（材料加工工程专业论文）基于特征和参数化技术的ddcad系统的研究.pdf

重庆人学硕十学位论文 摘要 a b s t r a c t a f e a t u r e a n d p a r a m e t r i c t e c h n o l o g y - b a s e d d r a w i n g d i e c a d s y s t e m ( i e . d d c a d ) h a s b e e n d e v e l o p e d i n t h i s s t u d y , a n d , i n d e t a i l , t h e r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t w o r k o f d d c a d a r e i n t r o d u c e d . a c c o r d i n g t o t h e l a t e s t d e v e l o p i n g t r e n d o f c a d , t h e m a i n s t r u c t u r e o f d d c a d a n d t h e k e y t e c h n o l o g y o f d e v e l o p i n g d i e c a d s y s t e m u s i n g a u t o c a d a r e i n t r o d u c e d . f e a t u r e t e c h n o l o g y( 叫i s i n c o r p o r a t e d i n t o d e e p d r a w i n g p r o c e s s p l a n i n t h i s p a p e r , t h e r e l a t i o n b e t w e e n g e o m e t r i c f e a t u r e a n d f o r m f e a t u r e i n d e e p d r a w i n g c o m p o n e n t s i s a n a l y z e d , a p p r o a c h t o d e t e r m i n e p r o c e s s p a r a m e t e r s b y e x p l o i t i n g盯 i s d i s c u s s e d h e r e , a n d i t s h o w s t h a t a p p l i c a t i o n o f f t h a s p r o m i s i n g f u t u r e i n d e e p d r a w i n g f i l e d ; t h e e f f e c t o f p r o c e s s c o n d i t i o n s o n t h e f o r m i n g l i m i t o f a x i s y m n e t r i c p a r t s h a s b e e n f u l l y t a k e n i n t o a c c o u n t t o c a l c u l a t e t h e f o r m i n g l i m i t s t r e s s w i t h c o m p u t e r s i m u l a t e d d r a w i n g p r o c e s s ; c o m p u t e r a i d e d d r a w i n g p r o c e s s o f a x i s y m n e t r i c a n d b o x - t y p e p a r t s h a s b e e n r e a l i z e d ; a n d a l s o , t h e u s e o f s l i p l i n e i n d e f i n i n g b l a n k d i m e n s i o n o f b o x e s i s d i s c u s s e d o n a u t o c a d i n d e t a i l . d e v e l o p e d e v e r y p a r t o f t h e s y s t e m , o p e n e d s y s t e m s t r u c t u r e a n d f r i e n d l y e f f i c i e n t u s e r i n t e r f a c e , a l l t h e s e h a v e d e v e l o p e d a n e w w a y f o r m i c r o c o m p u t e r - b a s e d c a d s y s t e m . k e y w o r d s : d r a w i n g c a d d i e c a d f e a t u r e t e c h n o l o g y i i 重庆人学硕十 学位论文 概述 1 概述 1 . 