（材料加工工程专业论文）变压边力拉深工艺的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 变压边力拉深工艺的研究 摘要 将毛坯通过模具制成开口空心零件的冲压工艺方法称之为拉深 起皱 和拉裂是板料拉深成形中的主要障碍 影响板料拉深成形的因素很多 如 压边力的变化 凸模拉深力及速度的变化 模具结构 润滑剂 材料特性 等 压边力 b l a n kh o l d e rf o r c e 简作b h f 是板料成形过程中的一个重要工 艺参数 压边力的主要作用是用来产生摩擦阻力 以增加板料中的拉应力 控制材料的流动 使拉深过程中工件既不起皱 也不拉裂 所以适当的压 边力对拉深工艺来说是非常重要的 在板料冲压成形领域中 曲面形零件 占有相当大的比例 圆锥形零件是曲面类零件中较为典型的零件 对其冲 压成形过程的研究是进行曲面类零件研究的基础 本课题主要是通过有限 元法进行模拟分析研究圆锥形件拉深成形过程中 压边力对工件的影响 以及探讨实现板料超低拉深系数的拉深 提高拉深工件质量的压边力变化 规律 并通过试验进行验证 通过系统地分析圆锥形件拉深成形机理 建立板料拉深成形的有限元 模型 分别设置不同的恒压边力和变压边力 综合考虑拉深过程中各种因 素如摩擦系数 模具参数 冲模速度等对拉深成形的影响 应用板料成形 专用软件包l s d y n a 3 d 软件对板料拉深过程进行有限元模拟 模拟结束后 在后处理中观察结果 并可对极限拉深高度 厚度分布 应力应变 成形 极限图等进行分析 模拟分析表明 恒压边力下的拉深 极限拉深高度只 有4 2 m m 左右 且成形力较大 凸模圆角处壁厚减薄率为2 8 左右 拉深方 向上的最大拉应力接近6 0 0 k p a 压应力也相对较大 面通过设置合理的变 压边力控制曲线 可以消除成形过程中起皱和破裂等缺陷 获得比在恒压 边力条件下更高的成形极限 极限拉深高度接近5 0 r a m 凸模圆角处的壁厚 减薄率低于2 5 且零件厚度分布较均匀 拉深方向上的拉应力和压应力 均小于恒压边力下的拉深 并且可以使最大成形力降至2 8 2 k n 这表明改 山东大学硕士学位论文 变压边力控制模式可以很好的改善材料的流动和分布 使成形件壁厚更加 均匀 获得比在恒压边力条件下更高的极限成形深度 利于充分发挥板料 的成形性能拉深出形状复杂的零件 本课题还对模拟结果进行了试验验证 试验采用厚度为0 8 m m 的超深 冲 钢板拉深一圆锥形件 结果表明采用变压边力控制方法有利于降低拉 深系数 提高拉深成形的表面质量 还可减少工件起皱和拉裂的机率 模 拟结果的规律与试验结果一致 关键词 板料成形 压边力 拉深 数值模拟 i l 山东大学硕士学位论文 o nv a r i a b l eb h f d e e p d r a w i n gp r o c e s s a b s t r a c t d e e p d r a w i n gi sac o m m o ns h e e tm e t a lf o r m i n gm e t h o dt op r o d u c ea l lo p e l l h o l l o wp a r t sw i mp u n c ha n dd i e s w r i n k l 崦a n df r a c t u r ea r ct h em a i no b s t a c l e s i ns h e e tm e t a l f o r m i n g t h e r ea r e m a n yf a c t o r sa f f e c t i n gq u a l i t i e so f d e 印 d r a w i n gp a r t s s u c h 鹊b l a n kh o l d i n gf o r c e m i f t h ef o r m i n gf o r c ea n d s p e e do fp t m e hd i e d i es t r u c t u r e l u b r i c a n t m a t e r i a lp e r f o r m a n c e a n ds oo n b i i fi sa l li m p o r t a n tt e c h n i c a lp a r a m e t e ri ns h e e tm e t a l f o r m i n g i t sm a i n f u n c t i o ni sb r i n g i n gf r i e t i o r t i n c r e a s i n gp u l l e ds t r e s so fs h e e tm e t a l c o n t r o l l i n g m a t e r i a lf l o w i n g a v o i d i n gw r i n l d i n ga n df r a c t u r e s o 锄a d e q u a t eb l a n k h o l d i n gf o r c e0 3 m i si m p o r t a n tf o r as u c c e s s f u ld e e p d r