ea n dt e c h n o l o g y 4 3 6 2s c h e m ea n a l y s i sa n dc h o i c e 4 3 6 3 c a g eo p t i m i z a t i o nd e s i g n 4 4 6 3 1 b e a r i n gd e s i g n i n ga n a l y s i s 4 4 6 3 2c a g ed e s i g n i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n 4 6 6 4p r o d u c ts t r u c t u r ea n a l y s i s 4 6 6 5m o l ds t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e 4 7 6 6m a i np a r t sd e s i g n 4 8 6 6 1p r e s s u r es l o p ep u n c hd e s i g n 4 8 6 6 2p r e s s u r es l o p ed i ed e s i g n 5 2 6 6 3c h e c kp r e s s u r es l o p ep u n c hc l e a r a n c e 5 3 6 6 4c o n ed e s i g n 5 4 6 6 5g u i d ef r a m ed e s i g n 5 4 6 6c h a p t e rs u m m a r y 5 5 s u m m a r ya n dp r o s p e c t 5 6 r e f e r e n c e s 5 8 s t u d y i n gf o r ad e g r e ed u r i n gt h et h e s i sp e r i o d 6 2 s t a t e m e n to f o t i g i n a lc r e a t i o n 6 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 4 第一章绪论 1 1 冲压加工的特征 第一章绪论弟一早珀y 匕 冲压加工是利用安装在压力机上的冲模对材料施加压力，使其产生分 离或变形，从而获得一定形状、尺寸和性能零件的加工方法。冲压加工主 要包括冲裁、拉深、挤压、弯曲、翻边、剖切等工序。冲压加工只要具有 以下几方面的特征 ，： ( 1 ) 冲压加工是依靠模具和冲压设备完成加工，生产率高、操作简便、 易于实现自动化。 ( 2 ) 冲压所获得的零件一般无需再进行切削加工，因而是一种节能、低 耗、高效的加工方法，冲压件成本较低。 ( 3 ) 冲压加工所用原材料多是表面质量好的板料或带料，冲压件的尺寸 公差由模具来保证，所以产品质量稳定，互换性好，具有“一模一样 的 特征。 ( 4 ) 冲压加工可以加工壁薄、重量轻、刚性好、形状复杂的零件。 ( 5 ) 冲压模具结构一般比较复杂，模具制造是单件小批量生产，制造成 本较高，是技术密集型产品。 由于冲压加工具有上面的这些特征，所以在批量生产零件中，应用十 分广泛。例如在车船、航空、化工、电机、同用工业等行业已广泛应用质 量轻、刚性好的冲压件。因此缩短冲压模具开发的周期、降低冲压模具生 产的成本和提高冲压件的质量关系到每个模具企业经济效益的好坏，对加 速现代化工业建设具有十分重要的意义。 1 2 冲压模具的现状及发展动向 过去一段时间罩，冲压模具的制造主要依靠工人的技能及采用传统的 机械加工设备来完成。但随着工业的发展，工业产品质量的不断提高，冲 压件同趋复杂化，冲压模具也向着高效、精密、自动、安全、长寿命等方 向发展，冲压模具设计制造难度日益增大，这就对模具设计及制造工艺提 出了更高的要求。