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文档简介

山东大掌硕士掌位论文 曲面翻边类零件成形工艺研究 摘要 翻边成形是板料成形工艺中重要的成形方法,在汽车、航空、航天、 家用电器等行业有着广泛的应用。由于装配和制品形状等的需要,经常要 对板料进行翻边成形,并且在多数情况下翻边是在曲面上进行的。实际生 产中的曲面翻边类零件存在着起皱、破裂、回弹等缺陷,因此对曲面翻边 类零件的成形性能的研究对实际生产有着重要的指导作用。随着计算机技 术和数值模拟技术的不断发展,越来越多的研究人员选择使用计算机数值 模拟的方法来研究板料的成形工艺。数值模拟技术可以在实际生产之前发 现现行工艺、模具结构、坯料尺寸等因素中存在的问题,提前预测缺陷的 发生,并采用有效的手段予以改进,从而大大降低生产成本、缩短生产周 期。但是,对于曲面翻边工艺的模拟是一项很困难的工作,而且至今其成 形性能尚未有确切的研究针对这一现状,本文用板料成形分析软件 d y n a f o p j v l 对采用三种不同工艺成形的板料曲面翻边类零件的成形性能 进行了研究。 曲面翻边类零件中有相当数量的是总体外观相近,只是几个关键尺寸 或者型号有所区别,为了方便研究,本文将曲面翻边类零件抽象为统一的 模型,给出了定义曲面翻边类零件的几个关键尺寸,如直边长度l 、底面 圆弧曲率半径r 、翻边高度h 、底面宽度b 和零件圆角半径r 。总结了常 用的三种不同的板料曲面翻边类零件的成形工艺,分别为双向弯曲工艺、 先弯曲后翻边工艺和一次成形工艺。对其工艺过程和模具结构分别进行了 介绍。应用板料成形分析软件d y n a f o r m 分别对不同尺寸的曲面翻边类 零件采用这三种不同工艺的成形过程进行了数值模拟,并通过对模拟实验 结果的分析总结了直边长度l 、底面圆弧曲率半径r 和翻边高度h 这三个 主要的零件几何参数的变化对制件的中面位置上的切向应变的影响规律。 文中还通过对d y n a f o r m 软件后处理中切向应变图、成形极限图和 厚度图的分析总结了三种不同的成形工艺中容易出现的成形缺陷,探讨了 摘要 不同尺寸的曲面翻边类零件的成形性能与不同成形工艺之间的规律,推荐 了不同尺寸范围的曲面翻边类零件应该采用的不同成形工艺,从而为实际 生产中不同工艺的选择提供了参考。 关键词:板料成形;曲面翻边;弯曲;数值模拟;d y n a f o r m 山东大掌硕士掌位论文 r e s e a r c h o f i e c 卸q u e so fc u r v e d f l a n g i n g f l a n g i n gi sa ni m p o r t a n tf o r m i n gp r o c e s si ns h e e tm e t a ls t a m p i n gi n d u s t r y , a n di s e x t e n s i v e l ya p p l i e di n t h ef i e l do fa u t o m o t i v ei n d u s t r y , a v i a t i o n , a s t r o n a v i g a t i o n , h o u s e h o l de l e c t r i c a la p p l i a n c e s ,e t c s i n c e t h en e e do f a s s e m b l a g ea n dt h es h a p eo ft h ep r o d u c t , c u r v e df l a n g i n go fs h e e tm e t a li s r e q u i r e df r e q u e n t l y t h e r ea r em a n yd e f e c t so fc u r v e df l a n g i n gp a r t si nr e a l p r o d u c t , s u c h 鹪w r i l l k l e ,f i a e t u r e ,s p r i n gb a c k , e t c s o ,t h er e s e a r c ho ft h e f o r m a b i l i t yo fc u r v e df l a n g i n gp a r t sh a si m p o r t a n td i r e c t i v em e a n i n gt or e a l p r o d u c t t h a n k st ot h ec o n t i n u a ld e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e r a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , m o r ea n dm o r er e s e a r c h e r st a k ea d v a n t a g eo ft h e t e c h n o l o g yo fc