基于CADCAE的拼焊板桶形件冲压成形工艺设计【0CAD图/21600字】【优秀机械毕业设计论文】

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关键词：: 基于 cadcae 拼焊板桶形件冲压成形工艺设计优秀优良机械毕业设计论文

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文档包括:
说明书一份,44页,21600字左右.
外文翻译一份.

机械毕业设计/论文

1 绪论 1
1.1 选题背景 1
1.2 拼焊板冲压成形研究现状 3
1.3 主要研究目标及内容 4
1.4 论文的组织结构 5
2 拼焊板冲压成形工艺理论分析 6
2.1 拼焊板成型理论 6
2.1.1 拼焊板单向拉伸时的应力、应变关系 6
2.1.2 拼焊板成形的变形特点 7
2.1.3 拼焊板桶形件拉深工艺 8
2.2 影响拼焊板冲压成形的主要因素 9
2.2.1 凸凹模圆角半径 10
2.2.2 压边圈 10
2.2.3 压边力 10
2.2.4 焊缝位置 11
2.2.5 板厚比 11
2.3 拼焊板圆桶形件冲压成形的常见缺陷 11
2.3.1 起皱与破裂 11
2.3.2 焊缝的移动 12
3 拼焊板桶形件有限元建模方法 14
3.1 CAE仿真软件的简介及选取 14
3.2 板料成形有限元数值模拟过程 15
3.2.1 仿真步骤 15
3.2.2 模具和毛坯的CAD建模 16
3.2.3 前处理工作 19
3.2.4 后处理工作 20
4 基于数值模拟的拼焊板桶形件成型仿真及分析 23
4.1 仿真建模 23
4.1.1 凹模、凸模、压边圈以及板料的CAD建模 23
4.1.2 CAD文件保存 24
4.1.3 模型导入 24
4.1.4 网格划分 24
4.1.5 焊接 25
4.1.6 网格检查/网格修补 25
4.1.7 调整位置 25
4.1.8 定义材料和板厚 26
4.1.9 定义凸模运动和压力 26
4.1.10 计算 26
4.1.11 后处理 26
4.2 压边圈对拼焊板桶形件成形影响分析 27
4.3 压边力大小对拼焊板桶形件成形影响分析 27
4.4 凸模行程对拼焊板桶形件成形影响分析 30
4.5 板厚比对拼焊板桶形件成形影响分析 31
4.6 焊缝位置对拼焊板桶形件成形影响分析 33
4.7 凹模圆角半径对拼焊板桶形件成形影响分析 34
4.8 方案分析及总结 35
结束语 38
致谢 40
参考文献 41

内容简介：: 57 1 I . H. K. . * *92*14 1, *930, of a an to of a in In to is of is by on on of in in an to is an by of l. is a on a an 2. to be a as as on or of a be it is to a an In be In as 1 ( a of as 1 A on 9/$1999 572 He to of in be of an of is to on in of to an of a F A ur 1 (of of an by a an to a of a is to of an In it by in as an is to an of on It be is a is a to to of a an is of of In a of as as of by F O n is as a of In is by at at it is to HF to HF HF is to So is HF in in to of an a In as I 2 A of 73 B at 3 of he be by p , y p is be by I$ is by A p $ is r is is to at is of In p, a of y r is to A x is as of to of in is of of be of is =- Ro is s is of to of of so to be In be is of be by HF is by of HF is be by a of f :r of 4 of in f 5 of 74 , Q , ) I I (I t A A 6 A of of a to is of of at of is a HF is a HF to as 4. as in in to y. In of is of as qb 5 to of on of of & fa by in in p. of of an in 4. of of so be of be to to of to on HF in is is it is be in of of of as 7. of of is 575 R 7 of 17 264 398 mm/kN , I 2 18 mm 4 33 3 ie d / 82of in . is of HF 3. of by a by an 301 I 1 I I I I I I I I I I I I I 1, I I I I I I I I I I I I I I I I I I I 1 I I I I I I I I I - b I I I 100% j I 36.5 z Y 