1课题的背景 计算机辅 助设 计 ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n -c a d ) ， 是 指工程技术人 员以计算机为工具， 运用各自 的专业知识进行一项设计的建立、 修改、 分 析或优化的过程。 一般认为c a d的功能可归 纳为四 大类: 建立几何模型、 工程分析、 运动模拟、自 动绘图。因而， 一个完整的c a d系统， 应由 科 学计算、 图 形系统和工 程数 据库 等组成。 科学计 算包 括 有限 元分 析、 可靠 性分 析、 动态分析、 产品的常规设计和优化设计等; 图形系统包括几何( 特 征) 造型、 自 动绘图 ( 二维工程图、 三维实体图) 、动态仿真等; 工程数 据库对设计过程中需要使用和产生的数据、 图形、 文档等进行存储和管理。 c a d技术是信息产业中 不可缺少的 部分。 c a d技术作为一门学科，从6 0 年代开始至今，已经经过了3 0 多年 的发展。进入八十年代以 后，由于超大规模集成电路的发展，使 3 2位微 机和大容量存贮芯片投入实际应用， 再加上功能强大的外围设备，如绘 图仪、大型图形显示器、 激光打印机的问世，极大地推动了c a d技术的 发展。 与此同时，为了 适应设计的要求， 相应的软件技术如数据库技术、 有限元分析、 优化设计等技术也迅速提高，出现了 许多商品化的c a d软 件， 如i - d e a s . p r o - e n g i n e e r . c a d a m等. 这些商 品化软 件的 投入使 用，进一步的推动了c a i ) 技术的发展和普及，使其从大中型企业向小企 业发展， 从用于产品 设计向 工程设计发展。 现在c a d技术己 经日 益成熟， 被广泛地应用于机械、电子、 建筑、 航天、航空等领域，使工程设计的内 容和方式发生了根本的变化，产生 了巨 大的效益。 所以c a d技术的开发与 应用已 成为衡量一个国家工业水 平的重要标志之一，也己 成为一个企业技术水平、 管理水平的重要标志 之一。我国原国家科委等部门早就颁发了 1 9 9 5 -2 0 0 1 ) 年全国c a d应用 工程发展纲要 ，全国各省市把 c a d 应用工作作为落实科教兴国战略和 实现两个根本转变的重要工作来做，国 家也将c a d应用工程作为技术创 新工作的一项重要内 容来抓。 据统计， 我国机械行业实施“ c a d应用1 2 1 5 工程”及“ c a d应用 1 5 5 0工 程” 后，己 取得了明 显的社会效益和经济 垂庆人学硕 学位论文 概述 止已公二乙二二几二二 一 二 二 止 二 二一 一 一 一 一 一 一 效益。c a d技术普及应用的好坏，直接关系到相关产业信息化的进程， c a i 技术的应用，是实现企业信息化的核心。 在国内 外， c a d技术在各行各业中的应用己 越来越普遍，其根本原 因是c a d技术的 应用能够使企业迅速向 市场推出 低成本、 高质量的产品， 从而赢得可观的经济效益。另一个重要原因是科学技术发展的大势所趋， 在国际间的工程招标中，投标所提供的技术图纸一般都要求由计算机绘 制， 这一要求一方面反映了c a d技术在世界各国的 应用是相当 广泛的， 另一方面也促进了c a d技术应用的进一步推广。 在国内， 对各厂矿、科 研设计院所的达标定级也制定了 相应的应用 c a d技术的要求。经过近几 年的 努力， 机械行 业骨干企 业c a d普及率己 超过4 0 % . 尽管我国在 c a d技术的研究、开发和应用上取得了 很大的成绩，但 与发达国家相比，在应用或开发的广度和深度上， 还存在很大的差距。三 十几年来，国外工业发达国家的 c a d技术发展很快， c a d已经发展成 为 一个 从研究开 发、 生 产制 造到 推 广应用和咨 询 服务 完整的 高技术 产业. 从c a d技术的水平看，目 前二维工程绘图 技术已 经成熟， 三维几何造型 技术也日益完善。随着计算机辅助技术和工程数据库管理技术的发展， c a d技术己 处于op ( c a d , c a m, c a e 另一方面， 一些人工无法完成的工作，由于有了计算机这种高效能的工具和相应的新 技术而成为可能。人们有充分的理由相信， 计算机辅助技术将为板料塑性 成形领域各种课题的进一步深入研究开辟更加广阔的前景。 如果把国内外 “ c a”技术在相关专业的 c a d 作一比较，就会发现 重庆人学硕1 学位论文 概述 一 个很明显的基本事实， 在金属加工领域内， 板料成形方面 “ c a” 技术 的发展比切削加工方面无论是在深度还是广度上存在着显而易见的差距。 这种明显的差距产生的重要原因之一，就是板料塑性成形问题在客观上比 较复杂，加之技术发展历史等原因，在发展程度上形成了明显的差距。尽 管困难客观存在， 但发展前 景仍然是乐观的。 其主要原因 有以 下三个方面: 其一， 理论上是可行的。 