o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt os t u d yt h ep r o c e s so fs h e e t m e t a lf o r m i n g n 地t e c h n o l o g yo f c o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a nf i n dt h e d e f e c t so fc l l 仃e n tt e c h n o l o g y , m o l ds t r u c t u r e ,t h ed i m e n s i o n so fb l a n k , e t c b e f o r er e a lp r o d u c t ,a n dc o r r e s p o n d i n ge f f e c t i v em e t h o dc a nb eu s e d i nt h i s w a y , t h ec o s to f p r o d u c t i o nc a l lb er e d u c e da n dt h ep r o d u c t i o nc y c l ew i l lb ec u t d o w n u n f o r t u n a t e l y , s i m u l a t i o no ff l a n g i n gi sar e l a t i v e l yd i f f i c u l tt a s k , a n d t h ef o r m a b i l i t yi sn o ts oc l e a rs of a r a i m e da tt h i ss i t u a t i o n ,i nt h i sp a p e r , t h e f o r m a b i l i t yo fs h e e tm e t a lc u r v e df l a n g i n gb yt h r e ed i f f e r e n tt e c h n i q u e si s a n a l y z e dm a k i n gu s eo fd y n a f o r m ,as h e e tm e t a lf o r m i n ga n a l y s i s s o f t w a r e t h e r ea r em a n yc u r v e df l a n g i n gp a r t sw h i c hh a v es i m i l a rw a t c ha n daf e w d i f f e r e n c e si no n l ys e v e r a lk e ys i z e so rt y p e s i no r d e rt os i m p l i f yt h er e s e a r c h , i nt h i sp a p e r , a nt h ec u r v e df l a n g i n gp a r t sa a b s t r a c t e dt oas i m p l em o d e l s o m ek e yd i m e n s i o n st h a th a v e b e e nu s e dt od e f i n eac u r v e df l a n g i n gp a r th a v e b e e ni n t r o d u c e d , s u c h 私t h el e n g t ho fs t r a i g h ts i d e slt h er a d i u so ft h e u n d e r s i d er ,t h eh e i g h to ft h ef l a n g ew a l lht h ew i d t ho ft h eu n d e r s i d eba n d t h er a d i u so fr o u n d e da n g l er t h ea u t h o rh a ss u m m a r i z e dt h et h r e ed i f f e r e n t f o r m i n gt e c h n i q u e so fs h e e tm e t a lc u r v e df l a n g i n gi nc o m m o nu t h e ya r e t w o - b e n dt e c h n o l o g y , f l a n g ea f t e rb e n dt e c h n o l o g ya n do n e - o f ff o r m i n g t e c h n o l o g y t h ea u t h o rh a sa l s oi n t r o d u c e dt h e i rf o r m i n gp r o c e s sa n dm o l d 1 1 1 弭要 c o n f i g u r a t i o