20 5 m 5 m 0 1,; j i at HF j 4 U 0 I I i I I I i I I I I i I I I I i T I I I i I I I I i I I I I : 1111 0 .8 9 of HF 8 HF 76 he in is to of HF In HF of as to of to HF in he HF on of of as by a HF at a HF is in a to by In HF is of HF to it to to a of HF be to it in to On to HF be HF by a HF by a HF 2 is HF HF as as of to As a an as . At is is to HF 8, to a of . A of an a a is A on is to 2. of is of HF . 1995. 41 2. 1998. J. 802 13. K. K. . 1993. 1993 654. S. K. M. H. 1997. J. 35 ( 46 南京理工大学泰州科技学院毕业设计 (论文 )外文资料翻译系部：机械工程系专业：机械工程及自动化姓名：夏正恭学号： 0501510142 外文出处： 159(2005)， 418425 附件：指导教师评语：该英文翻译经过多次修改后语句尚通顺，语义基本正确，尚能正确表达原文的内容。这反映了该生通过本英文翻译初步掌握了科技文献的阅读方法和常用专业词汇的翻译方法，但仍需加强学习。签名： 2009 年 3 月 18 日附件 1：外文资料翻译译文拉深过程控制智能设计体系结构摘要本文提出一种基于数据库的智能金属板料成形系统设计体系结构设想使过程控制系统的设计无需熟练和有经验的板料成形方面专家的帮助。在这项研究中，所提出体系结构已被用于杯形件拉深的变压边力（控制技术中。该系统可用于三个目标函数，它们是典型的工艺要求：杯形件壁均匀性、杯形件的高度改善和节省能源。该设计体系结构的可行性已通过铝合金板实验证实。引言一些金属成型过程控制优化的研究正向智能化道路发展。对于板料冲压操作，智能拉深技术已发展到目前的状态。一种是通过带模糊推理变压边力控制的用于杯形件拉深自适应控制方法 1。另一种是涉及材料和摩擦力识别过程的人工神经网络（基于塑性变形的模型的控制方法 2。尽管它们有很大的优点，但每个控制系统都需要大量的时间和工时用于设计和开发过程 ,。除了上面所述，设计工程师必须成为像熟练且有经验的板料成形工程师一样的知识专家，否则，技工的帮助将是必不可少的。因此，有必要建立一个新的过程设计体系结构设想省却对专家的需要。一般来说，成型单元和系统在工艺设计和过程控制中必须得到有效的设计，在以前的系统中，如图 1 所示（左），专家作为核心发挥了许多作用。图 1 板料成型过程不同设计阶段的新型智能方法他还获取所需的经验并向没有经验的工程师传授知识。近些年来这方面的专家经验过程方案过程控制信息过程方案过程控制的数量在逐渐减少，因此，在未来的系统中，过程的调节必须能无需专家帮助自动优化。本研究的目的是在工艺规划和控制设计的设计阶段摆脱对工程专家的依赖，开发一种无需专家帮助的用于拉深过程控制的智能设计体系结构。一种新的智能工艺设计及其系统体系结构简图图 1 （右）所示设想涉及代替专家人脑功能的处理器，它包含一个分析器、数据库和知识库。该处理器可以按照数据库和知识库中一套合适的规则和算法进行设计和控制，存储类似于专家的经验来至成型单元过程的传感信息。换句话说，它可以以类似于专家获取经验一样的方法成长。因此，所提出系统能够自动优化过程，运行无需专家帮助。图 2 显示了基于上述设想的体系结构简图。它广义上可分为两个部分。一部分是一个处理器和另外一部分是成型单元和系统。成型单元有一些传感器向控制处理器提供过程信息，还有通过执行单元来自处理器的命令。该处理器由一个数据库，知识库和一个分析器（商业化控制设计支持工具：组成。该数据库和知识库包含在不同条件下的工艺信息和各自的工艺设计的方法。该处理器不仅能用数据库和知识库设计工艺，而且还能识别工件材料特性，使用来自传感器的传感信息控制执行单元。此外，利用数据库和知识库，系统能够处理不同的工件以及工件材料的变化、加工条件和润滑条件。该体系结构在拉深过程中的应用在这项研究中 ,杯形件的拉深问题被选取为一个基本且重要的金属板料成形过程的实例。在拉深过程中，成形极限主要是由凸模台阶处的断裂和法兰处的起皱决定。尽管为避免起皱有必要施加压边力，但过大的压边力会导致断裂。因此，完成冲压过程成功需要合适大小的压边力。所以，为验证该体系结构的可行性，新的设计体系结构被用于拉深过程中压边力的自适应控制。图 3 显示基于数据库的智能金属成型过程设计系统的体系结构。在该系统中，采用模糊推理作为一种过程控制设计的人工智能工具。图 2 基于数据库的智能金属板料成形系统设想图 3 智能金属成型拉深过程设计系统体系结构评价函数不应受板料的材料、加工条件、环境条件和其他因素影响。出于这个原因，使用从冲压行程曲线获取的评价函数和和从最大明显板料厚度曲线获取的评价函数和。评价函数是假设均匀壁厚下获取的实际冲压行程曲线和理想的曲线的几何差值曲线。是对板厚减薄率的微分。综合使用和可用于破裂预测。评价函数是压边圈位移，它等于法兰边缘的板厚，用来代替壁厚分布。和一样，综合使用和可用来评估起皱的情况。