已经完成的许多研究工作业已证明了这种可行性。 其二， c a ” 技术的总体水平正 在迅速提高。 计算机硬件性能 ( 速度、容 量、 精度等)的迅速提高， 系统软件和相关的应用软件的水平也在迅速提 高。这将为 “ c a ”技术在板料成形领域的发展提供良 好的基础和直接或 间接的促 进。 最后， 技术进步的需要在 增长。 随着世界市场竞争的加剧， 各国和各行业都在发展 “ c a ”技术，提高自 身的水平和效益，板料成形 领域不可能置身世外，这种需要将是一种强大的动力. 由于板料成形是一个存在着多种难以定量把握的影响因素的多变量 系统，因 此，如何利用 “ c a ” 技术，努力提高板料成形方面的理论研究 和工业生产的实际水平，是迫切需要研究的课题，也是科学技术进步的必 然趋势。 1 .3国内外现状综述 传统的多次拉深工艺设计是由专业人员凭借其经验知识来完成的， 近几年， 根据现场专家的经验知识开发出了几种用于轴对称多次拉深设计 的计算机辅助工艺设计系统。 e s h e l 等人开发出了多次拉深轴对称件和单 独零件的 成形工艺外形自 动生 成 ( a g f p o ) 系统 ， 在该系统中 轴对称 多次拉深件的工艺规程采用 g 微机的内 存容量及硬盘容量也 - 22 ，简化后得 d r (ta r卜 手 (。 / 一 a s ) 一 2 p a , = 0 ( 2 3) 在理论分析中，为考虑压边力对成形的极限成形参数的影响，一般 采用的处理方法为: 1 )认为压边力只作用于凸缘边缘1 1 2 / , 1 1 3 1 , ( 14 ) 1 fk k 5 0 - i: 丝 .itt 主 一 一一一一一一一 三 生r* r 丝11r 2 )认为 压边力均匀地作用于整个凸 缘材料上 14 1 ; 3 )认为 压边力作用于 靠近凸缘边缘的 狭窄区域内 1 1 51 . 在三种处理方法中，以第三种方法与实验结果最为相符，第一种方 法次之。 但第三种方法应用起来较为复杂，所以 采用第一种方法简化计 算，所得结果是足够准确的，而不应采用第二种方法。 物 理 条 件 指出 ， 。 ， 为 正 值，。 ， 和a e 负 值。 由 于 材 料 在 边 缘 变 得 最 厚，可以 假设压边力 集中 在边缘上， 其它部分a , = 0 。又如果只考虑变形 所产生的 应力， 不考虑摩擦力 d，_ 。 、 吸 a ) = d r ，则公式变为: 二 ( 。 。 一 。 ; ) ( 2 4) 式中。 ， 不 考虑 摩 擦的 径向 应力。 ( 2 ) 塑性条件 。 ， 一 ( 一 。 。 卜l s ( 2 . 5 ) 由 于 拉 深凸 缘内 各圈 应力 状态 不同， 因 此/ f 值也就不同 “ _ 2t 3 71 . ( 2 石) 土式中。 。 为 考 虑中 间 应力。 2 的罗 代 ( l o d e ) 参数 u=2 a 2 一口 : 一 口 3 ( 2 7) a,一a3 当。 2 在。 。 至。 、 之间 变化时， - 1 5u a 51 。 故q 值的 变 化范围 为 ( 1 - 1 . 1 5 5 ) 。 由 于 压 边 装 置 产 生 的 压 边 力。 : 远 小 于 平 面内 的 应 力。 . 和。 ， ( 指 绝对值) ，故不论有无压边力，在进行力学分析时，均取一个平均值 q 月. 1 ， 因 为 二 j 一fi fu = 只20 3 + u2 = = 和式 ( 2 . 5 ) ，得 ( 2 . 8 ) 山式 ( 2 . 4 ) 重庆大学硕七 学位论文 z 拉深工艺分析 d a . _ - 1 . 1s 竺 ( 2 .9 ) 将式 ( 2 .9 ) 积分，得 口 r 一js 孚 ( 2 . 1 0 ) 在式 ( 2 . 1 0 )中， s是材料的真实屈服应力，可由 变形程度按其真实 应力一应变曲线求解。但由于凸缘上不同半径处的变形程度各异，故 s 不为常数而是; 的函数。为了问题的简化， 采取平均硬化值的方法，假设 整 个 凸 缘 区 的 真 实 应 力 为 某 一 平 均 应 力 值s ， 则s 与 凸 缘 的 平 均 硬 化 程 度 相对应。于是 。 ， = 一 !.1万 d r.is j 积分上式，得 ( 2 . 1 1 ) a , = 一 1 . 1 si n r+ c ( 2 . 1 2 ) ( 3 ) 边界条件 r = r ， 时，a , = 0 . 得 c=l i s i n r , ( 2 . 1 3 ) 所以 a , = 1 . 1s in 鱼 r ( 2 . 1 4 ) 当 凸 缘 外 径 变 到r ， 时， 上 式中 最 大 径向 应 力 发 生 在r = r o ( 即 圆 筒 半径)处，即 口 r m . x=i . i s ln 鱼 r ( 2 . 1 5 ) 注 意 ， ( 2 . 1 5 ) 式 中 r 和s 均 为 变 数 ， 随 着 变 形 的 进 行 ，尺由d沪 逐渐变小，而由于硬化现象s则有所增大。所以在整个变形过程中，最 大径向 应力。 漂 发生 在当( 2 . 1 5 ) 式取 得极 值时的r = r o 处。 