如在设计制造大型、复杂程度较高的冲压模具时，由于 1 广东工业大学硕士学位论文 客观条件以及人为因素的限制，使用传统的设计方法及加工方法会导致设 计及制造模具时容易出现疏漏，缺乏预见性，设计出的模具产品在加工制 造时往往要经过多次修模、试模才能符合使用要求，这大大延长了产品的 生产周期，提高了冲压模具的成本。因此，传统的设计方法和加工方法 已不能完全满足现代模具设计与制造的要求，人们着手寻求各种高效率、 高精度、自动化的设计方法及加工方法。而计算机行业的快速发展，使冲 压模具的设计及制造上了一个新的台阶，特别是国外模具企业。但我国利 用计算机技术辅助冲压模具设计和加工起步较晚，在这方面较国外仍有很 大的差距，以保持架冲压模具为例，表卜1 列出了我国冲压模具在生产周 期、制造精度和模具寿命方面与国外的差距1 。 表1 1 我国冲压模具在不同方面与国外的差距 t a b l e1 - 1t h ed i f f e r e n c eo fm o u l db e t w e e nc h i n aa n df o r e i g n 1 3 国内外冲压模具c a e 的应用和发展概况 板料成型数值模拟技术是从上世纪6 0 年代分析研究基于薄膜理论或 轴对称的二维分析而发展起来的。开始三维板料成型分析研究主要是从2 0 世纪七八十年代开始，到八十年代后期，板料成形数值仿真技术建立了能 够分析复杂零件成形过程的三维非线性壳理论( 弯曲理论) 和考虑几何非线 性的接触和摩擦问题处理算法，涌现了多种形式的有限元软件。 近年来，板料成形仿真技术发展迅速，国外许多模具生产企业都建立 了相关的板料成形仿真系统，这些仿真系统广泛应用于板料冲压成形过程 的模拟、模具设计、工艺设计、试模阶段的故障分析等方面”。国内的 板料成形仿真系统研究主要集中在部分高校里，在实际应用方面仍然较少 ，如吉林大学胡平教授等采用非经典的弹塑性拟流动理论和非二次形的 面内各向异性屈服函数对各向异性板料冲压成形进行了分析，开发出了具 有自主版权的k m a s 板料成形模拟分析软件 ，。 第一章绪论 目前国内外专用板料成形模拟软件如e t a d y n a f o r m ，a u t o f o r m ， r o b u s t 、k m a s ，p a m 2 s t a m p 等。其中e t a d y n a f o r m 是由美国工程 技术联合公司开发的一个基于l s d y n a 的板料成形模拟软件包。一般来 说模具开发周期的关键在于对模具设计的周期难以把握。但 e t a d y n a f o r m 能够对整个模具开发过程进行模拟，因此大大减少了模具 的调试时间，降低了生产冲压件的成本，并且能够有效地模拟模具成形过 程的压边、回弹、拉延和多工步成形等过程，预测板料成形过程中板料 的裂纹、减薄、起皱和表面质量等成形性能1 ，为板成形工艺及模具设 计提供帮助，从而缩短模具设计周期。 1 4 本课题的背景及研究意义 图1 1 所示足应用于汽车变速器里的圆锥滚子轴承，属于车辆轴承。 车辆轴承是汽车的重要组成零件，直接影响汽车的车速、安全，行车时有 没噪音等情况，而轴承内的保持架的精度及质量会影响滚子的滚动情况和 轴承间隙，直接影响轴承的性能，而模具作为生产保持架的直接设备，其 设计与制造显得尤其重要。 卜外圈2 一内圈3 一滚动体4 一保持架 图1 - 1 圆锥滚子轴承1 f i g 1 1t a p e r e dr o l l e rb e a r i n g 圆锥保持架多是薄壁，高精度要求，结构较复杂的零件，因而圆锥保 广东工业大学硕士学位论文 持架模具的结构也相当复杂。如某公司生产的圆锥滚子轴承，其锥形保持 架( 如图1 2 所示) 需要经剪料一成形( 拉深) 一切底( 冲孔) 一冲窗孔 ( 冲孔) 一压坡( 挤压) 一车端面一扩张等七道加工工序。其中保持架拉 深属于锥形拉深，其特点是从平板坯料拉深到锥件的过程中，由于凸模与 板料接触面积小，压力集中，坯料容易产生局部变薄，甚至拉裂，又由于 自由面积大，压边面积小，工件易起皱，导致工件报废；该保持架周向 有14 个窗孔，传统工艺一般是单个冲孔及单个孔压坡，这样，模具结构简 单，但会导致窗孔周向精度低，以致在安装滚子时遇到困难，出现旋转不 灵活的现象，导致汽车在行使时出现较大的噪声或运行不流畅的现象，且 耗时低效。