约束函数定义为冲压负荷曲线的微分用来评估冲压的进展。在这项研究中的数据库是由四种过程变量组成：冲压冲程，冲压负荷，表面最传感器激励工作单元大厚度和板料减薄率。是从法兰边缘的位移位置得出的。而是最初的板料半径和 S 是法兰边缘的位移值，这些过程数据用于设计相应的隶属函数集的评价函数，因此他们必须在各种材料和工艺条件（材料特性，加工条件，润滑条件，周围条件）下积累。本文提出的体系结构中，可设计三个目标函数。首先是在破裂极限下施加最大压边力获得的杯形件的高度改进。二是在起皱极限下施加最小压边力获得的过程能源节约。三是结合上述两个目标函数的均匀壁厚控制方案。表 1则图 4 数据库中过程信息的需求图 5 输入隶属函数集图 6 输出隶属函数集模糊模型模糊模型的应用提供了一个既合适又简单的方式来优化控制过程，因为拉深过程不仅不稳定而且复杂，同时也有非线性形成的特点。这一系列的隶属函数通过数据库用于前期的规则。该数据库必须至少包含两种固定不同情况的变压边力。一个是高的变压边力条件造成断裂，另一个是如图 4所示低的变压边力条件导致起皱。相对于两相关的隶属函数在先前部分的数据处理过程中提到过，后者的数据创建两个隶属函数的关系为。如上所述，在本研究中，只有两套隶属函数关注和，因为目标隶属函数是提高杯形件的高度。图 5中两个最大的测试值和应符合断裂情况。因此，每个测试值是在数据库结构限制条件下最大的测试值所决定的。与此同时，和取代存储在数据库中最类似的最低值和。如图 6 所示用于 1则输出的一套隶属函数。这部分是有经验的专家借助先前的工作中试错所决定的。因此，这种新的简化的隶属函数集的不需要有任何经验，设计者和机器操作员不一定需要技能和经验。图 6 中，隶属函数最初范围可以自动通过这一系统被设定。由于依赖于成形单元的使用，所以它们仅仅提供系统输出值（压力差）的放大系数，为 1 给出用于压边力控制的则。如图 7 所示为用于这项研究的模糊压边推理力。虽然极大值是最常见的推理方法，但是当使用极小处理器时，较大的隶属函数却被忽略掉。然而，考虑双方的隶属函数都是合乎需要的。因此，在这项工作中，像图 7 所示那样，隶属函数功能范围可以用在极小处理器中。结合运用极大处理器和范围的输出是各个模糊理论原则的输出。图 7 变压边力模型的模糊推理表 2 材料特性屈服力压紧力F 值延伸率 N 值 R 值 117 264 398 3 实验条件冲压速度连续 5mm/ 边力恒 50 滑润滑油（ 218 厘斯） 4 加工条件冲头圆角半径 4 冲头直径 33 模具圆角半径 3 模具直径验使用的实验材料和实验条件铝合金金属薄板（的厚度米模板被用于拉深实验。该材料性能列于表 2 。拉深绘图系统能用于电脑控制的压边力和高速冲压过程中 3 。该系统具有几个感应器：冲压冲程，冲压负荷，压边力，法兰的径向拉深的位移是由位移传感器所决定的，坯件支架位移由涡流位移传感器所决定的。表 3 和表 4 分别表明，实验条件和工件条件。图 8 冲压力和压边力控制曲线图 9 在变压边力和恒压边力作用下杯形件高度比较实验步骤持续的压边力拉深试验设计过程第一步，是在恒定的压边力实验结果中建立数据库。在目前的体系结构中，结构的信息处理和压边力限制条件是非常重要的。但是，由于这项研究处理的改善杯形件的高度作为目标隶属函数来验证设计系统体系结构的有效性，相对于压边力结构的限制条件，信息处理在数据库中是具有选择性和储存性的。压边力拉深试验的模糊变量控制压边力拉深试验变量与模糊控制，是在上述的目标隶属函数的基础上建立的。详细的程序如下：首先，在恒定压边力实验中利用数据库生成；其次，在将最初的压边力，坯件的几何形状和冲压速度输入处理器，然后控制在一个恒定的速度范围。压边力自动化通过模糊规则对目标隶属函数进行一个闭环循环。在这项研究中的最初的压边力值设置为最高的杯形件目标隶属函数而言，处理器基本上控制压边力增加到最大值，从而可能获得最高的杯形件的拉深。隶属函数估算值指示出较大可能性的破裂，压边力可以预防控制破裂的产生。相反，当隶属函数预测值足够大则允许破裂的产生，压边力可以适量增加。结果和讨论图 8 所示为用新的带数据库的设计体系结构得到一个变量的压边力控制系统的冲压载荷和压边力实验曲线数 .。从塑性变形模型中 2，还得到了断裂极限的压边力曲线。如图 9 所示，由于改善杯形件高度，可变压边力目标隶属函数增加的压边力可能受避免破裂而限制，实验结果表明仍然是不够的。在下一阶段，应反馈在变压边力条件下的过程信息来优化模糊原则，如图 8 所示。这样的方法将优化控制过程。结论能设计系统的数据库代替知识专家的这一新设想提出用于金属板料成型。基于该体系结构所提出的设想被开发和应用于杯形件的拉深成型过程。 2. 所提出设想及体系的正确性已通过实现模糊控制变压边力拉深成型过程体系结构的证实。本科毕业设计说明书（论文）第 I 页共页目录 1 绪论 . 1 选题背景 . 1 拼焊板冲压成形研究现状 . 3 主要研究目标及内容 . 4 论文的组织结构 . 5 2 拼焊板冲压成形工艺理论分析 . 6 拼焊板成型理论 . 6 拼焊板单向拉伸时的应力、应变关系 . 6 拼焊板成形的变形特点 . 7 拼焊板桶形件拉深工艺 . 8 影响拼焊板冲压成形的主要因素 . 9 凸凹模圆角半径 . 10 压边圈 . 10 压边力 . 10 焊缝位置 . 11 板厚比 . 11 拼焊板圆桶形件冲压成形的常见缺陷 . 11 起皱与破裂 . 