n l a r g en u m b e r so f s i m u l a t i o n sh a v e b e e nd o n et oc u r v e df l a n g i n g p a r t s o fd i f f e r e n td i m e n s i o n sa n dd i f f e r e n t t e c h n i q u e sb y s o f t w a r e d y n a f o r m b yt h ea n a l y s i st ot h er e s u l to ft h es i m u l a t i o n $ t h ee f f e c t so f t h r e ek e yg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s 。t h el e n g t ho fs t r a i g h ts i d e sl t h er a d i u so f t h eu n d e r s i d era n dt h eh e i g h to f t h ef l a n g ew a l lh o nt h et a n g e n t i a ls w a i no f c u r v e df l a n g i n gp a r t sh a v eb e e ns u m m a r i z e d 1 r i 坞f l a w so ft h ec u r v e df l a n g i n gp a r t sm a d eb yt h et h r e ed i f f e r e n t t e c h n i q u e sa r cl i s t e db yt h ea n a l y s i so ft h et a n g e n t i a ls t r a i np i c t u r e s f l d p i c t u r e sa n dt h et h i c k n e s sp i c t u r e si nt h ep o s tt r e a t m e n to fd y n a f o r m a n d t h ea u t h o rh a sg o tt h er e g u l a rp a t t e r nb e t w e e nt h ef o n n a b i l i t yo fc u r v e d f l a n g i n gp a r t sw i t hd i f f e r e n td i m e n s i o n sa n dt h et h r e ed i f f e r e n tf l a n g i n g t e c h u l q u e s a c c o r d i n gt o t h er e g u l a rp a t t e r n , t h ea u t h o rh a sr e c o m m e n d e d d i f f e r e n tf l a n g i n gt e c h n i q u et op a r t sw i t hd i f f e r e n td i m e n s i o n s a n dt h er e s u l t o f t h er e s e a r c hw i l ld om u c hg o o dt ot h er e a lp r o d u c t k e y w o r d s , s h e e tf o r m i n g ;c u r v e df l a n g i n g ;b e n d ;n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ; d y n a f o r m i v 原创性声明 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 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名:坐叠! c 壶日期:冱丝垒臼膛瘟 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版,允许论文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名:建毒9 壶导师签名:錾翅佥日期:狃 垒垒虚位日 i l i a 东大掌硕士掌位论文 第一章绪论 1 1 引言 金属板料成形是现代工业中的一种重要的加工方法,被广泛地应用于 汽车、航空、航天、电器等诸多领域。近年来,我国的汽车、航空、航天、 电器行业有了突飞猛进的发展,汽车行业已被列为国家经济发展五大支柱 产业之一。而随着科学技术的日益进步和人们生活水平的不断提高,汽车、 家用电器等这些往日的生活用品已经成为集环保、效率、艺术等于一身的 综合型现代高科技产品,高品质的汽车或家电甚至成为人们社会地位和生 活品味的一种象征。