国内带有圆锥保持架的轴承普遍存在这种现象，以至工作起来 噪音超标，进而影响圆锥滚子轴承的应用。因此保持架的拉深、冲窗孔和 压坡工序是影响保持架质量的关键，而拉深、冲窗孔和压坡模具的合理设 计是保证上述工艺顺利进行的关键。 图1 2 圆锥滚子轴承保持架 f i g 1 2c a g ef o rt a p e r e dr o l l e rb e a r i n g 本论文在分析板料成形性能的基础上，分析导致拉深工序中起皱和拉 裂的原因，针对圆锥保持架结构特点和成形技术难点，设计出拉深、冲孔 及挤压模具，并通过板料成形仿真分析了圆锥保持架在拉深成形过程中的 塑性变形规律，提出模具结构改进措施，优化模具设计，提高产品的合格 率和精度，保证轴承质量，降低工作噪音。 1 5 本论文的研究内容 本论文主要进行以下问题的研究： 4 第一章绪论 ( 】) 分析板料成形性能及在冲压过程中产生的主要问题，就拉深过程中 的起皱和拉裂现象进行分析和提出控制的方法； ( 2 ) 根据板料仿真模拟的原理，利用d y n a f o r m 软件对圆锥保持架 的力学模型、材料模型的建立及网格划分作较详细的论述，并对圆锥保持 架的特点和原理等进行分析和研究； ( 3 ) 根据圆锥保持架的结构及成形特点设计出拉深模具， 用 d y n a f o r m 软件仿真模拟板料拉深过程中出现的缺陷情况，查找起皱、拉 裂原因，提出解决方法，从而提高圆锥保持架拉深的生产效率和质量； ( 4 ) 设计出一次完成圆锥保持架所有窗孑l 冲裁模具和一次完成所有窗 孔压坡工作的模具，提高窗孔质量和精度，减少等分误差，从而解决圆锥 滚子轴承在运转中的异响问题。 1 6 拟解决的关键技术问题 本论文的技术关键： ( 1 ) 拟解决圆锥保持架在板料成形模拟分析中凸、凹模和板料的结构模 型、网格划分问题；目前国内外应用板料成形分析软件分析圆锥形拉深件 成形特点的案例较少，上述这些问题的解决要通过对圆锥保持架成形过程 进行不断的调试和模拟分析。 ( 2 ) 针对行业加工保持架效率低，周身精度难以保证的现状，设计出保 持架拉深模具、一次完成所有窗孔冲裁模具和一次完成所有窗孔压坡工作 的模具，并通过板料成形仿真分析，排查缺陷产生的原因，优化成形工艺 参数和修改模具设计。 1 7 本章小结 本章论述了冲压模具的特征和冲压模具的生产现状和发展动态以及国 内外数值模拟技术的研究及发展趋势。针对圆锥保持架成型模具设计中的 问题进行了较详细的论述，明确了本论文的主要研究内容和拟解决的关键 技术问题，指出本论文的研究目标是设计出合理的模具来生产保持架，以 保证保持架的质量及精度，通过仿真软件d y n a f o r m 模拟保持架拉深成 形过程来分析冲压件缺陷产生的原因，根据缺陷原因对模具结构或工艺参 广东工业大学硕士学位论文 数进行优化，实现模具结构优化、降低模具生产成本、缩短模具开发周期 的目的。 6 g - 章板料冲压成形理论基础 第二章板料冲压成形理论基础 2 1 板料的冲压成形性能 板料的冲压成形性能主要指板料的成形极限和成形质量。成形极限 是指成形过程中材料的最大变形限度。成形质量主要指冲压件的尺寸精度、 厚度变化、表面质量以及成形后材料的物理机械性能等。影响锥形冲压 件成形性能的因素有极限拉深系数、模具结构、冲头运动速度、压边力、 摩擦润滑和材料参数等。人们围绕这些因素展开了大量的研究，其目的在 于指导锥形件模具设计与制造，指导冲压工艺设计，从而生产出高质量的 冲压件。 2 1 1 极限拉深系数 50 年代初期，s w i f t 教授以圆筒形件的成形极限拉深比l d r 作为评定 板材拉深性能的实验方法，l d r 的计算公式如下： 伽：生 ( 2 1 ) d p 、 式中：d 一一毛坯最大直径，m m ； d 。