经计算可知， i : 庆人学硕十学位论文 2 拉深 ! _ 艺分析 一 般情况下 径向 应力的 最大 值， ;糕 发生 在开 始变形 不久， 凸 缘外径r , 略 小于d / 2 i寸 。 2 . 1 .2拉深时的平均屈服应力s 的讨论 根据文献/ 16 / s - a i l i ( 2 . 1 6 ) 式中a 材料硬化系数 r r - - 材料硬化指数 瓦 代表 整 个凸 缘 变形区不同 部位的 切向 应变的 平均 值 关 于 式中 瓦的 计 算， 有 几 种不 同 的方法。 先进行凸缘变形区的应变分析， 假定板坯半径r o ( r o = d , 1 2 ) 变到r , 时，平板坯上半径为r的点移至凸缘 a .- 卜 径为r的地方，见图2 .2 0 忽略板厚变化，根据体积不变原 理 r i r ( 心一 r 2 ) 二 i g ( r 2 一 r 2 ) 图2 .2 则 凸缘上r r = j r o 一 r ; + r 2 ( 2 . 1 7 ) 处的切向应变为: ， 2 解 石9= 1 i 1 - 2 兀r= i n 漏旨 ( 2 . 1 8 ) 方 法一， 也 是 最常 采 用的 方 法， 即 假设瓦为凸 缘 上 外 周 边与内 周 边 切向应变的算术平均值。 重庆人学硕十学位论文 2 拉深 1 艺分析 瓦 = 合 (; ， ; + ra ) ( 2 . 1 9 ) 勃f 凸 缘 变形区 外周边的切向 应变 m 凸 缘 变形 区内 周 边的 切 向 应 变 在外 边缘处r = r , ， 在内 边缘处r = r( ; 为 筒形 件半 径) ， 由( 2 . 1 7 ) . ( 2 . 1 8 )两式，两处的切向 应变分别为 蝙 = in r + r 2 - r lnar0 s a q f = 因 此瓦二 合n ， 袄r ,rn r, . . 1 r二 + r 一r广 ( 2 20 ) r 20一 r ? 式中r 。 一 一毛 坯半径 方法二，文献训在进行分析计算时，认为上述这种假设与实际差异 较大。而令 t = 号 、 ， 全 、 ( 2 21 ) 因 此 s a = 音 in r , r r o2 v r o2 ， : ， 一 * 1 ( 2 . 2 2 ) 上述两种假设的计算方法，都缺乏一定的依据。为此，本文引入了 积分均值的概念，较好地解决了这一问题.具体方法为:先求出凸缘变 形区内 任一点处的切向 应变， 再 进行积分然后求出 均值， 经这样处理， 综合了凸 缘变形区内 各点的变形程度，用该值能比 较准确地反映整个凸 缘变形区的变形程度。 推导如下: 凸 缘上r , 处的切向 应变为 吞二， n rin - ro ( 2 . 2 3 ) 式 中r . = 犷 心一 对十 扩 把r , 当 作 积分 变量， 计 算整 个凸 缘 变形区切向 应变的 积分 均值 1 5 4庆大学硕 i 学位论文 2 拉深 1 艺 分析 先求不定积分 r , j r 0 一 ， r + 。 ， 们 厂口引月卜 设u 2 = r a 一 r ,2 原式= in而 r, 万 dr,l ro -r,2 +r2 = r , i n ; 二 二 二 = ， “ 2 + ( 分部积分法) 二 r , i n 一兰生一 一 。 2 = 气i n一 。、 ， . 生 a rc tg 丘 + c ( 换元积分法) u u ( 2 . 2 4 ) 取积分限为凸缘变形区的内外径，由厂 到 凡，再除以区间长度 ( r , 一 ; ) ， 就 得 到 整 个凸 缘变 形 区 切向 应变 的 积 分 均 值， 即瓦。 rr ，.服.了 c + r , i n 一 产 晶 = r ,; r , 一 r , + , ., 2 r 了 一 r ，2 r ， 一r a r c ig 万不面二 _凡 in 0一rro +r2 -r 咧arctg rr2 r2o - r 一r,ro 2 -rr2 凡 一 r ( 2 . 2 5 ) 上述结果比较复杂， 试作如下简化 将凸缘变形区的工程应变进行积分取均值，再求出对应的真实应变。 凸 缘区r , 处的 切向 工程应变为 2 m r, 一2 n r o 6 e=一一刃丁-一 孟 刀u =一一t( 2 . 2 6 ) r 02 一 r 2 十 r 2 ip : 庆人学硕十学位论文 z 拉深 i 艺分析 积分取均值 - ra - r; + r,2上 r ， 一r r 。 一 r , + r 一 了 r u + r ， 一 r ,x ( 2 .2 7 ) r ， 一r 打 ! 应的真实应变为 晶 = i n ( i + e e ) =i n r a - j r o + r 兰r ;( 2 . 2 8 ) r , - r f$ r* t- +g 中 ， 李 二 附 - t # ls ,r. t ， 令 李 一 ， ， 一 耘潞 大 。式 。 某瞬间外径的相对收缩率，则 方法一推出的公式 晶二 工 i n p, i m ( 2 .2 9 ) 2扩 i + m ， 一 p x 方法二 推出的公式 晶二 三 i n p r m ( 2 .3 0 ) 3护 1 十 m ， 一 p 了 新方法推出来的公式 p . i n p 二 一 m i n+ 1 - p x i a r c tg 晶 了 1 + m 一 p ; _、 ，) 不 万 一 u r c rg 1 - p 2 j pr一m ( 2 . 