a w i n g p r o c e s so f s t e e l s h e e t s c o n i c a lp a r t at y p i c a lp a r tw i t l le u r v i l i n e a rs u r f a c ei si nl a r g ep r o p o r t i o n t od e e pd r a w i n gp r o d u e t i o r t t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt o s t u d yt h ef o m a i n g c h a r a c t e r i s t i co fc o n i c a lp a r t t oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp a r a m e t e r s o ni t sf o r m i n gl i m i t a n dt od e f i n er e a s o n a b l eb l a n kh o l d i n gf o r c e m 9 b y u s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ta n a l y s i s t h ei n f l u e n c el a wo fb i i f 0 1 1 1c o n i c a lp a r t sd e e pd r a w i n gf o r m i n g 强髑s t u d i e di nt h i sp a p e r t h ev a r i a t i o n o fb i i ft or e a l i z ee x t r al o wd e e p d r a w i n gr a t i of o r m i n gs oa st oi m p r o v et h e p a r tq u a l i t i e sw a sa l s od i s c u s s e da n dt e s t i f i e db ye x p e r i m e n t s f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fd e e pd r a w nc o n i c a lp a r t sw a se s t a b l i s h e d a c c o r d i n g t ot h es y s t e m a t i ca n a l y s i sa b o u ti t sf o r m i n gm e c h a n i s mi nt h i sp a p e r a n dt h ec o n s t a n tb h fa n dv a r i a b l eb h fw e r es e tb yc o n s i d e r i n ga b o u tt h e f a c t o r sa f f e c t i n gs h e e tm e t a lf o r m i n gs t t e l aa sf r i c t i o nc o e f f i c i e n t d i ep a l a m e t e r s p e e do fp u n c l a a n d8 0o n u s i n gt h es o t l w a r el s d y n a 3 ds i m u l a t e ds h e e t m e t a l f o r m i n gp r o c e s s b yo b s e r v i n g t h es i m u l a t i o nr e s u l t si nt h e p o s t p r o c e s s o rp r o g r a m t h el i m i td r a w i n gh e i g h t t h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n s t r e s s s t r a i n f l da n de t cw e a n a l y z e d t h es i m u l a t i r e s u l t ss h o w e d t h e i i i 山东大学硕士学位论文 l i m i td r a w i n gh e i g h tw s bo n l y4 2 r a ma n dt h ef o r m i n gf o r c ew a sb i ga sa c o n s t a n tb h fd e 印一d r a w i n gp r o c e s sw a sa d a p t e d i ta l s oc a l lb eo b s e r v e dt h a t t h er a t i oo f r e d u c t i o no f t h i c k n e s sa tt h er o u n dc o m e ro f p u n c hw a