11 焊缝的移动 . 12 3 拼焊板桶形件有限元建模方法 . 14 . 14 板料成形有限元数值模拟过程 . 15 真步骤 . 15 模具和毛坯的 . 16 前处理工作 . 19 后处理工作 . 20 4 基于数值模拟的拼焊板桶形件成型仿真及分析 . 23 仿真建模 . 23 凹模、凸模、压边圈以及板料的模 . 23 . 24 模型导入 . 24 网格划分 . 24 本科毕业设计说明书（论文）第共页焊接 . 25 网格检查 /网格修补 . 25 调整位置 . 25 定义材料和板厚 . 26 定义凸模运动和压力 . 26 计算 . 26 后处理 . 26 压边圈对拼焊板桶形件成形影响分析 . 27 压边力大小对拼焊板桶形件成形影响分析 . 27 凸模行程对拼焊板桶形件成形影响分析 . 30 板厚比对拼焊板桶形件成形影响分析 . 31 焊缝位置对拼焊板桶形件成形影响分析 . 33 凹模圆角半径对拼焊板桶形件成形影响分析 . 34 方案分析及总结 . 35 结束语 . 38 致谢 . 40 参考文献 . 41 本科毕业设计说明书（论文）第 1 页共 42 页 1 绪论选题背景自从国际钢铁协会提出超轻量钢制车身的规划以来，国外工业发达国家均加大了对车身轻量化技术的研发力度和推广应用新技术的速度 1。在实现车身轻量化的先进制造技术中，激光拼焊板的研发与应用，成为汽车界和冲压界研究的热点。中国的激光拼焊板技术应用起步较晚，直到 2002 年 10 月 25 日，我国第一条激光拼焊板专业化商业生产线才在武汉正式投入运行。目前，国内激光拼焊板需求量迅速上升，国产高品质车型，如：帕萨特、别克、奥迪、雅阁等都开始采用激光拼焊板。基于这种情况，宝钢集团在 2004年 11月和 12月相继在上海和长春成立了激光拼焊板生产公司。冷轧钢板激光拼焊技术主要应用在汽车门内板、底板、立柱等不等厚钢板的拼焊中，通过将不同或相同厚度、强度、材质的冷轧钢板切成合适的尺寸用，成为汽车界和冲压界研究的热点。完善拼焊板的制造工艺、开发高效自动化拼焊钢板生产线、研究拼焊板的冲压成形性能与成形极限、针对汽车车身典型覆盖件对采用拼焊板时的成形工艺进行研究等成为当今汽车界的热门课题。拼焊板是将几块不同材质、不同厚度、不同涂镀层的钢材用激光把边部对焊，焊接成一块整体板，以满足零部件对材料性能的不同要求。经过冲压等工序后成为汽车的部件 2。激光拼焊是汽车生产的先进技术，于 1985年正式应用，已在欧、美、日各大汽车厂和形状，然后用激光焊接成一个理想的整体（即拼焊板）。汽车企业用这种拼焊板冲压成特定的零件。激光拼焊板是目前汽车车身设计中被广泛应用的新技术，它可将经不同表面处理、不同用激光焊的方法，自由组合使之成为一个毛坯件。轿车零部件采用激光拼焊板可以减少零件数量，减轻构件重量，为生产宽体车提供可能。激光焊接几乎可以不受限制地把厚度、牌号、等级、镀层等不同的钢板连结在一起，制成各种形状的零件，大大提高了汽车设计的灵活性，不仅大大减少了模具数量，还增加了材料利用率，也使车身结构大大简化 3。激光拼焊板已广泛应用于汽车制造业，采用激光拼焊板工艺不仅能够降低整车的制造成本、物流成本、整车重量、装配公差、油耗和废品率，而且可以减少外围加强件数量，简化装配步骤，同时使车辆的碰撞能力、冲压成型率和抗腐能力提高。此外，本科毕业设计说明书（论文）第 2 页共 42 页由于避免使用密封胶，也使其更具有环保性。激光焊技术的应用可使产品质量和生产率提高、制造成本降低，这项技术的应用对推动汽车工业的技术进步具有重要意义。具体表现在：（ 1）零件数量的减少，以及随之而来的生产设备和制造工艺简化，大大提高了生产效率，降低整车制造及装配成本；（ 2）由于产品的不同，零件在成形前即通过激光焊接工艺焊接在一起，因而提高了产品的精度，大大降低了零部件的制造及装配公差；通过部件的优化减轻了重量；（ 3）激光拼焊是把基板的边部对焊在一起，由于不再需要加强板，也没有搭接接缝，大大提高了装配件的抗腐蚀性能；通过消除搭接提高部件的耐腐蚀能力，大大减少了密封措施的使用；（ 4）通过对材料厚度以及质量的严格筛选，在材料强度和抗冲击性方面给零部件带来本质的飞跃，同时改良了结构，在撞击过程中，可以控制更多的能量得到吸收，从而改良车身部件的抗击冲撞能力，提高车身的被动安全性；（ 5）实现对材料性能的最充分的利用，达到最合理的材料性能组合；（ 6）材料厚度的可变性以及其可靠的质量，保证了在对某些重要位置的强化改进可以顺利进行；（ 7）对产品的设计者而言增加了产品设计的灵活性。一个零件，如果某个部分需要提高强度，则这部分的厚度也要增加，在设计时只需在某个部分提高强度和厚度而不需要在整个零件都增加强度和厚度。目前，拼焊板在汽车发达国家已经被成功应用于内覆盖件、外覆盖件和骨架件等车身零件的冲压生产中，如图 4。图拼焊板在车身覆盖件上的应用举例然而，由于拼焊板相对于普通光板具有焊缝、板厚不等、材料性能不同等特点，给拼焊板冲压成形带来了一些缺陷，如焊缝的不均匀移动、起皱、破裂、回弹等。本科毕业设计说明书（论文）第 3 页共 42 页本课题即针对拼焊板的冲压成形的常见缺陷和问题，以简单的轴对称零件桶形零件为研究对象，首先通过文献查阅分析确定影响拼焊板冲压成形主要变化因素：压边圈、压边力、凸模行程、板厚比、焊缝位置及凹模圆角半径，继而运用形件进行简单的有限元仿真分析，找出这些因素对拼焊板桶形件冲压成形的影响；通过调整各种参数比较得到优化的方案，为实际应用时冲出合格产品做参考。