对汽车、家电等产品的外观及性能方面越来越高的要 求也促使人们想方设法地为提高产品的质量、提高生产效率而不断探索研 究,从而也促使板料成形理论和成形技术的研究不断深化 在汽车、家电,航空航天产品的生产过程中,由于人们对产品质量的 要求越来越高,产品的形状也日趋复杂化,出于焊接和装配等的需要,很 多零件都要进行翻边成形。而曲面翻边在板料冲压工艺中是很重要的一种 成形工艺,它的成形性能将影响到整个制品的装配。但是在实际生产过程 中曲面翻边产品很容易出现破裂、起皱、回弹等缺陷。这大大影响了产品 制件的成形精度和美观性。传统的板料成形模具的设计依赖的是经验和直 觉,并且通过反复试验、调试来保证成形的质量。这不仅需要消耗大量的 人力和物力,而且周期长,效率低,不能适应社会发展的需型”。 随着有限元方法的出现和非线性理论的不断发展,特别是计算机软、 硬件技术的迅速发展,融计算机图形学、数值方法、塑性成形理论与工艺 等技术于一体的有限元模拟软件系统己成为模具研究及冲压成形参数优化 的强有力的工具。它的使用可以提前预测成形缺陷的发生、大大缩短新产 品开发周期、降低开发成本、提高产品质量、增强产品的竞争力。在美国 和欧洲,几乎1 0 0 的车身覆盖件都要经过冲压成形过程有限元模拟的检 验。 板料成形有限元数值模拟技术是一个涉及计算科学、材料科学和有限 第一,| 嗣 论 元技术等领域的综合技术。自上世纪7 0 年代以来,金属薄板冲压成形的计 算机模拟技术已经逐步从实验室走向了实际应用。有限元数值模拟技术开 始应用于板料成型过程的模拟并能成功的预测拉裂和起皱现象,这为解决 曲面翻边工艺中出现的各种问题提供了良好的平台。这一问题的解决无疑 将有效的降低生产制造成本,大大缩短生产设计周期,为实际工业生产带 来可观的效益。 1 2 计算机数值模拟在板料成形工艺中的发展与应用现状 1 2 1国外板料成形数值模拟的发展 在有限元方法应用于金属塑性成形分析之前,人们主要是用实验分析 的方法来了解金属的塑性成形性能,从而为设计提供依据。例如k e e l e r 提 出的成形极限图( f l d - f o r m i n gl i m i td i a g r a m ) 概念描述了板料在发生颈缩 前所能承受的最大局部塑性变形,并得到了广泛的应用【2 】。 有限元法在板料成形中的应用始于2 0 世纪7 0 年代,最初是从分析简 单的轴对称问题开始。1 9 7 3 年,l e e 提出刚塑性有限元法,并把这一方法 用于分析冲压成形问题,这是人们第一次用有限元方法来模拟冲压成形过 程1 3 l 。随后,i s e k i 等用弹塑性增量型有限元法模拟了液压胀形过程1 4 1 。1 9 7 6 年,w i f i 基于轴对称理论,用弹塑性增量型有限元法模拟了圆形坯料在半 球凸模下的胀形和深拉伸过程【5 1 。1 9 7 7 年,在美国通用汽车公司召开的一 次关于板料成形过程力学分析的研讨会上,k a b a y a s h i 用刚塑性有限元法模 拟了板料液压胀形和半球形凸模作用下的拉延过程 e l 。自此,板料冲压成 形数值模拟沿着这两篇文章开创的道路发展起来。1 9 7 8 年,w a n g 基于非 线性薄壳理论采用弹塑性全l a g r a n g e 方法对一般形状的冲压成形问题进行 了分析1 7 1 ,o n a t e 基于非牛顿流体的流动理论,用粘塑性有限元法分析了非 轴对称情形下的胀形和拉延过程【引。1 9 8 0 年,o h 首先比较了冲压成形过程 的刚塑性有限元解和弹塑性有限元解,然后用刚塑性有限元法对拉延过程 进行了分析【9 l o1 9 8 5 年,t o h 采用板壳单元的刚塑性有限元法分析了三维 方盒形件的拉延过程【m 】。1 9 8 6 年,y a n g 建立了平面塑性各向异性的刚塑 性有限元列式 i 。1 9 8 8 年,板料成形数值模拟在实用性方面取得了较大的 2 山东大掌硕士掌位论文 进步。n a k a m a c h i 用弹塑性有限元法对方盒形拉延件进行了分析,取得了 和试验一致的结梨1 2 1 。美国的t a n g 用弹塑性壳单元方法分析了车门板的 成形过程【1 3 】。1 9 8 9 年,在塑性成形数值模拟国际会议( n u m e r i c a ls i m u l a t i o n o f m e t a l f o r m i n g p r o c e s s ) n u m i f o r m 8 9 会议上,h o n c c k e r 给出了油盒成 形过程的数值模拟结果,并描述了成形过程中可能出现的起皱情况【1 4 】。此 后,板料成形过程的数值模拟在汽车工业领域的研究成为了热点。进入9 0 年代后,板料成形分析向c a d c a e c a m 一体化方向发展,开发了“虚 拟制造系统 ( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n gs y s m n ) ,同时有限元的显式积分算法也 逐步进入板料成形领域,并把理论研究逐步推向了实际。 随着板料成形有限元数值模拟研究的发展,大量的研究工作不断在有 关国际会议和刊物上发表。