sa b o u t2 8 t h eb i g g e s tp u l l e ds t r e s sa tt h ed i r e c t i o no fd r a w i n gw a s6 0 0 k p aa n dt h e p r e s s e ds t r e s sw a sr e l a t i v eb i g b u tt h eo b s t a c l e so fw r i n k l i n ga n df r a c t u r e c o u l db ee l i m i n a t e da n dt h eh i g h e rf o r m i n gl i m i tw a sg o ti fa na d e q u a t e v a r i a b l eb h fw a ss e t t h el i m i td r a w i n gh e i g h tw a st o5 0 m m t h er a t i oo f r e d u c t i o no f t h i c k n e s sa tt h er o u n dc o i t i e ro f p u n c hw a ss m a l l e rt h a n2 5 a n d t h ed i s t r i b u t i o no f t h i c k n e s sw a sm f o r i i l i t y t h ep u l l e ds t r e s sa n dp r e s s e ds t r e s s w e r es m a l l e rt h a nt h o s ei nt h ed r a w i n gp r o c e s sa sac o n s t a n tb h fw a sa d d e d a n dt h ef o r m i n gf o r c ec a nb er e d u c e dt o2 8 2 k n ts h o w e dt h a tt h ef l o wa n d d i s t r i b u t i o no ft h em a t e r i a lc o u l db ei m p r o v e d t h em o r eu n i f o r mt h i c k n e s s d i s t r i b u t i o na n dah i g h e rf o r m i n gl i m i th e i g h tw e r ea c h i e v e di f t h ec o n t r o lm o d e o fb h fw a sc h a n g e d a n dt h ef o r m a b i l i t ya l s oc a nb ei n c r e a s e di fav a r i a b l e b h fc o n t r o lm o d ew a sa d a p t e d s i m u l a t i o nr e s u l t sw e a l s ov a l i d a t e db yd e e pd r a w i n ge x p e r i m e n t so f c o n i c a lp a r t sb yu s i n go 8 m mi fs t e e ls h e e t t h et e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a t v a r i a b l eb h fw a si nf a v o r so f i m p r o v i n gl i m i t i n gd r a w i n gr a t i oo f s h e e tm e t a l i m p r o v i n gs u r f a c eq u a l i t yo f p a r t s r e d u c i n gt h er a t i oo f w r i n k l i n ga n df i a c t u r e o fp a r t s t h es i m u l a t e dr e s u l t sw e r eb a s i c a l l yi na c c o r d a n c ew i 也t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa l t h o u g hs o m el i t t l e d e v i a t i o ne x i s t e d t h e r e f o r et h i s n u m e r i c a ls o w a r ec a nb eu s e dt op r e d i c tt h ed e 印d r a w i n g 谢l hv a r i a b l eb h f c o n t r 0 1m o d e k e yw o r d s s h e e tm e t a lf o r m i n g b l a n kh o l d i n gf o r c e0 3 r 3 d e e