拼焊板冲压成形研究现状目前国内外对拼焊板冲压成形的研究主要集中在对冲压成形的研究、对焊缝移动规律及控制的研究及对压边力的研究三个方面：（ 1）对冲压成形的研究拼焊板的成形性能是指拼焊板对于成形的适应能力，简称成形性能。成形性能可分为狭义的成形性能和广义的成形性能。狭义的成形性能指拼焊板在冲压成形过程中抵抗破裂的能力。广义的成形性能是综合考虑金属包办在冲压成形过程中不产生板面缺陷以及获得制件形状和尺寸精度时的成形性能 5。研究拼焊板成形性能的方法有：拉伸试验、杯突试验及成形极限图试验等。大量的研究已经表明，与单一钢板材相比，拼焊板的屈服强度和抗拉强度增加，硬化指数和延伸率减小，从而使得冲压成形性能降低。与钢不同，铝拼焊板与传统的单一板相比，由于焊缝和热影响区的软化现象，拼焊板的力学性能发生显著的变化，与基体金属相比，屈服强度稍高 ,抗拉强度和伸长率较低，应变硬化指数和强度系数均有下降。（ 2）对焊缝移动规律及控制的研究大量实践表明焊缝的存在对拼焊板的成形性能产生极大的影响：焊缝的移动不仅会影响拼焊板零件的成形质量，甚至会导致零件报废。焊缝使拼焊板的屈服强度提高，应变硬化指数且焊缝使模拟成形性能的扩孔率、杯突值和成形极限显著降低。目前控制焊缝移动的方法主要有： (a) 合理布置焊缝的位置； (b) 使用分块压边圈或阶梯压边圈； (c) 变压边力控制法，在薄厚两侧采用不同的压边力； (d) 拉延筋法； (e) 焊缝约束法。本文针对冲压生产和桶形零件的特点，使用阶梯压边圈对焊缝在不同位置时对拼本科毕业设计说明书（论文）第 4 页共 42 页焊板桶形件的成形性能进行仿真分析，为今后拼焊板的不规则焊缝控制研究打下基础。（ 3）对压边力的研究在冲压成形过程中，压边力是主要是用来增加材料中的拉应力，控制材料流动的，是影响冲压件成形质量的重要工艺参数。压边力的主要作用表现在：（ a）通过对板料施加法向压力合切向摩擦力来控制板料的流动，使材料产生充分的塑性变形，提高零件的刚度；（ b）防止和减小法兰部分的起皱。一般来说压边力过小，无法有效地控制材料的流动，板料容易出现起皱缺陷；压边力过大，虽然可以避免起皱，但拉裂的趋势会明显的增加，同时，模具和板料液容易产生表面划伤，影响模具寿命。因此，为了使板料在拉伸成形过程中始终保持稳定状态，就需要施加一个大小适当的压边力。主要研究目标及内容拼焊板桶形件由于属于轴对称件，是研究复杂几何形状件的冲压成形工艺的基础。本课题首先选取了简单的轴对称件拼焊板桶形件作为研究起点，针对智能数控冲压机床对压边力控制的要求，借助段通过改变压边力大小、凸模行程、板厚比、焊缝位置、凹模圆角半径进行板料的成形性能的有限元分析仿真，探讨拼焊板桶件冲压成形工艺。本课题研究内容及研究问题归纳如下：（ 1）研究拼焊板桶形件拉深成形的特点和成形机理，并确定分析模型；（ 2）分析拼焊板桶形件拉深过程中所产生的缺陷，确定影响成形质量的因素并对其进行基本阐述；（ 3）介绍板料成形的有限元数值模拟基本理论及定研究拼焊板桶形件成形工艺的具体仿真实验方案；（ 4）根据拼焊板桶形件的成形机理确定仿真实验模具和板料参数，使用进行模，运用立冲压模具、压边圈、板料的有限元模型，选定合适的试验参数。本论文将对仿真模型进行以下分析 : （ a）通过仿真分析在普通压边圈与阶梯压边圈中确定选择压边圈；（ b）拉深过程施加不同的压边力，找出压边力对成形质量的影响特点，从而确定合适的压边力大小；本科毕业设计说明书（论文）第 5 页共 42 页（ c）调整凸模行程，分析凸模行程对成形质量的影响；（ d）分析不同板厚比对拼焊板桶形件的影响；（ e）分析不同焊缝位置对拼焊板桶形件的影响。（ 5）通过以上模拟分析，找出成形性好（无缺陷）同成形高度、材料参数和成形几何参数等成形参数的关系，然后进一步优化拼焊板桶形件冲压成形工艺。为实际生产节省大量的费用和时间，也为拉深工艺设计及模具设计提供重要的参考依据。论文的组织结构本论文各章节的内容安排如下：第 1章简要介绍本课题研究的背景和意义，阐述了国内拼焊板冲压成形相关技术的研究现状，确立课题的研究内容和目标，组织了论文的结构安排。第 2章介绍拼焊板冲压成形的工艺理论分析，成型特点以及冲压成形影响因素和这些因素将导致的缺陷。第 3 章在建立拼焊板冲压模具及板料的有限元模型，并阐述了板料成形有限元数值模拟过程。第 4 章利用影响拼焊板冲压成形的关键因素压边圈、压边力、凸模行程、板厚比、焊缝位置及凹模圆角半径进行模拟分析，总结出这些因素对成形的影响过程和确定较优方案，为拼焊板冲压成形工艺参数的选择提供可靠依据。第 5章总结所做的工作。本科毕业设计说明书（论文）第 6 页共 42 页 2 拼焊板冲压成形工艺理论分析在冲压生产中，拉深件种类很多，形状各异，虽然它们的冲压过程都叫拉深，但其变形区的位置、变形性质，应力应变状态及其分布等各不相同，所以工艺参数、工序数目与顺序的确定方法及模具设计原则与方法都不一样，按变形力学特点拉深件可分为桶形件（圆桶形件，带凸缘圆桶件，阶梯圆桶件）、曲面回转体零件（球形、抛物线形、锥形等）、盒形件（方形、矩形、椭圆形等）和不规则形状零件等四类。桶形件是拉深中最简单最典型的，因此本文选取拼焊板桶形件作为研究起点 6。拼焊板成型理论拼焊板单向拉伸时的应力、应变关系拼焊板单向拉伸时的受力分析如图示，图中 L 为拼焊板总长度， 1 和 2 分别代表薄侧和厚侧板材， 2分别为薄侧和厚侧板材所受的力。