3 1 ) 简化后公式 古 ， = i n i 一 j 1 一 p , + m 2 pr一功 ( 2 . 3 2 ) 采用以 上 几个不同的 公式， 计算出瓦值， 可比 较它们的 差异， 结果 夔庆人学硕 卜 学位论文 2 拉深_ ! : 艺分析 列表如 下 取 m 二0 . 5 p= 0. 9 6 70 . 9 3 30 . 9 0 0 0 . 8 6 70 . 8 3 3 0 . 7 5 0 i ,- i 公式 10 . 0 7 4 5 0 . 1 3 9 1 0 . 1 4 9 1 0 . 2 4 5 5 0 . 2 9 1 3 0 . 3 9 6 8 公式20 . 0 6 0 90 . 1 1 5 8 0 . 1 6 4 5 0 . 2 1 1 20 . 2 5 5 10 . 3 6 0 4 公式30 . 0 6 2 5 0 . 1 2 1 0 0 . 1 7 3 6 0 . 2 2 3 10 . 2 7 1 60 . 3 8 2 3 公式40 . 0 6 2 2 0 . 1 2 0 2 0 . 1 7 2 30 . 2 2 1 50 . 2 6 9 7 0 . 3 8 0 7 从中可以 看出，方法一的计算值偏大，方法二偏小，新方法居中， 但接近方法二，新方法公式简化前后，差值很小。因此， 可以采用简化 后的公式，用其计算值代表整个凸缘变形区不同部位的切向应变的平均 值。 再由真实 应力一 应变曲 线关系得 .州 ，厂 _ * 。 一r .2 + r 2 - r 2 丫 s = a i e . i=a l i n lr , 一 尸) ( 2 3 3 ) 2 . 1 .3凹 模圆角处的附加弯曲应力变化规律的讨论 拉深过程中， 坯料在凹模圆角处的受力和变形是拉深工艺理论中的 一 个困难、至今没有解决的问题。现有文献和著作中，用静力学平衡的 功平衡法或能觅法，按 if 曲理论 进行了简单的处理，坯料与凹模圆角的 摩擦则使用了欧拉公式” 8 ) , 119 1 , 12 0 1 , 12 ) 。用有限元对曲面类拉深件进行数值 分析给出的结果中，也只略述了凹模圆角处的应力、应变的变化特弯曲变 形前，弯曲变形影响区的位置如图2 .4中的虚线所示。由图的几何关系可 以 得 到 : b = q (re + 勺 r * = 乙 ，口 将在后面由初始贴模角确定。 因边界反力必须使弯曲变形区的周向应力为压应力，即c 二 。 ，由公 重庆大学硕十学位论文 2 拉深 二 艺分析 式 ( 2 . 3 5 )可以求出: _2 a_ 尸 = 石 万 丽 百 r 0t ta n o 将p a 二 n t 2 a , / 2 代入上式. 可以 得出 : _mj t 尹 二v, t a n 沪 ( 2 . 3 6 ) 该力学模型的弯曲载荷 尸 相对应的弯曲区是圆缺表面: r rr 2 2 ( i 一 c o s f6 ) + s i n 2 用; 而 实 际 拉 深时 凹 模圆 角 处 坯 料 的 弯曲 载荷p , 作 用于弯曲 弧长2 r f i 上。 按 相互 之间的单 位 载荷 相等有 p t= 2 a t # 二 二 不 产 一一 双 ，甲 了z万a ; t ( 名 ( i 一c o s t 2 ) +s l n pl t a ngq ( 2 . 3 7 ) 再由 弯曲 载 荷 与 弯曲 附 加 应 力。 ， 的 平 衡 关 系( 注 意， 因已 经 将 变 形 体凝缩为一曲线)有: 2 r s in 2 加。 一 凡 将式 ( 2 .3 7 ) 代入上式并整理得: a f i t v ; o n = r 2 ta n o s in 2 fi 2 ( 1 一 c o s fi ) + s in 2 f6 ( 2 . 3 8 ) 式中 将。 。 ， 拉 深 瞬时， 凹 模圆 角 处 的 坯 料的 平 均 变 形 抗力 分 成 两 部 分 a 0 一la; 2 气 i +t 2 a ,6 r t a n o s in 2 f6 2 ( 卜c o s f6 ) + s in 2 f i l ，则 o to y2r, + t 与 现 在 大 部 分 文 献 中 使 用 的 筒 形 件 拉 深 时 的 凹 模 圆 角 处 的 弯 曲 应 力 增 量 。 ， 相同 。 而 后 一 部 分 是 拉 深 过 程的 函 数. ta n is 由 式( 2 .3 4 ) 确定。 根据实验和文献a + i 的分析， 法兰参与 变形前的拉深初始阶段包括坯 v l 的弹性变形和除法兰以外坯料的其它部分的塑性变形。初始阶段结束 时 的 贴模 角被定 义为 初 始贴 模角。 。 。 当a = a 。 时， 法兰 开 始参与 变形， 凹模圆角出口处坯料截面的力由凹模圆角处坯料的弯曲变形力决定。此 重庆人学硕 卜 学位论文 2 拉深 f 艺分析 时，11 ! i模圆角处的 坯料产生塑 性弯曲 变形的弯曲 应力必须达到或超过。 ， ， 即。 . 0 ? a。 