汽车车轮轮辋模具设计及三维仿真

学士学位论文摘要模具行业的技术水平标志着一个国家制造业的整体实力，所以模具行业一直是各国政府重视的行业之一。随着计算机的发展，模具的设计和加工技术有了很大的进步。各种三维软件为模具的设计提供了，更为便利和广阔的平台。滚压模具作为其中之一，其加工回转体空心件的方法和工艺非常特别。滚压模具的凸模和凹模是通过电动机带动的滚轮，电动机带动这种凸模和凹模旋转，轮辋的形状就是通过滚型上下模对金属坯料施加压力迫使金属在上下模间产生塑性变形而成形的。本论文的工作是首先介绍了我国模具的发展现状以及与滚压模具的设计与发展有关的的情况。然后在熟练掌握冲压成型模具的设计原理的基础上，重点以汽车车轮轮辋为设计对象，对轮辋进行工艺分析，并基于 PRO/E进行三维造型，模具的设计，以及三维模架的设计。此外，还利用有限元分析软件 ANSYS 对其中的工艺过程进行了静力分析。关键词: 轮辋；模具设计；ANSYS 模拟分析I学士学位论文ABSTRA CTMold marks the skill level of the industry of a countrys overall strength ofthe manufacturing sector, so the industry has always been a die States that agovernment attaches great importance to one of the industry. With thecomputers development, mold design and processing technology have madegreat progress. A variety of three- dimensional software for mold design, givemore convenient and broad platform.Roll one die as one of the hollow rotary processing methods andtechnology of a very special one. Rolling punch die and die by the wheel drivemotor, motor drive that punch and die rotation, the shape of the rim through theupper and lower roller-type mode of metal billets to exert pressure on the metalmold in the upper and lower plastic deformation leads to and shape.In this paper, the work is first introduced the development of Chinas moldand die design and flow-development situation. And then stamping master molddesign principle based on the focus of a car wheel rim for the design of objects,on the rim for process analysis, and based on PRO / E three-dimensionalmodeling, mold design, as well as the design of three-dimensional mold. Inaddition, the use of finite element analysis software ANSYS process for which astatic analysis.Keywords: Rim; Mold design; ANSYS simulation analysisII学士学位论文目录摘要 .ABSTRACT 1 绪论.11.11.21.3模具的发展现状. 1模具的分类. 1设计内容及任务. 4.2 三维造型方法及软件介绍 52.12.2曲面造型法概述. 5曲面造型软件 Pro/Engineer 概述.9.3 轮辋工艺分析及模具结构设计 133.13.23.3三维建模过程. 13总体分析 总体设计思路. 16模具具体结构设计. 20.4 成型设备的选择4.1 设计冲压力与压力中心26初选压力机. 264.2 压力机的最终确定. 27.5 基于 ANSYS 的有限元静力分析 2965.1 有限元法和有限元模拟软件 ANSYS 简介.295.2 基于 ANSYS 的计算机辅助分析 .38设计总结. 48.致谢.49参考文献附录.50.51III学士学位论文1 绪论1.1 模具的发展现状模具是工业产品生产用的重要工艺装备，在现代工业生产中60%到 90% 的工业产品需要使用模具，模具工业已成为工业发展的基础，许多新产品的开发和研制在很大程度上都依赖于模具生产。