根据塑性力学分析可得： 11 1 1 1 1 1 K A （ 22 2 2 2 2 2 K A （ 1 1 2 2（ 121 1 1 2 2 2t K t （式中， 1、 2分别表示薄板厚板的应力； 1、 2分别为薄侧和厚侧板材的应变； 7。图焊板单向拉深时的受力分析如果拼焊板厚薄两侧使用相同型号的材料，则 2， n1=n2=n，式（以简化为：本科毕业设计说明书（论文）第 7 页共 42 页 1122e x p ( tc t （式中， c=1/n。由式 (以知道，差厚拼焊板在受到单向拉伸作用力时，薄厚两侧板材所受的应力比与板厚比成反比。随着板厚比的增大，薄厚两侧板材应力比随之增大，这样会导致应力分布不均匀，且大应力集中在薄侧板材，造成应力集中。式 (明薄厚两侧的应变比与板厚比相关联，随着板厚比 t2/2/相应增大，即薄厚两侧板材承受的应变差别变大。由上分析可知，差厚拼焊板厚薄两侧板材应力、应变的差异影响拼焊板的成形性能，增加了薄侧板材破裂的危险。拼焊板成形的变形特点拼焊板的变形特点，主要涉及到两个方面的问题失效形式和变形程度。国内外学者通过拉伸成形、伸长类翻边成形、半球成形等一系列试验得到如下结论： (1) 对于等厚度等强度的材料，失效总是发生在焊缝界面，裂纹总是垂直于主应变方向。这与焊缝的延伸性下降有密切关系，而且已有研究证实，相同厚度和强度的激光拼焊板与普通光板相比，当主应变方向平行于焊缝时，最大成形高度下降了 30%。而当主应变方向与焊缝垂直时，最大成形高度下降了 10%8。 (2) 对于不同厚度或不同强度的拼焊板来说，主应变方向平行于焊缝时，裂纹发生在焊缝。主应变方向垂直焊缝时，裂纹发生在弱板一侧，如图图不同厚度的拼焊板失效形式 (3) 最大成形高度与板料材质、焊接工艺、厚度或强度比、焊缝位置有关。相同强度不同厚度的拼焊板与母板相比，极限拱顶高下边成形性等与强度比或厚度比之间有密切的关系，随着其比值的增大而降低，并且当这个比值超过极限值时，较厚或强度较高一侧板材将不发生变形 9。 (4) 对于激光拼焊板来说，因为焊缝热影响区的软化，其失效的发生与焊缝位置本科毕业设计说明书（论文）第 8 页共 42 页和厚度比有关。 (5) 对于不同板厚或强度组成的拼焊板，冲压成形时焊缝会产生移动，而拼焊板的失效直接与焊缝移动有关。焊缝移动主要取决于边界条件（如压边力、板料轮廓形状、焊缝位置等），也与焊缝两侧材料的厚度比及强度比密切相关，而与焊接方式和焊缝宽度关系不大。拼焊板桶形件拉深工艺圆形拼焊板毛坯在拉深凸、凹模的作用下，逐渐压成开口圆桶形件。其拉深原理图径为 L 的板料在冲击力 P、压边力 Q、圆角半径为的凹模的共同作用下，被拉入模腔而压制成形的，图中 10。图拉深原理图拉深过程中，毛坏各部分的应力应变状态是不一样的，由于变形区内的应力、应变状态决定了筒形件成形的变形性质，因此应着重研究变形区的应力、应变状态 11。设在拉深过程中的某一时刻毛坯已处于图时所形成的五个区域的应力应变状态是不同的。图毛坯拉深过程中毛坯的应力应变状态本科毕业设计说明书（论文）第 9 页共 42 页（ 1）凸缘变形区 (主要变形区 )：材料在径向拉应力 1和切向压应力 3的作用下，产生径向伸长和切向压缩变形，在厚度方向，压边圈对材料施加压应力 2，其 2 的值远小于 1和 3，所以料厚稍有增加，如果不压料，料厚增加相对大一些。（ 2）凸缘圆角部分 (过渡区 )：位于凹模圆角处的材料。变形比较复杂，除有与平面凸缘部分相同的特点外，还由于承受凹模圆角的压力和弯曲作用而产生压应力 2。（ 3）筒壁部分 (传力区 )：这部分材料已经变形完毕，此时不再发生大的变形。在继续拉深时，凸模的拉深力经由筒壁传递到凸缘部分，故它承受单向拉应力的作用，发生少量的纵向伸长和变形。（ 4）底部圆角部分 (过渡区 )：这部分材料一直承受筒壁传束的拉应力，并且受到凸模的压力和弯曲作用。在拉、压应力综合作用下，使这部分材料变薄严重。最容易产生裂纹，故此处称为危险断面。（ 5）筒底部分：这部分材料基本上不变形，但由于作用于底部圆角部分的拉深力，使材料承受双向拉应力，厚度略有变薄 12。综上所述，拉深时的应力、应变是复杂的，又是时刻在变化的，拉深件的壁厚是不均匀的。因此拉深件凸缘区在切向压应力作用力将要引起“起皱”和桶壁传力区上危险断面的“ 破裂 ”，所以桶形件拉深中的主要破坏失稳形式是起皱和破裂。与普通桶形件成型过程相比，拼焊板桶形件的应变特点如下：（ 1）拼焊板桶形件拉深时，由于金属向直边流动及板料存在厚度差等，使得径向应力在拼焊板薄厚两侧的分布是不均匀的，拉应力在薄板底部圆角中间处最大，厚板桶壁中间处最小，使得拼焊板薄板底部圆角处更易产生应力集中现象而破裂。（ 2）拼焊板桶形件的最大拉应力和最大压应力均出现在薄板凸缘圆角处。因而破裂、起皱等现象也多在薄板凸缘圆角处发生，次之是厚板凸缘圆角处。（ 3）在拼焊板桶形件的底部主要受拉应力，且薄侧的拉应力大于厚侧，所以，薄侧材料的流动要比厚侧大，从而产生焊缝移动。由此可知，拼焊板的桶形件成型时由于拼焊板自身特点所造成了拉应力与压应力的受力不均匀。从而更易导致起皱与破裂的产生。焊缝移动问题也随之而来。影响拼焊板冲压成形的主要因素影响拼焊板冲压成形的因素主要有：凸凹模圆角半径、压边圈、压边力、焊缝位置及板厚比。