所以 ， 根 据( 2 .3 8 ) 式， 取1j = q o 一 。 0 1 2 ， 参 数二 与 a 。 满 足 下式: r d +i ) 一 = a o a , a l o a a o ( 2 . 3 9 ) 式中 61 10 巴 s in a a , = ;取刀 = 13 0 ，由 2 ( 1 一 c o s 卢 0 ) + s i n 夕 。 ( 2 .3 4 ) 式确定t o n 0 o 。 上式表明:当初始贴模角a 。 给定后，对于不同的相对弯曲半径 ( r i t ) ， 参 数: 是 确 定 的 。 为 了 方 便 于 工 程 设 计 计 算 和 与己 有 文 献的 分 析结果对比， 取。 = ， 。 。 对于筒形件拉深时， 试验所用的 坯料和模具参 数为:相对弯曲半径r o l l = 2 .5 , 5 .0 、7 .5 、1 0 , 1 5 , 2 0 ;其它参数: 。 ， / 。 。 = 0 .5 1 9 ， d( 凹 模 直 径) 一 1 6 0 m m ，n = 0 .2 5 1 3 。 根 据 文 献 2 41 ， a 0 可以 取1 0 1 .然后，由式 ( 2 .3 9 ) 用数值解法给出x 参数. 为了 验证理论公式的正 确性， 将不同 的、! t 对应的最大 拉深力转换 成 凹 模 圆 角 出 口 处 坯 料 的 径 向 应 力。 .ira 由 于a a ,t 中 包 括 有 法 兰 变 形、 压 边力和坯料与 模具之间的 摩擦阻力产生的 径向 应力， 取不同的r , l t 时 的， . t . 之差q a . v 。 在 其它 工 艺 参 数 相同 时， 可以 认 为 :d a a 31 中 只 包 含 凹模圆角处坯料弯曲变形引起的径向 应力之差。同时给出理论公式，对 应于)6 = 4 5 0 ( a = 9 0 0 ) 的。 ， 见图2 .5 。 为了 分 析 对比 将 现在 各 文献中 常 用的 。 。 绘于图中。 为了 考察坯料直径的 影响，实验时 取了两个坯料 重庆人学硕十学位论文 2 拉深_ 1 艺分析 直 径 ( d = 2 5 0 和2 7 0 m m) 。 从图中可以看出，本文给出的理论公式的计算结果与实验结果接近， 对 应d o = 2 5 0 m m的 曲 线 ， 在r , i t 说明在凹模圆角的合理取值范 围内， 本文给出的理论公式， 可以在比 较高的精度内适用。 = 5 一 1 6 的范围内，数值相符很好。这 食d邑日司 对应于d o = 2 7 0 m ，的曲线， 理论值比实 验值出 现总体的偏 低， 这是因为在理论公式计算 时略去了d 。 和q ， 的影响。现 有文献中广泛使用的公式给出 的曲线明显低于实验曲线，即 使按文献120 1取 v . ( 1 + 1 .6 20 ) ， 0 5 1 0 1 5 r d i t 图2 .5 相 对 凹 模圆 角半 径 差八 r，i八对 。 . 的 影 响 d - - 力解w l 公 式o- . 力脚.m 1 l ixi 也 与 实 验 数 值 相 差 很 大 。 文 献卜本 文 4 5 ( 彻 息 /t ) a - - i sft( d , x，本文公 式 =2 5 0 m m ) (25 1给出 的 凹 模圆 角 半 径 对 拉 深 力影响的实验曲 线 ( 其实验所取的r , l t 。 一 试 捡 ( 。 。 = 2 7 0 m m ) = 1 .0 0 一 9 .5 3 ) ，与本文给出的理论 公式的计算结果和实验结果有相同的分布规律。 经实验验证，改进的 c a l la d i n e模型，用于分析筒形件拉深时坯料流 经凹 模圆 角 处的 弯曲 变 形 所产生的 凹 模圆 角出口 处 的 径向 应力。 。 是可 行 的和有效的。 本文给出的理论公式的计算结果显示:在实验所选的凹模圆角半径 范围内， 理论公 式和实 验结果的数值具有一致的分 布规律。且在合理的 凹模圆角半径的 取值范围内，数值基本相符，具有较高的精度。 2 . 1 .4筒壁传力区的应力分析 可以认为筒壁传力区的应力是轴向、沿圆周均匀分布的。轴向拉应 力 p的值，除了克服凸缘区的变形阻力外，还要克服凸缘坯件与压边圈 重庆大学硕士学位论文 2 拉深 1二 艺分析 及凹模平面间的摩擦阻力和弯曲阻力。这样，传力区的应力为: p = (v ,十 。 m )e y2 + 。 。 ( 2 .4 0 ) 式 中。 黑 凸 缘 变 形 区 的 最 大 径向 应 力 ， 其 值 为( 2 . 巧 ) 中 a r m 、 的 极 值 。 .凸缘材料上的单位压边摩擦阻力 口川=2 卫 扭i t q压边力 w摩 擦 系 数 t板厚 e y2 为 考 虑 坯 料 在 凹 模 圆 角 流 动 时 所 产 生 的 摩 擦 阻力系数 c a 为 坯料流过凹 模圆角时 所附 加的 弯曲 阻力 2 . 1 .5传力区危险断面的承载能力 圆筒拉深传力区的 危险断面位于筒壁和凸 模圆 角相切处， 该处的承 载能力是由 该处的综合强度反映出来的。它不仅与材料的性能参数有关， 而且与材料和模具的几何参数也有很大关系，这些参数为:板材的抗拉 强度、 硬化特性、 各向异性以 及材料在凸 模圆角处的弯曲 变形程度等。 