p d r a w i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 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 拉畦 圭自日期 砬互f 五 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 盐蓝强导师签名 堑区茎日期 2 z 山东大学硕士学位论文 1 1 选题的背景及意义 第一章绪论 压边力是板料拉深过程中的重要参数之一 近年来一些汽车工业较为 发达的国家 正在进行着变压边力拉深新工艺方法的研究 板材冲压成形是一种基本的汽车车身制造工艺 同时它又是一个集板 料弹塑性大变形 工具和模具的接触 摩擦等为一体的复杂过程 板料拉 深过程中 压边力是一种重要的工艺参数 板材冲压成形过程中的主要问题 是起皱和破裂 影响冲压成形性能的主要因素一般有三个方面 即模具的 几何参数 润滑条件及压边力条件 而其中易于控制和调节的当数压边力 条件 通常 在冲压过程中为了防止起皱 需要对冲压件施加一定的压边 力 一般来说 压边力过小 无法有效地控制材料的流动 板料很容易起 皱 而压边力过大 虽然可以避免起皱 但破裂趋势会明显增加 同时 模具和板料的表面受损可能性亦增大 影响模具寿命和板料拉深成形质量 由于传统的压力机在冲压过程中 压边力一般为恒定的 不能随冲头 行程而变化 从而制约了材料的成形性能 同时也影响冲压件的尺寸精度 为了满足汽车轻量化的要求 越来越多的汽车制造商采用铝合金板和高强 度钢板作为车身覆盖件的材料 但这些材料的成形性能差 且回弹大 传 统的恒压边力难以获得良好成形质量 因此 一些学者提出了变压边力控 制方式 变压边力 v a r i a b l eb l a n kh o l d e rf o r c e 简称v b h f 是指在板料成 形过程中 随时间或位置改变压边力大小 采用变压边力不仅可以提高板 料的成形性能 消除成形过程中起皱和破裂等缺陷 而且能提高冲压件的 尺寸精度和稳定性 因此 迅速开展这方面的研究 对于汽车工业及其它 产业的高速发展 提高冲压技术水平 有着十分重要和深远的意义 1 2 国内外研究的现状 国外拉深过程压边力技术研究已取得了一定的进展 而国内 相对来 山东大学硕士学位论文 讲这方面的研究工作还刚刚起步 在国外 对b h f 的研究主要集中在对b h f 的预测和控制方面 并为 此做了大量广泛和深入的工作 r k e r g e n 和p j o d o g r e 采用测量模具和压边 圈间隙的起皱试验 得到了最优b h f 曲线和最小b h f 值 s y o s s i s o n 等人 通过对某种坯料的系列试验 得出了优化b h f 曲线是与不失稳的最小值边 界相对应的结论 也即b h f 刚好保证了不起皱 e j o b e r m e y e r 等人用f e m 方法得到轴对称杯形件成型的数值结果 进而得到了b h f 控制曲线 k m a n a b e 等人基于塑性理论模型给出了各向异性板坯材料的破裂极限力 和起皱极限力理论计算公式 美国的麻省理工学院的制造与生产实验室o 订i t 俄亥俄州立大学精 密型制造工程研究中心及日本的东京都立大学等研究机构都较早着手变压 边力拉深新工艺的研究 并取得了一定的进展 1 9 9 8 年 i c m a n a b e 等人 将人工神经网络 a n n 技术应用到拉深成形的自适应控制系统中去识别 材料的性能参数 目前国内对b h f 的研究和应用主要还集中在传统的方式上 通常是采 用单动压力机的弹性压边圈和双动压力机的刚性压边圈来旖加冲压中所需 的压边力 上海大学在将有限元模拟技术运用到压边力控制方面取得一定 的进展 例如对拉深工艺中脉动压边力的控制方法 近来燕山大学的学者 针对法兰厚向应变 法兰收缩比较难监测 建立了以拉深力 凸模行程 压边力为输入变量的神经网络 并将其用于材料参数和摩擦系数的识别 由于影响压边力的因素众多 对于特定的材料 几何形状 冲压工艺 的冲压件 如何确定 种最优的压边力方案依然十分困难 1 3 本论文工作的特点及其主要的研究方法 综上所述 本课题将要开展的工作主要是研究在板料拉深成形工艺中 如何采用不同恒压边力及变压边力控制模式 有效合理地控制材料的流动 降低拉深力 从而有效地防止工件在凸模底部圆角处发生的破裂以及压边 圈底部材料的起皱 本课题采用了成形试验 理论分析和数值模拟相结合 的技术路线 将试验结果和成形仿真结合起来 通过理论分析 探讨压边 2 山东大学硕士学位论文 力对成形过程的影响 具体过程如下 1 应用钣金成形数值模拟软件d y n a f o r m 进行建模 划分网格等前 处理工作 导入到后处理程序中 设置恒压边力和变压边力两种不同的压 边力控制模式 进行成形模拟 通过模拟结果分析哪种压边力模式能更好 的控制圆锥形件的拉深成形 2 拟采用b c s 3 0 d 型通用板料成形性试验机进行圆锥形件的拉深 试验 材料选择超深冲m 钢板 板厚为0 8 m m 先借助试验机进行恒压边 力试验 定出其起皱和破裂的压边力范围 然后设置压边力控制曲线进行 变压边力试验 3 将试验结果和模拟结果进行对比研究 找出合适的压边力控制模 式 