为了促进板料成形模拟技术的研究和发展应用, 除了传统的塑性成形数值模拟国际会议】m o r m 外,国际上还发起了 定期召开的国际板料成形数值模拟会议( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f 3 ds h e e tf o r m i n gp 1 o g ( :s s e $ ) ,简称n u m i s h e e t 。 当前,国际上已经形成了几个有影响的研究组织,分别是以s c t a n g 为代表的f o r d 公司的研究小组,以n a k a m a c h i 、m a k i n o u c h i 为代表的日本 板料成形研究组织,以r h w a g o n e r 和t a l t a n 为代表的o s u ( o h i os t a t e u n i v e r s i t y ) 研究小组,以d y y a n g 和j h k i m 为代表的韩国汉城大学研究 小组和以e o n a t e 等人为代表的国际工程数值方法中心c i m n e 。此外,就 冲压技术研究组织而言,还有国际拉深研究集团、北美拉深研究集团和英 国拉深研究集团等研究组织。 2 0 世纪9 0 年代中期以后,人们除了继续以往的研究之外,很大部分 的注意力转向了解决实际加工中的工艺和技术问题,如多步成形、回弹起 皱、压边控制、坯料形状、工艺设计及优化、复杂零件成形等。相继出现 了用于板料成形数值模拟的通用软件如a n s y s ,a b a q u a s , p r o m e c h a n i c 气m a r c ,a l g o r 和专用软件如d y n a f o r m , d y n a 3 d a u t o f o r m ,r o b u s t , p a m s t a m p 等。 1 2 2 国内塑性成形数值模拟的发展和研究现状 在国内,塑性成形数值模拟研究起步于2 0 世纪8 0 年代末。1 9 8 7 年曾 3 3 f 一,| 摹t p p 宪章对刚塑性有限元在金属塑性成形中的应用作了比较深入的研究。对杯一 杯复合挤压及杆杆复合挤压时的金属变形规律作了详细的探讨,并在计算 机上完成了一个以轴对称工件冷挤压工艺数值模拟为主的刚塑性有限元程 序【”】。同年,李尚健等人推广了i ( i r c h h o f f 提出的刚塑性变形时外力边界 与相对速度有关的广义变分原理,给出了刚塑性变分原理的新形式,对刚 塑性有限元中的约束进行了分析,对两种不同摩擦条件下的镦粗过程进行 了分析计算【1 6 1 。1 9 9 0 年,熊火轮采用a d i n a 程序模拟了宽板的拉延、 液压胀形以及汽车暖风罩的成形过程【”】。由于a d i n a 程序主要适用于非 线性结构计算分析,处理接魅边界的能力有限,不能直接用来模拟板料成 形过程,所以文中采用了一种“分步修正法”处理板料成形过程中的动态接 触问题。1 9 9 1 年,董湘怀采用薄膜三角形单元,建立了用于板料成形分析 的有限元模型,编制了盒形零件和机油收集器的成形过程分析的程序u s 。 胡平等建立了可合理反映塑性变形导致材料模量软化,并能描述由正交法 则向非正交法则光滑过渡的弹塑性有限变形的拟流动理论【1 9 1 。柳玉起等利 用胡平等提出的理论,将各种非经典本构模型引入弹塑性大变形有限元法 中,基于h i l l 的各向异性屈服理论,采用m i n d l i n 曲壳单元对方盒拉伸成 形过程突缘起皱现象进行了模拟1 2 0 1 。郭刚采用大变形弹塑性有限元法对直 壁类冲压零件的成形过程以及破裂现象进行了分析,建立了相应的有限元 数值模拟系统【2 。李光耀开展了板料成形过程的有限元显式程序的开发研 究,并基于主仆接触算法和h i l l 各向异性屈服准则对s 形轨与汽车挡泥 板等标准考题进行了模拟研究【2 羽。徐康聪利用有限元数值模拟技术对汽车 车身覆盖件的冲压成形过程进行了分析,对其中的几何形体描述、材料非 线性和接触算法等进行了系统的研究,并提出了并行设计概念以及并行设 计方法【2 3 1 。此外,阮雪榆采用库仑摩擦模型和常剪力模型模拟了圆形板料 在半球形冲头的拉胀成形和柱状冲头下的成形过程【卅。张凯峰采用刚粘塑 性本构关系,开发了粘塑性板壳成形有限元分析程序,并对方盒的超塑成 形进行了分析【2 5 1 。李顺平采用刚塑性本构关系,对方盒形件的拉深成形过 程进行了数值模拟【2 6 】。郭刚【2 7 】、徐伟力口8 1 采用退化的m i n d l i n 壳单元开发 了静力隐式弹塑性程序,对典型的冲压成形进行了数值模拟。李尧臣用有 山泵大掌硕士掌位论叉 限元法模拟了板料冲压成形过程,分析了金属板在冲压过程中的屈曲现象, 建立了增量形式的变分原理,跟踪了板料起皱的发展、折叠、衰减的全过 程1 2 9 l 。柳玉启将胡平的理论加以应用,模拟了圆板的胀形,圆筒件、盒形 件、锥形件的拉深等过程,并用空单元技术形象地模拟了破裂过程【州。王 晓林在有限元程序中将模具型面描述成参数曲面,探讨了相关的接触算法, 并对蒙皮的拉形过程进行了数值模拟p 。吉林工业大学的研究人员还对板 料多点成形技术进行了研究,并开发了相应的数值模拟软件 3 2 3 3 1 金朝海 基于b t 壳单元理论开发了板料成形弹塑性动力显式有限元数值模拟系统, 并对方盒形件及汽车发动机罩进行了模拟【划。