本科毕业设计说明书（论文）第 10 页共 42 页凸凹模圆角半径一般来说，模具圆角半径取值太小，直接影响零件的成形质量，较大的模具圆角半径有利于增大成形的安全区域。圆角半径的大小影响板料通过圆角时的张力，圆角半径越小板料的张力越大，板料的变形越大。圆角半径增大，板料弯曲半径增大，回弹角随之增大。因此，圆角半径太大，板料会产生明显的回弹而影响零件的加工精度；圆角半径太小，板料变形过程中材料流动困难，导致零件过早破裂 13。其中凹模圆角半径较凸模圆角半径来说对板料的影响更大 14，不同的凹模圆角半径会导致板料流入凹模的速度不同，凹模圆角半径越大，板料越容易流入模腔，易于板料成形；反之，凹模圆角半径越小，板料成形阻力大，板料容易破裂。凹模圆角半径对拼焊板冲压成形的影响较普通光板要大，不但不同的凹模圆角半径会导致拼焊板板料流入凹模模腔的速度不同，而且，在同一凹模圆角半径的情况下，拼焊板厚侧与薄侧板料流入凹模的速度也不相同，从而导致板料流入速度较快的一侧先发生破裂，同时产生明显的焊缝移动，最终导致拼焊板的成形质量下降，甚至报废。凹模截面尺寸对于拉深成形也有较大的影响，如果凹模截面尺寸过小，材料不易流入模腔，容易产生起皱现象。压边圈在拼焊板桶形件的成形过程，不同压边圈对拼焊板桶形件成形性能的影响较大。压边圈与板料接触在冲压过程中影响薄侧板料获得的压边力，在拉深过程中薄侧的材料若没有获得一致的压边力，将在流入过程中不被压紧，导致材料压应变过大而产生起皱 15。压边力在冲压成形过程中，压边力是主要是用来增加材料中的拉应力，控制材料流动的，是影响冲压件成形质量的重要工艺参数 16。合理的压边力可以在保证质量的前提下改善材料的成形极限。压边力是影响冲压件起皱、破裂和焊缝移动的主要因素，主要表现在：（ 1）通过对板料施加法向压力和切向摩擦力来控制板料的流动，使材料产生充分的塑性变形，提高零件的刚度；（ 2）防止和减小法兰部分的起皱。一般来说压边力过小，无法有效地控制材料的流动，板料容易出现起皱缺陷；压边力过大，虽然可以避免起皱，但破裂的趋势会明显的增加，同时，模具和板料液容易产生表面划伤，影响模具寿命 17。本科毕业设计说明书（论文）第 11 页共 42 页（ 3）在拼焊板厚薄两侧设置不同的压边力可以改变板材的流动阻力，从而使拼焊板的焊缝移动得以控制。焊缝位置在分析焊缝位置对成形的影响时，一般考虑薄侧板料和厚侧板料所占的比例，这就涉及到了焊缝位置，即焊缝位于拼焊板的具体位置。大量研究表明，拼焊板相对于普通光板来说成形要困难的多，这种成形困难主要反映在以焊缝为分界线的两侧材料变形的不均匀和不协调，材料变形的不均匀与不协调又主要反映在成形过程中及成形结束后焊缝的移动上。焊缝的移动不但影响成形零件的质量，而且还会导致成形难以进行 18。焊缝处在不同的位置的移动情况关系到成形能否顺利进行下去，研究表明焊缝处在不同位置焊缝的移动情况也是不一样的。所以，研究拼焊板焊缝处于不同位置时对拼焊板冲压成形带来的影响是十分必要的。板厚比拼焊板的显著特点之一就是用于拼焊的板料间存在着一定的厚度差，通常我们用板厚比（ t1/表示。由于板料各部份的成形抗力不同，导致板厚差对拼焊板的成形有着很大的影响，板厚比不同，拼焊板的冲压成形性能也会不同。，发现板厚比越大，拼焊板的成形性能越差；板厚比越小，成形极限水平越高，但拼焊板的成形极限低于其基板的成形极限，即拼焊板的成形能力低于基板的成形能力 19。这表明：拼焊板的板厚比对其成形能力产生很大的影响，板厚比越小，成形性能越高；板厚比越大，成形性能越差。拼焊板圆桶形件冲压成形的常见缺陷拼焊板圆桶形件冲压成形的常见缺陷除了通常的回弹等，主要是起皱、破裂及焊缝移动。起皱与破裂影响圆桶形件拉深过程顺利进行的两个主要障碍是凸缘起皱和桶壁的破裂。起皱主要是由于凸缘切向压应力超过了板材临界压应力所引起的，与压杆失稳类似（图凸缘起皱不仅取决于切向压应力的大小，而且取决于凸缘的相对厚度 20。拉深时产生破裂的原因，是桶壁总拉应力 F 增大，超过了桶壁最薄弱处（即桶壁的底部转角处）的材料强度时，拉深件产生破裂（图所以此处的承载能力的本科毕业设计说明书（论文）第 12 页共 42 页大小是决定拉深成形能否顺利进行的关键。图拉深时毛坯的起皱现象图拉深时毛坯的破裂由前面成形毛坯的应力、应变分析可知，圆桶形件拉深变形的特点是毛坯变形区在拉应力作用下产生伸长变形，在切向压应力作用下产生压缩变形，而在变形区上绝对值最大的主应力是压应力，因此拉深变形属于压缩类变形。压缩类变形的破坏形式主要是传力区（桶壁）受拉失稳破裂和变形区（凸缘）受压失稳起皱 21。所以提高圆桶形件拉深中的成形极限的措施是：（ 1）防止失稳起皱：如在拉深中采用压边装置，是常用的防皱措施。设计具有较高抗失稳能力的中间半成品形状，以及采用厚向异性指数 r 大的材料等，都有利于提高圆桶形件的成形极限。（ 2）防止传力区 (桶壁 )破裂：通常是在降低凸缘变形区变形抗力摩擦阻力时，同时提高传力区的承载能力即使传力区承载能力和变形区变形抗力的比值得到提高。采用屈强比低的材料，以实现“承载能力高，变形抗力低”易于成形的目的。通过建立不同的温度条件而改变传力区和变形区的强度性能的拉深方法，亦可提高拉深成形的极限变形程度 22。焊缝的移动拼焊板的焊缝的不均匀移动是拼焊板的成形的主要缺陷之一，过大的焊缝移动量不但会影响零件的质量和精度，甚至导致零件报废 23。