山东大学硕士学位论文 刖看 第二章文献综述 板材的拉深成形是利用模具使冲裁后得到的平板毛坯变成为开口的空 心零件的冲压成形过程 它是板材冲压加工中一种重要的工艺方法 l 板材 冲压成形是一种基本的汽车车身制造工艺 在板料成形过程中 通常需要压 边装置产生足够的摩擦抗力 以增加板料中的拉应力 控制材料的流动 避 免起皱 压边力 b l m a kh o l d 盯f o r c e b h f 的大小是板料成形中重要的工艺 参数 也是板料拉深成形中的重要控制手段 由于汽车车身覆盖件的复杂性 在成形过程中金属材料的流动在各个位置是不一致的 如果在板料周围都 施加相同的压边力 就容易导致有些部位起皱 有些部位撕裂的缺陷 这样 压边力参数的合理取值 调整和控制 则成为控制金属流动 防止出现起皱 和破裂的最重要的手段之一 事实上 随着冲压工艺的不断发展和计算机 模拟技术的推广和应用 拉深成形的变压边力技术不仅在汽车行业可以得 到应用 在机电 轻工以及航空航天等诸多领域中也同样具有广泛的应用前 景 2 1 2 1 拉深过程中压边力的影响 在板料拉深过程中 如果毛坯的相对厚度较小 拉深较大 则凸缘变 形区在切向压应力的作用下易起皱 简壁传力区凸模圆角与筒壁相切处在 径向拉应力的作用下易破裂 起皱的本质是压缩塑性失稳 开裂的本质是 拉深塑性失稳 在冲压生产中不产生破裂是生产合格零件的前提 但起皱 引起的皱纹在贴模时能否消除 也决定着零件成形过程的成败 尤其对于 汽车覆盖件显得更为重要 为了在板材拉深成形过程中避开起皱和破坏 充 分发挥板材的极限变形能力 在各拉深阶段中毛坯对压边力的需求是不同 的 对于直壁类零件拉深成形 一般在毛坯的法兰部位出现起皱 外皱 而对于曲面类零件 则还存在悬空部分的起皱问题 即内皱 外皱的防止原 4 山东大学硕士学位论文 理是通过设置压边圈装置 把毛坯的法兰部分紧紧地压在凹模平面上 使 法兰部分变形毛坯在压边圈与凹模平面之间的缝隙中通过 从而使零件法 兰部分变形区的起皱问题得以解决 同时 由于法兰部分毛坯在压边圈与 凹模平面间的缝隙中通过 压边力使得法兰部分毛坯变形时 受到来自压 边圈及凹模平面间相互摩擦产生的阻力的约束 该约束限制了压边圈下法 兰部分变形毛坯金属向凹模口内的流动变形 使得毛坯悬空部分变形区的 经向拉应力增大 从而相应地减少了该部分变形区纬向压应力值 使起皱 的趋向性降低 另一方面 随着凸模的压入和变形的进行 压边力对压边 圈下金属向凹模口内流动变形的限制约束作用加强 毛坯悬空侧壁部分的 胀形变形成份增大 贴模点外移 从而降低了成形过程中的起皱趋向性 达到了防止悬空变形区起皱 内皱 的目的 由上述分析可知 增大压边力有利于零件的顺利成形 然而 成形过程 中压边力的值也不能无限制地任意增大 过分地通过增大压边力去提高毛 坯变形区内的经向拉应力值 有可能使变形过分地集中在悬空毛坯部分 尤其是靠近凸模圆角处 而由法兰部分流入凹模e l 的金属量却大大减 少 从而使悬空部分毛坯的变形向单纯有胀形变形转化 结果可能引起该 变形区毛坯材料变薄加剧 导致在该变形区产生破坏缺陷 所以 板料冲 压拉深过程中对压边力值的选取 应综合考虑上述两个方面的因素 使零 件的成形能顺利地进行 3 西安交通大学的赵升吨 王骥f 4 l 等结合筒形件液压拉深装置的基本工 作原理进行液压拉深过程最优压边力的研究 如图2 1 根据破裂最大压边 力曲线 防皱最小压边力曲线和其它条件 如使板厚均匀 压边力曲线尽 量简单等可以最终决定所需的最佳压边力曲线 显然 在破裂最大压边力 曲线和防皱最小压边力曲线不相交时 筒形件才有可能拉深成功 而当破 裂最大压边力曲线的最小值大于防皱最小压边力曲线的最大值时 如图 3 1 a 所示 就可以施加恒定压边力 若考虑到使板厚均匀的因素 拉深前期 应采用较大的压边力 反之 当破裂最大压边力曲线的最小值小于防皱最 小压边力曲线的最大值时 如图3 1 b 所示 就必须要施加变化的压边力 山东大学硕士学位论文 簿形侔高度 r a m 筒彤件高度 m m a 2 2 压边力的加载模式 图2 1 最佳压边力变化规律 b 2 2 1 恒定压边力加载模式 定常模式 压边装置通常有弹性压边和刚性压边两种 刚性压边即在双动压力机 上利用外滑块压边 压边力不随压力机行程变化 拉深效果好 但不适用 于普通压力机 一般工厂的压力机 多采用弹簧和橡胶压边 但弹簧和橡 胶的压边力随行程的增加而上升 对拉深不利 利用液压装置进行压边的方法目前应用广泛 虽然液压拉深压边装置 能够设定一个恒定的压边力 但是一般来讲 如果不采取特殊措施 凸缘 部分单位压边力的数值将随着冲头行程的增加而增大 2 2 2 变压边力加载模式 一般讲 压边力控制曲线的加载模式主要有4 种 除上述恒定压边力加 载模式以外 典型的控制曲线加载模式还有增加模式 减小模式和混合模 式等 如图2 2 所示 6 山东大学硕士学位论文 蚤 2 r 利 幽 图2 2 压边力加载模式 o 国外的许多学者对简单的筒形件 锥形件进行了研究 通过研究发现 适当地控制压边力在拉深加工中的数值 能够更好地控制制品成形的质量 但究竟是上升趋势的b h f 控制曲线好还是下降趋势的b h f 控制曲线更具 现实意义到目前为止尚无定论 5 2 3 压边力的控制技术 1 9 1 5 年h a v r