方刚运用基于隐式拉格朗日 算法的d e f o r m - 2 d 软件对板料的冲裁过程进行了模拟,并分析了凸凹模 间隙对成形质量的影响【3 5 1 。雷正保结合上汽通用五菱汽车股份有限公司某 新产品的研制,开展了汽车覆盖件冲压成形c a e 技术及其工业应用的研 究,提出了有关c a e 应用中关于模具间隙、摩擦系数、单元公式、拉延筋 模拟方法、模具网格划分、坯料形状以及回弹分析参数确定的参考性建议 【3 6 】。王永志对板料成形有限元数值模拟技术及等效拉延筋处理技术进行了 深入研究,在动力显式弹塑性有限元方法基础上,开发了支持拉延筋的板 料成形集成仿真系统等p 7 】。 进入2 0 世纪9 0 年代后期以来,大批关于板料成形数值模拟研究的论 文在国内涌现,其中既有基于独立开发有限元软件的基础性研究成果,也 有利用现有商业专业软件的应用实例,并且板料成形数值模拟技术也开始 由高校和实验室走向企业。 国内外大量的研究成果表明,近期内板料成形过程的有限元模拟技术 的研究热点主要集中于板壳理论和单元模型、本构方程、回弹模拟几个方 面。 1 3 曲面翻边工艺 1 3 1曲面翻边类零件及其尺寸定义参数 曲面翻边是指在曲面坯料或坯料的曲面部分进行的翻边,包括伸长类 曲面翻边和压缩类曲面翻边【3 8 】。 5 第一幸爿 论 伸长类曲面翻边系指在坯料或零件的曲面部分,沿其边缘向曲面的曲 率中心相反的方向翻起与曲面垂直竖边的成形方法。 翻边过程中,成形坯料的圆弧部分与直边部分的相互作用,是引起圆 弧部分产生切向伸长变形,使直边部分产生剪切变形和使坯料底面产生切 向压缩变形的最主要原因。因此,凡是对圆弧部分与直边部分之间相互作 用有影响的因素,也必将会影响坯料的上述三个部分产生的三种形式的变 形。当然,也一定会影响冲压件的质量及其成形极限。 典型的伸长类曲面翻边零件如图1 1 所示。 o ,_ 1 。、 入 | 。 f i 丌 l l l厂 蠢 图1 1 伸长类曲面翻边典型零件 定义典型伸长类曲面翻边零件的尺寸参数包括直边长度l ,零件的底 面圆弧曲率半径r ,翻边高度h ,底面宽度b ,零件圆角半径r 。为方便描 述,将整个零件分为底面圆弧、底面直边、翻边圆弧和翻边直边四部分 在伸长类曲面翻边成形中易产生边缘开裂、侧边起皱、底面起皱等缺 陷。由于翻边边缘处的切向应变最大,所以在本文的研究中均取翻边部分 中面上的切向应变值来分析。 6 山泰大掌硕士掌位论文 压缩类曲面翻边是指在坯料或零件的曲面部分,沿其边缘向曲面的曲 率中心方向翻起竖边的成形方法。 翻边坯料变形区内绝对值最大的主应力是沿切向( 翻边线方向) 的压 应力,在该方向产生压缩变形,并主要发生在圆弧部分,容易在这里发生 失稳起皱,这是限制压缩类曲面翻边成形极限的主要原因。因而,减小圆 弧部分的压应力,防止侧边的失稳起皱发生,是提高压缩类曲面翻边成形 极限的关键。与圆弧部分相毗邻的直边部分,由于与圆弧部分的相互作用, 发生了明显的剪切变形,而这一剪切变形又使圆弧部分的切向压缩变形发 生了变化。因此,直边部分的存在与否及大小将直接影响压缩类曲面翻边 的成形极限。 典型的压缩类曲面翻边零件如图l - 2 所示。 图1 2 压缩类曲面翻边典型零件 定义典型压缩类曲面翻边零件的尺寸参数包括直边长度l ,零件的底 面圆弧曲率半径r ,翻边高度h ,底面宽度b ,零件圆角半径r 。 7 第一霉 绪论 1 3 2 国内外有关曲面翻边工艺的研究现状 近年来国内外学者对板金零件拉延过程的成形性进行了大量的研究, 但对翻边过程成形的研究工作却比较少。w a n gn m 和w a n gc t 采用完 全解析的方法分别研究了内曲翻边和外曲翻边的变形分析计算模型【3 8 朔。 胡平等基于离散化思想推导了翻边成形坯料尺寸计算模型,利用自主开发 的k m a s 软件分析了厚板压弯翻边成形及回弹过程【柏】。l e ud k 采用有限 元方法分析了翻孔成形过程【4 1 1 。w o r s w i c k m j 等利用l s d y n a 对伸长 翻边进行了模拟并对其成形性进行了分析f 4 2 】。以上研究均是针对平面零件 翻边成形的研究,而曲面零件的翻边( 即翻边前板金零件是曲面形状) 研究 甚少。a s n a f i 通过流动成形( f l u i df o r m i n g ) 研究了铝板的垂直伸长类弯曲 翻边和压缩类弯曲翻边成形工艺,得出压缩类翻边中流动成形的起皱极限 比传统的刚性成形的起皱极限大几倍的结论。他还研究了伸长类弯曲翻边 中的断裂极限和材料性能之闻的联系。w a n g 等推导了轴对称情况下曲面 翻边的解析模,并采用简化的二维有限元模型等效计算了v 型零件的翻边 成形【4 3 】。李大永、罗应兵采用有限元模拟、解析计算、b p 神经网络模型 等方法对v 形零件翻边成形进行了分析,研究了工艺参数对成形性能的影 响规律,为曲面零件翻边成形质量控制提供了技术依据 4 4 1 。x uf e n g _ 【4 5 1 等 使用a u t o f o r m 软件研究了伸长类曲面翻边参数对成形性能的影响闱。 