这一点在差厚拼焊板的成形中显得尤为明显，如图起皱破裂本科毕业设计说明书（论文）第 13 页共 42 页图拼焊板成形过程中焊缝的移动研究表明，拼焊板成形相对于普通板料来说要困难的多，这种成形困难主要在成形过程中及成形结束后焊缝的移动上。焊缝移动的实质是板料的不均匀变形，即由拼焊板冲压成形过程中厚薄两侧应力、应变不均匀引起的。若以拼焊板薄侧母材变形后的长度1据变关系分析，由式（（以推导出拼焊板的焊缝移动量计算公式为： 11221 2 2 211e x p l n ( ) ( l n l n ) L l （式中：应变 L 初始总长度 K 母材强度系数 n 应变硬化指数 2L 厚侧材料初始长度 2l 厚侧材料变形后长度 1 薄侧侧母材 2 薄侧母材由式（以得出，焊缝移动量受母材材料强度系数比（21/厚度比（21/及初始焊缝位置（2L）等多重因素的影响。强度比、厚度比增大或2缝初始位置偏向厚侧母材）均会造成焊缝移动量增大。焊缝的移动不但影响成形零件的质量，而且还会导致成形难以进行。因此，在差厚拼焊板拉延过程中，必须对普通工艺进行适当的改变，以有效解决这些问题 24。考虑到各个方法的具体可操作性，本课题对于拼焊板桶形件拉深成形的数值模拟试验，决定采用阶梯式压边圈方法来防止起皱和开裂。使用压边力控制法来控制焊缝的移动。焊缝移动区域本科毕业设计说明书（论文）第 14 页共 42 页 3 拼焊板桶形件有限元建模方法本课题选用非线性有限元理论和板金成形非线性有限元分析软件拼焊板桶形件的加工方法拉深成形过程进行动态模拟。通过计算，可以观察板料在拉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。随着计算机技术的飞速发展和有限元技术的日趋成熟，基于真分析金属塑性成形过程中的变形规律在实际生产中得到了越来越广泛的应用 25。术的应用大大缩短了模具和新产品的开发周期，降低了成本，提高了企业的市场争力，从而推动现代制造业快速发展。目前，国内外应用较为广泛的板成形分析软件主要有以下几种。（ 1）由司开发的，它是一款采用静态隐式算法求解和全拉格朗日理论的弹塑性有限元分析软件，主要包括一步法模块、增量法模块、模具设计模块以及优化设计模块，其增量法求解模块可以精确的模拟板料冲压成形过程。（ 2）由北京航空航天大学与中国第一汽车集团公司合作开发的冲压成形模拟分析系统软件，由四个模块组成，网格剖分、前置处理、分析计算和后置处理，可以预测板料的起皱和破裂，确定毛坯形状与尺寸，进行回弹计算 26。（ 3）团公司于 1992 年正式推出的板成形分析软件，主要功能模块包括对模面与工艺补充面进行设计和优化的研究工件而进行快速评估的工具及验证成形工艺和冲压件质量的有的模块都集成在统一的操作环境中，模块间可以交互操作，并以完全一致的方式共享料。（ 4）由美国司联合开发的用于板成形模拟的专用软件包，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，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。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；本科毕业设计说明书（论文）第 15 页共 42 页计涉及的复杂板成形问题；件的接口、前后处理、分析求解等所有功能。本文选用形件的冲压成形进行仿真研究，因为其他几个比较流行的软件相比，无论在易操作性、前处理、后处理和模拟的准确性上都具有很大的优势，主要表现在以下几个方面 : （ a）具有强大的图形文件导入功能，能够方便而无数据丢失地读入 G、时用户也可以在、面等几何模型（ b）算稳定，效率高，模拟结果准确性很好。虽然是其材料库相对件的易操作性也较差。（ c）可以方便用户直观地得到求解结果。在户可以利用曲线图表功能来显示拉深过程中各种参数随间变化的曲线。板料成形有限元数值模拟过程真步骤对拼焊板冲压成形进行仿真，主要包括两个步骤：（ 1）建立拼焊板及冲压模具的，可以用可以用 3D 软件（如、）建立拼焊板与模具的曲面模型，再以一定的数据格式（如零件导入仿真软件。（ 2）在建立好的型的基础上建立有限元模型，进行有限元的前处理、有限元分析和仿真结果分析。在拼焊板成形过程有限元仿真的具体操作步骤如图本科毕业设计说明书（论文）第 16 页共 42 页用 P r o / E 建立拼焊板桶形板料及模具的几何模型以 I G E S 格式将零件模型导入 D Y N A F O R ，修剪模具模具有限元网格划分（毛坯除外）模具网格检查及修补划分毛坯网格 ( 如自适应网格划分 )定义材料属性，选择材料模型（低碳钢）建立焊缝模型（采用刚性连接）设置成形参数 ( 冲压速度、凸模行程，压边力 )定义成形工具（凹模、凸模、压边圈、板料）求解器仿真计算成形极限图（ F L D ）应力应变、厚度分析焊缝偏移设计结果是否满意后处理前处理不满意满意开始结束修改几何模型或成形参数图在模具和毛坯的模由于板料表面的厚度差、母材承载能力差异和焊缝及其热影响区的硬化作用，出现了拉延整板时会发生的新问题，主要表现在以下两方面：（ 1）由于板料厚度差的存在，在压边圈压边和凸凹模合模过程中，薄侧的材料本科毕业设计说明书（论文）第 17 页共 42 页将不能获得一致的压边力，在流入过程中不被压紧，材料压应变过大而产生起皱。（ 2）

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