a n e k 首先提出了确定起皱曲线 w l c 的方法嘲 并通过锥 形杯的成形实验得出了起皱断裂临界曲线图 随后h a r d t 和k e f 7 提出了两种 闭环控制压边力的方法 一是在接个拉延过程中压边力恒定不变且保持在 既不起皱又不至于拉裂的最小水平上 另一种方法就是通过控制毛坯流进 模腔的体积来控制压边力 2 0 世纪9 0 年代初h a r d t 等人继续用闭环控制的方 法来寻求压边力的最优行程曲线 掀起了变压边力研究的热潮 理想的变 压边力控制系统应包括用来代替传统单块压边圈的分段压边圈 以及相应 用来代替传统单个液压缸的多个小油缸 对于液压机的改造 国外进行的比较早 2 0 世纪9 0 年代中期 德国压力 机制造商舒勒 s c b u i 哪公司l s 开发研制了一种液压压边装置 四个液压缸的 压力可以根据工作需要自动进行调整 极大地改进了拉深压边装置的压边 功能 2 0 0 0 年 国s t u g g a r t 大学k s i e g e r t 等x 9 研制出了有多个液压缸支 撑的液压拉深垫系统 在该系统中 各液压缸分别有独立的液压阀控制 可 以对各压边缸施加不同的压边力 并在此基础上 又研制了c n c 多点液压拉 7 山东大学硕士学位论文 深垫系统 埘 在每一个压边缸上安装高度自动调节装置和压力传感器 根据 各压边缸的应力 计算机自动调整顶杆的高度 实现随位置或者时间改变的 变压边力 国内方面 上海交通大学车身制造技术中心开发了一台多点变 压边力单动拉深液压试验机 实现了在冲压成形过程中 不仅能随位置和冲 头行程任意改变压边力 而且实现了在拉深过程中 根据拉深工艺要求和材 料性能的不同进行拉深速度的调节 l 由于对液压机的改造成本较高 一些学者尝试从压边圈结构入手 达到成型过程中改变压边力的目的 在所有的研究中 m a s l e n n i k o v 方法 是一种独特的方法 它利用放在容器中的橡胶环做为压力介质使坯料产 生拉深变形 继而 h a s s a n 等人又提出用分成四段的压边圈来代替 m a s l e n n i k o v 法中使用的橡胶环 但这种方法会由于法兰区的材料流入压 边圈各段间的间隙从而导致起皱 最近 上海交通大学国家模具c a d 工程研究中心的周士侃 1 3 蝽设计出带有双层组合结构的压边圈 在上下 两层压边圈之中嵌入相应数量的具有微小长度差的小顶柱 通过这些小 顶柱 把顶出油缸提供的恒定压边力呈区域变化传递到上层压边圈上 实现了对坯料连续 多点控制压边力的目的 日本k y o t oi n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y 的m a h a s s a n 1 4 等人也设计出了一种新型结构的金属压边 圈 如图2 3 所示 这种压边圈分为两层 具有四个5 锥角的平面的固 定层或基体 和分成四个锥形段的活动层 在适当的压边力作用下 通 过使用专门设计的压缩器 四个话动层可以以恒定的速度朝凹模口部径 向移动 使坯料和压边圈间的摩擦力作用在有用的拉深方向上 再配以 恒定的冲压力 有效实现拉深变形 目前 运用这项技术已成功的生产 出拉深比为3 6 7 的深杯形件 山东大学硕士学位论文 b 曩 b t c l曲 图2 3 分成四段的锥形压边圈的结构和运动简图 2 4 压边力优化控制方法 2 4 1 试验法 这是基于坯料不失稳和h l d 最大两条原则 对多个预测模型进行拉 深试验 通过大量数据描点绘图以得到该种材料失稳区域的图形 结合拉 深件实际尺寸来定出b h f 的最优控制曲线 具体的试验方法有多种 可根 据试验条件 可靠性和可重复性等原贝 来选取 比如测壁裂区域的方法可 以选用切角毛坯盒形件拉深试验等 而测定拉深毛坯侧壁起皱的试验方法 大致可以选用圆锥及角锥拉深试验 实践表明 压边力q 的大小最好能随 起皱的可能性大小而合理交化 亦即在拉深初期b h f 应逐渐增大 当毛 坯外径减小至某个值时b h f 应达到最大值 随后应逐渐减小 如图2 4 所 示1 1 5 1 h a r d t 等人们采用锥形件拉深进行实验 分别对工件施加不同的压边 力 并记录拉深过程中冲压力变化情况 确定拉深高度最高而且没有起皱 和断裂缺陷工件的冲压力曲线 然后在拉深过程中通过调整压边力 b h f 使冲压力按目标冲压力曲线变化 从而获得较高的拉深深度而没有缺陷的 冲压件 这种方法简单 有效 但是费时费力且精度不高 适应性差 9 山东大学硕士学位论文 拉探耀废 m m 图2 1压边力q 与拉深深度h 的关系 2 4 2 数值模拟结合理论计算 随着数值模拟技术被广泛用于薄板成形研究 相继开发了许多板料成 形有限元程序 如 l t a d y n a f o i t m a u t o f o r m o p n u s m r i f r m s h e e t 3 d 等 另外 通用非线性有限元分析 f e a 软件 如 m a r c a n s y s 等也可以用于板料成形 研究人员可以根据实际工作条 件 选择合适的有限元分析程序 通过不断改变有限元的输入变量 通过模 拟确定可行或最优的结果 8 b p a r k 1 6 1 等人进行了对轴对称拉深件的计算机辅助程序设计系统 的研究 结合塑性理论和实验数据设计出的c