而凸模圆角处的弯曲 变形程度会削弱筒壁在该处的承载能力， 传力区危 险断面处的临界弧度为 q -= c i a n (i +y)+“ ( 2 .4 1 ) 式中c , -弱化系数， ,l 反映山于 几何条件的不同对筒壁危 险断面承载能力的影响 重庆大学硕士学位论文 2 拉深r 艺分析 c ， 一 牛 ( i + : ， i +y lr p , ) /0 +十rr , ) ( 2 . 4 2 ) 2 r , r p 2 凡r , 2 r , r p 式中r , 凸 模半 径 r , = r p - r n 2 ( r * 为凸 模圆 角半 径) 厚向异性指数 硬化指数 理 论 和 实 践 都 表 明 : c ， 二 0 .9 0 - 0 .9 4 2 . 1 .6强度条件 通过上述分析，筒形件工艺计算中的第一次不拉裂的条件为; 口 。 尸 ( 2 . 4 3 ) 然后， 应用 可靠性工程 中的应力 一强度干涉法进行工艺计算， 从每一具体条件入手， 通过计算机直接给出安全可靠的各工序尺寸 及一 1 艺简图，如图2 .6 所示。 重庆大学硕士学位论文 z 拉深 1 _ 艺分析 输入已 知条 件及所选参数 ( 提供出参数的参考数据) 压边力 起皱 应力应变分析 定出d , d , d u ? 输出结果输出结果，绘工序图 极限应力图 退出 图2 . 6 程序框图 2 .2盒形件毛坯尺寸的探讨 求出 冲压件的展开毛坯，是分析冲压件变形程度，设计工艺及拟定 工艺规程的前提。如果毛坯形状合适，变形沿毛坯分布不均匀的现象能 够得到明显改善，成形极限也可有所提高，4 1二 能降低凸耳高度，减少切 边余量。此外，采用合理的毛坯形状，往往能够使某些需要二次拉深才 能成形的制件， 用一次拉深便可达到制件要求的高度。 对于不规则冲仄 件，由于其形状的复杂性，不可能用解析方法来求得它的毛坯外形，至 重庆大学硕士学位论文 2 拉深 1 _ 艺分析 今未能得到满意的结果。因此求解毛坯展开形状成为冲压工艺设计中的 一个重要而鱼待解决的问题。 2 .2 . 1 目 前的方法及其优缺点 1 .经验法 现在工厂中最常用的方法例是分别计算矩形直边部分的展开长度和 圆角部分的展开半径，然后在过渡区域以圆弧和直线相连接，不过这个 方法仅适用于比较浅的拉深件。罗曼诺夫斯基提出了一种分区域计算的 方法，在原来的基础上有较大的改进，但准确度有待进一步提高。所有 这些求矩形毛坯的方法，都是一些凑合性质的经验方法。 2 . 势场 模拟法 (2 6 1 , 12 7 1 势场模拟法假设冲压件板料为不可压缩的平面各向同性的刚塑性 体，在冲压中， 介于工件边缘和准确坯料边缘之间的凸 缘部分， 处于塑 性状态， 并在内 边缘应力的作用下向 凹模型腔内 流动。 从理论上可以 证 明，冲压工件凸缘处金属的这种流动与相似区域、相似边界条件的纯粘 性流体的流动、电流的流动或热传导是相似的，因而可用这些有势场模 拟求出不规则冲压件的展开毛坯外形。一般对于外形相似的冲压件，只 需求出某一尺寸模型的等位线， 其它尺寸模型的等位线均可通过放大或 缩小得到。 对于圆角半径 r较小而直边较长的矩形件，当冲压件很浅时，直边 段凸缘很少或不发生塑性变形， 这与一般的理论推导中整个凸缘的板料 均处于塑性状态的 假设是不符合的，因而模拟法效果较差，这时以采用 经验法为 好。 对于圆 角半径 r较大的 矩形件，当 冲压深 度较浅时， 两种 方法相差不大。当矩形件深度增加，经验法产生很大误差，罗氏法笼统 地增加直边的高度也与实际情况相差很大，模拟法从金属流动的观点来 考虑冲压件的毛坯，对较深的矩形件取得了比经验法和罗氏法都更好的 效果。 总之，电模拟法基本符合求冲压件毛坯展开尺寸的一般假设条件: ( 1 )毛坯面积在冲压前后不变;( 2 )山第一个条件得出的必然推论，即 圆角部分的多余毛坯全部转移到直边部分。实际上圆角部分的多余毛坯 是很难全部转移到直边部分的。由于冲压中变厚变薄量分配的不均匀， 甚至凸缘部分也往往不全部处于塑性变形状态，冲压前后的面积也并不 完全相同。这些与假设条件不符合的实际情况，也使电模拟法的准确度 受到同样的影响。 重庆大学硕士学位论文 3 面向拉深件的 特征技术 3 面向拉深件的特征技术 特征技术自从首次提出以来，研究工作蓬勃展开，并得到广泛的应 用。 特征技术主要应用于机械行业的切削加工领域，经过十多年的研究与 实践， 取得了丰硕的成果， 发展出了一些基于特征技术的设计方法和技术。 在非切削加工的板料冲压加工领域，由于冲压件的几何形状多数为复杂空 间曲面， 并且加工性质与切削加工有很大差异，因 此在板料冲压行业应用 特征技术较为困难。 近年来，己 有国外研究人员把特征技术引入到板料冲 压领域，取得了一些应用成果，显示了 特征技术在板料冲压领域广阔的应 用前景。 在板料冲压领域中， 所有的应用研究集中在工艺较为简单的冲裁、 弯曲 等工艺上， 而对更为复杂的拉深工艺中特征技术的应用研究尚未展 开。