1 4 本课题的选题意义及研究内容 虽然目前板料成形的数值模拟软件已经商业化,但板料成形的模拟技 术还不够完善,数值模拟技术在许多具体工艺中的应用并不成熟,尤其针 对曲面翻边类的零件,研究更是很少。 实际生产中要成形曲面翻边类零件可以采用二次弯曲、先弯曲后翻边 和一次成形这三种不同的工艺。影响曲面翻边类零件成形的主要参数包括 翻边高度、零件的底面曲率半径和直边长度。目前的研究针对零件几何尺 寸对成形性能的影响比较多。但是这种研究并未考虑不同成形工艺的影响。 实际上即使同一尺寸的零件,如果采用不同的成形工艺,其最终的成形效 果和应变情况都是不同的。 针对现存的问题,本文以伸长类曲面翻边零件为研究对象,借助板料 8 山东大掌硕士掌位论文 成形分析软件d y n a f o r m 对不同尺寸参数的零件在不同成形工艺下的成 形情况进行了系统的分析,总结出每一种工艺中翻边高度、零件的底面曲 率半径和直边长度这三个主要参数对成形性能的影响。并将三种工艺进行 比较,总结出各自的成形缺陷,并给出了不同尺寸范围的曲面翻边类零件 与应该采用的不同成形工艺之间的对应关系。 本文的具体内容如下: 第一章介绍板料成形数值模拟及其国内外的发展和研究现状,介绍了 曲面翻边成形工艺及其尺寸参数,提出了在曲面翻边成形研究领域内现存 的问题。 第二章介绍常用的曲面翻边类零件的三种成形工艺,简要介绍了其工 艺过程及模具结构。并对板料成形分析软件d y n a f o r m 进行了简单介绍 第三章用d y n a f o l u 讧软件对二次弯曲成形工艺进行了模拟试验,通 过对模拟结果的分析总结了使用二次弯曲工艺成形的曲面翻边类零件几何 参数的变化对其成形性能的影响。 第四章用d q a f o r m 软件对先弯曲后翻边成形工艺进行了模拟试 验,通过对模拟结果的分析总结了使用先弯曲后翻边工艺成形的曲面翻边 类零件几何参数的变化对其成形性能的影响。 第五章用d y n a f o r m 软件对一次成形工艺进行了模拟试验,通过对 模拟结果的分析总结了使用一次成形工艺成形的曲面翻边类零件几何参数 的变化对其成形性能的影响。 第六章总结了不同的成形工艺容易出现的成形缺陷,并通过对模拟结 果中切向应变图、成形极限图和厚度图的分析总结出不同尺寸范围的曲面 翻边类零件与其应该采用的不同成形工艺之间的对应关系。 第七章对全文进行了总结和展望。 9 第= 章曲面翻边类零件的三种成形工。艺及d y n a f o r m 软件简介 第二章曲面翻边类零件的三种成形工艺及 i ) y n a f o r m 软件简介 2 1 二次弯曲工艺 二次弯曲工艺是指先将平板经过第一次弯曲,形成u 形,即首先成形 曲面翻边类零件的翻边部分。然后将u 形件进行第二次弯曲,完成零件的 底面部分,最终成形为曲面翻边类零件,如图2 1 所示。为方便描述,将 这种工艺简称为二次弯曲工艺,第一次弯曲所成形的u 形件的翻边部分经 过第二次弯曲后成为最终成形的曲面翻边类零件的翻边部分,其高度称为 最终成形的曲面翻边类零件的翻边高度。第二次弯曲所成形的零件底面部 分圆角半径称为最终成形的曲面翻边类零件的底面圆角半径。 1 0 图2 1 二次弯曲工艺成形步骤 山舂大掌硕士掌位论文 第一次弯曲的模具结构如图2 - 2 所示。 1 - - 凸模2 一坯料3 一凹模4 一压边圈 图2 - 2 第一次弯曲模具结构示意图 第二次弯曲的模具结构如图2 - 3 所示。 1 一凸模2 一坯料3 一凹模 图2 - 3 第二次弯曲模具结构示意图 2 2 先弯曲后翻边工艺 先弯曲后翻边工艺是指先将平板经过一次弯曲,形成v 形,即首先成 形曲面翻边类零件的底面部分。然后将v 形件进行翻边,即沿v 形件的边 l l 第二 曲面翻边樊零件的三种成形工艺及d y n a f ( ) r m 软件简介 缘向曲面的曲率中心相反的方向翻起与曲面垂直的竖边,完成零件的翻边 部分,最终成形为曲面翻边类零件,如图2 - 4 所示。 图2 4 先弯曲后翻边工艺成形步骤 第一次弯曲的模具结构如图2 5 所示。 l 一凸模2 一坯料3 一凹模 图2 - 5 弯曲模具结构示意图 t u 东大学q t 士掌位论文 翻边工序的模具结构如图2 - 6 所示。 1 - - 凸模2 一坯料3 一压料板4 一凹模5 一顶料杆 图2 - 6 翻边工序的模具结构示意图 2 3 一次成形工艺 一次成形是将平面板料经过一道工序,同时成形零件的底面和翻边部 分,如图2 7 所示。 a ) 坯料b ) 曲面翻边类零件 图2 - 7 一次成形工艺成形步骤 一次成形的模具结构如图2 - 8 所示。 第= 章曲面翻边樊零件的三种成形工艺及d y n a f o r m 软件简介 k 断藏 u了 1 一凸模2 - - 坯料3 一压料板4 一凹模5 一顶料杆 图2 - 8 一次成形工艺的模具结构示意图 2 4 板料成形数值模拟软件d y n a f o r m 简介 e t 加q a f o i u 讧软件是由e t a 公司研制的基于l s - d 蛆的板金冲 压分析软件包,它把l s d 叮a 、l s - n i k e 3 d 强大的分析能力与们m b 的流程化前后处理功能结合起来。