a d 程序包括四个模块 输入 模块 几何设计模块 试验校正模块和使用修正模块 通过输入拉深件的 成型图 即可得到如拉深力 压边力等参数 继而优化设计成形工艺 t e t s u y ay a g a m i 1 刁等人在对矩形件成型性能的研究中 运用数据库和f e m 辅助压力控制系统 在三个液压缸上设计3 6 个压边力控制模块 即总共用 1 0 8 个分段来控制材料向模腔内的流动 有效地实现了压边力的优化 华中科技大学杜臣勇1 1 s 依据理想形变理论 研究开发了冲压成形过程 模拟的有限元逆算法 实现了计算机程序 并利用有限元逆算法 以变形 后工件中厚度分布误差为目标函数 成功地对冲压过程中的压边力进行了 优化 2 4 3 数值模拟结合最优化理论 这是一种将最优化理论和有限元模拟相结合 以优化薄板冲压成形过 1 0 乏苣畚武嗣避 山东大学硕士学位论文 程中的b h f 变化方案 即用最优化理论确定b h f 的变化趋势 用有限元数 值仿真来评价成形质量与b h f 的关系 如日本的t o h a t a 曾提出将网格 法与单纯形法相结合的一种优化方法 1 9 这种优化方法计算效率高 可以 减少有限元的计算次数 但求出的解可能超出可行域 甚至对有些问题无 法求解 为此 上海交通大学车身制造技术中心的包友霞对t o h a t a 提出 的优化方法进行改进 提出一种改进的网格法和单纯形法相结合的优化方 法 2 们 使得优化过程中各变量点的搜索一直在可行域内 从而保证了优化 解的可行性和有效性 上海交通大学的孙成智提出了一种基于计算机模拟的优化设计方法 2 1 1 该方法集成了板料成形的计算机模拟和自适应响应面法 a r s m 为了保证 优化过程的收敛 应用信赖域模型管理来调节设计空间的变化 并用这种算 法优化不等深盒形件拉深成形过程的随位置变化的变压边力 v b m o 以满 足给定的目标函数 主 次应变在成形极限图中的合理分布 m a t t h i a sh i l l m a n n 等人 2 2 铡用a u t o f o r m 作为数值模拟工具 在成 形极限图上 以各点到断裂极限和起皱极限的距离的加权之和为目标函数 以压边力大小作为设计变量 采用b f g s 优化方法对压边力进行优化 优 化结果与实验结果吻合良好 a s c o t t m u r p h y 掣2 3 用a b a q u s 作为模拟 工具 以极限应变为目标函数 以压边力为设计变量 采用灵敏度分析方法 作为优化工具 对盒形件进行优化 取得良好的效果 该方法的准确性较高 但由于板料成形的数值模拟速度仍不能满足优 化迭代的要求 从而限制了该方法的应用 同时 使用该方法时 确定最 佳的压边力搜索方向仍然相当困难 2 4 4 数值模拟结合实验设计 日本京都大学的h i r o s h ik o y a m a 2 4 1 等在对阶梯状盒形件的成型研究 中 运用数据库和f e m 辅助压力控制系统 设计出各个参数 进行三维有 限元的模拟成形 并结合液压机上的拉深试验来寻找压边力的优化设计路 径 德 s t u t t g a r t 大学金属成形技术协会的研究人员已经开始通过试验研 究脉动压边力控制对拉深工艺的影响 上海大学的谭晶等结合数值模拟方 山东大学硕士学位论文 法分析脉动力压边控制时其振幅 振频变化对成形的影响 以非轴对称抛 物面汽车前照灯反光罩的拉深件为例 建立有限元分析模型 通过对脉动 变化的压边力的数值模拟分析 得出不同振幅 不同振频控制下的压边力 变化曲线 发现定常压边力与脉动力峰值相同时 采用脉动力压边控制可 减小成形件的应力应变 减轻壁厚变薄程度 增大变形余裕度 提高成形 极限和成形质量 2 5 1 上海交通大学车身制造技术中心刘罡博士将数值模拟与正交试验方法 有机地结合起来寻找优化的工艺条件 2 6 1 首先 利用数值模拟技术确定变 压边力曲线中各设计变量 如不同区段压边力大小 压边力变化时刻等的 取值范围 其次 利用正交试验设计方法来搜索具体的优化解 大大提高 了优化过程的效率和优化解的有效性 采用这种方法使得数值模拟计算次数大大减少 优化的效率高 但是 采用试验设计方法确定的最优压边力曲线只是实际最佳压边力曲线的一种 近似 往往不能获得真正的最佳压边力曲线 2 4 5 神经元网络结合弹塑性理论 由于薄板成形过程中 工艺参数和材料特性变化之间存在着高度的非 线性耦合影响 一般难以定量处理 而人工神经网络是一种分布式并行处 理系统 它具有自组织 自学习 自适应和非线性动态处理特性 因而可 以直接从大量数据中提取数据 通过联想记忆和推理等能力来获取所需数 据 成为解决b h f 控制的一种有效的手段 1 9 9 8 年 k m a n a b e 等人将人工神经网络 a n n 技术应用到拉深成形 的自适应控制系统中去识别材料的性能参数 8 1 将拉深力 凸模行程 压 边力 法兰厚向应变 法兰收缩比作为三层神经网络的输入变量 材料的 性能参数 硬化指数 各向异性系数和材料其他性能综台指数f 作为输出 层变量 利用弹塑性理论计算出摩擦系数 然后确定起皱极限曲线和断裂 极限曲线 最后通过自适应闭环控制 根据工艺参数变化调节b h f 以获 得壁厚均匀或拉深高度最大的拉深件 其控制原理如图2 5 1 2 