一凸模直径，m m 。 由式( 2 1 ) 可知，圆筒形件的极限拉深比l d r 越大，板材成形性能就越 高，拉深时板料塑性变形程度就越大，成形性能就越好，锥形件也满足此 情况。生产中常用极限拉深系数m = 1 l d r 来衡量板料的成形性能。 2 1 2 影响因素分析 2 1 2 1 板料参数的影响 ( 1 ) 硬化指数1 7 硬化指数r l 表示在材料在冷塑性变形中材料硬化的强 度，是评定板材冲压性成形能的重要指标。1 7 值大的材料，在同样的变形 程度下，硬化效应就大，这对于拉深等伸长类变形是有利的”。胛值大时， 在锥形件变形中，底部圆角材料局部变形的增加会使该处变形抗力增大， 这样可以补偿该处因截面面积减小而引起的承载能力的减弱，限制了局部 变薄，具有扩展变形区，使变形均匀化和增大极限变形程度的作用。 ( 2 ) 各向异性系数，各向异性系数厂是板材拉深试验中试样宽向应变 广东工业大学硕士学位论文 与厚向应变之比，对l d r 的影响很大。19 4 8 年，h i l l 提出了一个描述正交 各向异性材料塑性行为的二次方屈服函数引”，h i l l 假设，在材料每一质 点上，存在互相垂直的三个各向异性平面，其屈服函数1 为 f ( o - 2 2 0 2 3 ) 2 + g p 3 3 一盯l i ) 2 + 日( 盯1 l 一0 2 2 ) 2 + 2 l 0 ；3 + 2 m 0 s 2 1 + 2 n o - i 2 1 = 0 ( 2 2 ) 式中仃是应力，f 、g 、日、三、m 、是决定质点在三个方向的拉伸屈服 应力和剪切屈服应力常数。h i l l 通过测试及计算得出结论：，平均值和r 最 小值都大的材料，其拉深性能最好。拉深成形锥形件时，值大的方向板 厚变薄程度小，相应的筒壁变薄量小，所能承受的变形力大，发生破裂的 时刻迟。冲压件在选料时应考虑r 值对成形性能的影响。 2 1 2 2 模具的结构参数 ( 1 ) 凹模圆角坯料经过凹模圆角进入凹模时，经过弯曲和重新拉直 的变化，如果凹模圆角取值过小势必引起拉应力增大，出现拉破、缩颈等 缺陷”。凹模圆角取值过大，易造成材料失稳而出现内凹和内皱等缺陷。 为提高成形质量，圆角半径可从直边中部到曲边凹模圆角数值由较大逐渐 过渡到较小1 3 1 。文献【18 】指出，凹模圆角半径心与板厚t2 _ 比凡f 增加时， 圆锥件的极限拉深比l d r 升高；当板厚t = l 2 r a m 时，r 。取5 t 为宜。首次拉 深凹模圆角半径可按下式计算： r 4 l = o 8 4 ( d - a 月， ( 2 3 ) 式中d 一坯料直径，m m ； d 。一凹模直径，m m ； f 一坯料公称厚度，m m 。 ( 2 ) 凸模圆角凸模圆角半径过小，会降低冲压件传力区危险断面强 度，易产生局部变薄甚至破裂，冲件圆角处弯曲痕迹较明显n ，。凸模圆角 半径过大，增大材料悬空部分，易产生内皱。一般来说，首次拉深凸模圆 角半径r 川取( 0 7 1 ) r 4 。( r 月。一凹模圆角半径) 左右，中问各次拉深可取工 件直径减小值的一半，末次拉深的凸模圆角半径决定于工件的尺寸要求“。 如果工件所要求的圆角半径未达到凸模圆角半径的允许值时，应加整形工 序，整小圆角。 8 第二章板料冲压成形理论基础 2 1 2 3 拉深模具间隙 模具间隙应合理选取，如果间隙过小，就会增大模具与板料之间的摩 擦力，导致工件表面刮伤，且拉深件容易破裂和降低模具寿命；如图2 1 所示，如果间隙过大，拉深件易起内皱，同时影响加工精度“。拉深时， 凸模与凹模之间的间隙一般都应大于材料厚度，以减小摩擦力”。单边间 隙可按下式计算阳1 ： 三= ，一+ k t ( 2 4 ) 式中：t m a x 一材料的最大厚度，m m ； k 一间隙系数，可由文献【19 】查得。 图2 1 拉深模间隙 f i g 2 - 1c l e a r a n c eo fd i e 2 1 2 4 工艺参数的影响 ( 1 ) 压边力压边力是由压边