e t 加y n a f o 蹦分析的求解器是 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 功地应用于板金冲压的数值模拟。 d q a f o r m 的主要功能包括分析拉伸、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m 。 本文中所作模拟试验原始坯料均采用矩形方板,材料选为0 8 钢,材料 性能参数为:板厚仁1 0m m ,屈服应力仃。f f i 2 2 01 v i p a ,强度系数k = 2 9 5 m p a ,应变硬化指n - 0 2 3 ,材料在0 0 、4 5 0 、9 0 0 三个方向上的厚向异性 系数r 分别为1 8 8 、1 6 8 、2 6 0 。为了更好的观察模拟试验的结果。将成形 极限图( f l d ) 控制窗口( f l dc u r v ea n do p t i o n ) 各参数设置为如图2 - 9 中的各数值( 本文其它模拟试验若不作特殊说明,均采用该设置) 。即当板 1 4 山东大掌硕士掌位论文 料变薄量超过3 0 ( a l l o w t h i n n i n g ,板料允许的最大变薄量) 时,板料会 破裂失稳;当板料在厚度方向上的减薄量小于2 ( e s s e n t i a lt h i n n i n g ,板 料必须变薄量) 时,认为板料成形不足;当板料厚度增加量超过 1 ( a l l o w a b l et h i c k e n i n g ,板料允许最大增厚量) 时,则板料进入起皱区域 邯l 。 图2 - 9 f l d 控制窗口 2 5 本章小结 本章归纳了实际生产中成形曲面翻边类零件常用的三种工艺:二次弯 曲工艺、先弯曲后翻边工艺和一次成形工艺;介绍了这三种工艺的概念、 成形步骤以及模具结构,并对本文中出现的一些特殊名词做出了相应的解 释。 另外,还对板料成形数值模拟软件d y n a f o r m 及其在本文涉及的模 拟试验中的功能作了简要的介绍。 第三章曲面翻边奥零件的二次弯曲成形过程模拟 第三章曲面翻边类零件的二次弯曲成形过程模拟 如前所述,伸长类曲面翻边零件的主要缺陷是翻边边缘顶端开裂、底 面圆弧部分及翻边边缘部分起皱等,这是由于切向应变引起的。所以本章 及其后两章主要讨论零件几何参数的变化对切向应变的影响。 3 1 二次弯曲工艺模拟试验 3 1 1 第一次弯曲模拟试验 二次弯曲的第一次弯曲是将平板弯曲成u 形件,从而成形最终的曲面 翻边类零件的翻边部分。在d y n a f o r m 中,模拟试验的主要步骤如下: ( 1 ) 用三维造型软件u n i g r a p h i c s 对凸模、凹模、压料板和坯料进行建 模,并将其转换为i g e s 格式的曲面图形文件,导入d y n a f o r m 中。 ( 2 ) 对d y n a f o r m 中的凸模、凹模、压料板和坯料文件进行网格划 分,并检查网格单元。 ( 3 ) 使用d y n a f o r m 的工具定义功能定义凸模、凹模、压料板和坯 料,并对坯料进行参数设置;使用d y n a f o r m 的工具自动定位功能定位 凸模、凹模及坯料的位置,调整之后最终的模具结构如图3 1 所示。 1 6 图3 1 第一次弯曲模拟试验的模具结构 t i l t 东大掌硕士掌位论文 其中坯料参数的设定如图3 - 2 所示。 图3 - 2 坯料参数 ( 4 ) 定义工具运动曲线( 如图3 3 ) 。如果按照压力机正常的运行速度 设置运动曲线的话,那么模拟时间将大大增长。出于对减少模拟时间的考 虑,在不影响模拟结果的基础上将凸模的运动速度设定为5 0 0 0 m m s 。运行 工具运动动画以确保运动的正确设置。 图3 - 3 凸模的运动曲线 1 7 第三 曲面翻边奥零件的二次奢曲成形过程模拟 ( 5 ) 导出+ d y n 和+ m o d 文件,利用l s - d y n a 执行弯曲过程模拟。 将模拟结果文件d 3 p l o t 读入后处理模块,生成工件成形后的f l d 图( 图 3 - 4 ) 和厚度变化图( 图3 5 ) 。 图3 4 第一次弯曲后零件的f l d 图图3 - 5 第一次弯曲后零件的厚度变化图 由f l d 图可以看出,在这一步成形中坯料的变形程度很小,仅在弯曲 圆角部分产生轻微的起皱现象。 3 1 2 第二次弯曲模拟试验 第二次弯曲是在第一次弯曲成形的基础上将第一次弯曲形成的u 形件 进行再次弯曲以成形最终的曲面翻边类零件的底面部分。在d y n a f o r m 中,模拟试验的主要步骤如下: 0 4 的时候该部分将出现破裂的情况。如图6 - 8 所示。 图6 - 8i r = 0 、i i r = 0 6 7 时零件的f i d 图 6 2 3 一次工艺成形缺陷分析 一次成形工艺实际上是把先弯曲后翻边工艺的两个成形步骤合成为一 个步骤,因此,其成形特点与先弯曲后翻边工艺类似。其主要成形缺陷也 是翻边边缘的破裂和翻边侧壁的起皱。 6 3 不同尺寸零件使用不同工艺成形时的成形性能分析 6 3 1 无直边长度的零件的成形性能分析 所

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