山东大学硕士学位论文 图2 5最优b h f 控制图 1 壁厚均匀的b h f 曲线2 拉深高度最大的b h f 曲线 周敬勇等人采用b p 神经网络结构 2 7 1 以给定的某些实验数据为样本 采用i m 算法规则优化训练网络 建立了一个关于板料拉深成形中润滑 油 模具表面租糙度 法向压力 拉深速度和板料表面租糙度与摩擦系数 的b p 神经网络摩擦预测模型 并用此模型做了仿真输出 结果发现 仿真 结果与试验结果比较接近 模型能够较好的预测摩擦系数 j c a o 等人 谰阶梯形b i i f 曲线和神经网络控制相结合的方法来控制 b h f 的大小和增大的时间 以保证在工艺条件和材料参数变化时 维持回 弹角在0 2 0 0 6 0 而最大应变在8 1 0 之间 系统的流程如图2 6 开始冲压直到冲 头移动一定距离 根据冲压力曲线确定 神经网络的输入 用神经网络预测b 咿 的大小和变化时麴 图2 6 神经网络确定最优b h f 的流程 将该套控制系统和s u n s e r i 等人的闭环控制系统相比 结果表明在材 料特性变化时 神经网络控制系统比闭环控制系统更能减小回弹 在训练 数据足够多时 神经网络控制系统的稳健性能也比闭环控制系统强 1 3 山东大学硕士学位论文 2 4 6 基于模糊推理的压边力优化方法 尽管国内外不少学者利用实验研究成果和塑性成形理论对板料成形过 程进行理论分析 并希望建立合理的数学模型 直接计算压边力 实际上 由于影响压边力的因素很多 通过数学公式得到复杂形状板料成形的准确 压边力公式是不现实的 而模糊控制技术一般不需要确切的数学模型 这 正好为解决板料成形过程中压边力控制提供了一个强有力的工具 其控制 原理为 根据b h f 优化控制曲线 对板料法兰凸缘部分的微小起皱情况 进行自动跟踪 采用适当的机构进行纠偏 模糊控制框图如图2 7 所示 1 6 图2 7 模糊控制框图 国内外已有部分学者在这一领域进行了有益的探索 如k m a n a b l e 等人提 出了一种新的集成方法来确定轴对称深冲过程中最优b h f 路径 7 为了适应工业化的要求 h i r o s h k o y a m a t 2 9 1 等人在圆筒件的拉深成形 中引入模糊控制理论 用由四种类型参数 冲击力 压边力设置 凸缘末 端位置记载 理想曲线 组成的数据库设置压边力来改善极限拉深速度 l d r 可以把l d r 提高2 4 同样 k e n i c h im a n a b e 3 0 也提出一种基于模 糊理念的新的控制方法 即把冲击速度和压边力通过一个交替转换模块联 合控制 在确定的每一个控制循环中 有限元模拟提供当前变量值给模糊 控制器 输出交化的s p d 和b h f 从而确定成形过程中能最好改善s p d 的最佳压边力 事实证明 这种把s p d 和b h f 结合起来模糊控制的方法 能把冲压生产力提高2 5 国内方面 上海交通大学汪锐 3 1 1 等应用模糊神经网络专家系统实现了 冲压成形过程中压边力的智能化控制 通过大量的物理模拟试验和计算机 仿真 并用带凸缘的圆筒件拉深成形进行了试验与分析 得到了压边力控 制曲线 如图2 8 所示 1 4 山东大学硕士学位论文 h r a m t a r a a d r t 3 2 2 b d r i 7 8 3 图2 8压边力控制曲线图 由于将模糊控制理论用于压边力的闭环控制的研究才刚刚起步 且模 糊控制规则获取还依赖于大量试验和经验 压边力控制精度还有待进一步 提高 以上各种压边力的优化方法 反映人们对压边力研究的不断深入 随 着计算机速度的不断提高和智能控制技术不断完善 压边力的优化技术研 究有了坚实的物质基础 最佳压边力的获得将更加快捷和准确 这项技术 将在控制冲压件质量中发挥越来越大的作用 山东大学硕士学位论文 引言 第三章恒压边力对圆锥形零件拉深成形的影响 本章的目的是运用非线性有限元理论和钣金成形非线性有限元分析软 件d y n a f o r m 对圆锥形零件的加工方法一拉深成形过程进行动态模拟 通过计算 可以观察板料在披深成形过程中的变形状态 应力应变分布和 壁厚变化 预知可能在何处出现起皱 变薄和开裂等现象 并通过修改必 要的参数来防止上述现象的出现 最终获得动态模拟所需的部分工艺参数 例如压边力 模具圆角半径等 以保证实际生产的可靠性 这对指导生产 有重要的理论 现实意义 3 1d y n a f o r m p c 软件简介 e t a d y n a f 0 l m 是由美国e t a 公司开发的用于板料成形模拟的专用软 件包 不但具有良好的易用性 而且包括大量的智能化自动工具 可方便 地求解各类板成形问题 d y n a f o r m 可以预测成形过程中板料的破裂 起皱 减薄 划痕 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 d y n a f o r m 专门用于工艺及模具设计涉及的复杂板 成形问题 同时它还包括板成形分析所需的与c a d 软件的接口 前后处理 分析求解等所有功能 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 该软件由前处理器 p r e p r o c e s s o r 求解器 s o l v 神和后