这是因为 拉深件 ( 尤其是汽车覆盖件)形 状较为复杂， 在拉深过程中 金属材料变形较大， 只能通过局部材料的 变形 趋向 定性地确定材料的 变形 特点，由 此难以 一次获得理想的拉深工艺参数 ( 如毛坯外形) ，需经多次 实验和重复设计。由于拉深件工艺设计不仅涉及到零件的几何特性， 还于 材料的变形特性有很大关系，因此拉深模 c a d中 特征技术不是简单的把 特征技术在切削加工领域的成果 应用于拉深件工艺设 计之中，还应考虑材 料的变形特性。 3 . 1 拉深件的特征 特征技术应用在不同的领域中， 特征的含义有很大的区别， 特征的 定义与分类随着应用目 的不同而不同。由 于板料冲压与车、刨、铣、锉等 切削加工的加工性质差别很大， 面向切削加工领域定义的 特征不能完全应 用于冲压领域中，为此需根据板料冲压的加工特点提出面向板料冲压的新 的特征定义方法以及由 此而来的对特征的操作，如 特征分类、特征识别、 特征拼合等。 3 . 1 . 1特征定义 特征是一组与产品描述相关且具有特定属性的信息集合。在产品建 重庆大学硕士学位论文 3 面向拉深件的特征技术 模过程中， 特征是设计者和制造者感兴趣的对象，代表一定的几何形状及 相关的工程语义，它可以作为产品信息模型的基本单元， 将产品描述为特 征的 有 机组 成， 使特征成为 整个过 程中 对产品 信息 完整描述的载体。 在板 料的拉深 成形工艺中， 有诸多参 数需 要确定。 对于 有复 杂形状的工 件，由 于 拉深 成形 过程中 材料的 变形相当复 杂， 确定这些工艺 参 数极为困 难。 在 实际应用中，可以通过分析、综合不同几何形状局部材料的不同变形特性 获得整个拉深件的变形趋向， 从而 确定合理的拉深工艺参数。 可以 看出， 把具有复杂形状的拉深件分解成许多较为简单的几何形状，分别考虑这些 简单几何形状的工件局部的变形方式和成形条件，再综合工件各个局部的 变形特点和成形条件， 最后确定整个工 件在拉深过程中的各个工艺参数是 一条解决问 题的有效途径。 把这些几何形状不同， 成形条 件和变形方式也 不相同的局部称为 特征。与 切削加工中的不同， 拉深件的 特征包含了 局部 几何形 状和局部材料变形特性， 这为 今后从局部几何形状分析工件可成形 性、确定合理的工艺参数提供了 便利。 把拉深模 c a d中的 特征称为成形特征， 它反映了 工件的局部几何形 状与拉深过程中该部分材料的变形特点之间的某种规律性的关系。因此， 成 形 特征 可以 定 义 为 冲 压 过 程中 ， 工 件的 几 何 特征以 及 形 成该 几何 特 征出 现的材料变形方式。由 此定义可以看出， 成形特征不仅与工件的几何形状 相关， 还与工件的毛坯外形、 材料特性相关。 成形特征由 工件的几何特征、 材料特征等组成。 按特征的关联语义来看， 成形特征是主特征， 几何特征、 材料特征是辅助特征。 在实际应用中， 要分析一个成形特征， 首先要获取 与该成形特征相对应的几何特征，即工件的某个局部形状， 从这个局部几 何特征入手， 结合材料的 特性、 毛坯外形，分析变形过程中工件在此处可 能的变形清况。 3 . 1 .2特征分类 特征分类是为了 对产品信息的分类描述，以便有效地组织产品信息， 从而为计算机理解产品信息提供方便。特征的分类与具体的应用相关， 不 同的应用特征分类方式不同。根据工程语义可以将特征划分为形状特征、 精 度特征、 技术 特征、 材料 特征、 装 配特征、 有限元 分析 特征和加工 特征。 可以这样设想， 成形 特征是一个大容器，其中 载有各类不同的信息， 每一 类信息为在确定材料在成形过程中变形行为和应力、 应变分布等提供不同 的依据。在所有的信息中，_ 1 _ 件局部的儿f e ll i l 息足l a - 4 .本、也足址吸要的 信息。由塑性理论可知，不同的儿何形状在相同的冲压成形条件 卜 ，即使 重庆大学硕士学位论文 3 面向 拉深件的特征技术 大多数工艺参数 ( 如润滑条件等) 类似， 也会获得不同的应力、 应变分布， 表现出不同的变形方式，失效类型也会不同。 不同的几何形状的工件局部 发生的失效的形式也会不一样，有的部分表现为起皱，有的部分表现为破 裂。另外，由于产品的外在表现形式是该产品的几何形状，评价某工件的 可成形性是指具有这样几何形状的工件能否拉深成形。也就是说，对工件 成形特征的分析， 最终评测对应该成形特征的几何形状能否成形，是以工 件的几何形状为 评测对象。因 此， 在成形特征中， 工件的几何特征 ( 几何 形状) 是最重要的，因此应最多考虑这一特征 轴对称拉深件的局部几何 形状可以 分为八类:水平型、垂 直型、 圆锥型、 反圆 锥型、 凸 型、 反凸型、凹型和反凹型等。 对于 非轴对称拉深件，虽然儿何形状 更为复杂，分类情况与上述相比 较为烦琐， 但由于在面向拉深成 形工艺的几何特征分类中，分类 目的还应与材料变形特点相关 联，因此在非轴对称拉深件的局 部几何形状的分类也与上述类 似。拉深工艺的全部冲压变形可 图 3 . 1 以分为两大类:伸长类变形和压缩类变形。 拉深件中的几何特征分类 不同局部几何形状的材料在 拉深过程中既可能表现为 伸长类变形， 也可能表现为压 缩类变形，主 要 决定于工件的局部几何尺寸。因