作为制造业基础的机械行业，其粗加工的 75%和精加工的 50%都将依靠模具完成，因此，模具工业已经成为国民经济的重要基础工业。中国加入 WTO 以来，积极发展汽车工业，并保持连续增长势头，从而带动了模具工业市场的进一步繁荣。随着工业生产的不断发展，模具工业在国民经济中的地位将日益提高，并在国民经济发展过程中发挥越来越重要的作用。研究和发展模具技术，对于促进国民经济的发展具有特别重要的意义。1.2 模具的分类根据模具成型材料、工艺和设备的不同可以分为冲裁模、塑料模、压铸模、锻模、粉末冶金模、橡胶模、玻璃模、陶瓷模。根据模具的结构形式可以分为以下 5 种：（1）敞开模：结构简单，尺寸小、重量轻、制造易、成本低，但寿命低、精度差，适于精度要求不高、开头简单、小批量或试制的冲裁件。（2）导板式：精度比敞开模高，适于开头简单，工件尺寸不大的1学士学位论文冲裁件。要求压力机行程不大于导板厚度。（3）导柱式：导柱导向保证冲裁间隙均匀，冲裁件的工件尺寸精度高，模具使用寿命长，安装方便，适于大批量生产。（4）连续模：条料要求精确定位，使内孔与外形相互位置精度得到保证。生产率高，具有一定的冲裁精度，适于大批量生产。（5）复合模：冲裁件的内外形相互位置精度高，适合于大批量生产。其中常见冲压模具有冲裁模、弯曲模、拉深模。此外，成形及新技术还有胀形、翻边、缩口、校形、旋压。轮辋的滚压成形工艺就属于旋压工艺。1.2.1 滚压加工的特点轮辋的制造工艺有两种方式：第一种是用异型钢材卷圆制成轮辋，再与轮辐焊接成车轮；第二种是用板材卷圆后焊接呈圆筒状结构再经数次滚压形成所需轮辋断面形状，再与轮辐焊接成车轮，用滚形工艺制的轮辋可达到等强度要求，因此重量轻、形状精度高。本毕业课题拟采用第二种制造工艺进行设计制造。这种轮辋滚压加工属于旋压成形，轮辋的形状是通过滚型上下模对金属坯料施加压力迫使金属在上下模间产生塑性变形而成形的。旋压加工是制造薄壁筒形件的一种高效加工方法。其按旋轮进给方向与毛坯材料流动方向的异同分为正旋和反旋,包括起旋、稳定旋压和终旋 3 个阶段。成形中的工件可划分为 3 个区域,即未成形区、成形区和已成形区,材料所受到的应力、应变在不同阶段也具有不同的特点。由于受到的影响因素众多,在旋压成形过程中通常存在着2学士学位论文一定的生产缺陷。轮辋作为车轮的关键零件，其制造质量的好坏直接影响到车轮乃至整车的各项性能。车轮是车辆承载的重要部件，其质量直接关系到人的生命安全。 汽车车轮承受着车辆的垂直负荷、横向力、驱动（制动）扭矩和行驶过程中所产生的各种应力，它是高速回转运动的零件，要求尺寸精度高、不平衡度小，支撑轮胎的轮辋外形准确、质量轻，并有较强的刚度、弹性和耐疲劳性。因此要求车轮具有足够的负载能力及速度能力、良好的缓冲性和气密性、良好的均匀性和质量平衡性、精美的外观和装饰性、尺寸精度高、质量小、价格低、拆装方便、互换性好等。轮辋作为车轮制造加工中的重要部件，其模具设计与制造的优劣有着极其关键的影响因素。1.2.2 滚压加工的发展趋势随着科学技术的不断进步和工业生产的迅速发展，许多新技术、新工艺、新设备、新材料不断涌现，因而促进了旋压加工工艺和技术的不断革新和发展。其主要表现和发展方向如下：（1） 工艺分析计算方法的现代化；（2） 模具设计及制造技术的现代化；（3） 旋压生产的机械化和自动化；（4） 满足产品更新换代加快和生产批量减小的发展趋势，使冲压生产既可适合大量生产，又可适用与小批量生产；（5） 不断改进材料性能，以提高其成形能力和使用效果。3学士学位论文1.3 设计内容及任务本课题以汽车车轮轮辋为对象，用 ANSYS 作静力分析，并在 PRO/E 系统中进行三维模型的建模和模具的设计。过程如下：1、对轮辋的工艺过程进行分析，并设计其加工模具；2、模具工艺计算，包括凸模（上滚模）和凹模（下滚模）之间的间隙、凸模（上滚模）和凹模（下滚模）结构设计、冲裁力计算、模具的压力中心及封闭高度计算；3、根据计算结果选择合理的冲压设备；4、优化模具结构设计，包括冲裁模各种零部件的选择和设计；5、利用三维软件做出所设计的模具的实体模型；将其模具设计完成之后，根据要求利用有限元软件对其成型过程进行分析及后处理，并对模具的合理性进行最终的论证。轮辋最终成形图：图 1.1 轮辋4学士学位论文2 三维造型方法及软件介绍2.1 曲面造型方法概述曲 面 造 型 (Surface Modeling) 是 计 算 机 辅 助 几 何 设 计(Computer Aided Geometric Design ,CAGD) 和 计 算 机 图 形 学(Computer Graphics)的一项重要内容，主要研究在计算机图像系统的环境下对曲面的表示、设计、显示和分析。它起源于汽车、飞机、船舶、叶轮等的外形放样工艺，由 Coons、 Bezier 等大师于二十世纪六十年代奠定了其理论基础。如今经过三十多年的发展，曲面造型现在已形成了以有理 B 样条曲面(Rational B-splineSurface) 参 数 化 特 征 设 计 和 隐 式 代 数 曲 面 (Implicit AlgebraicSurface) 表示 这两类方 法为主体， 以插值 (Interpolation) 、拟合(Fitting) 、逼近(Approximation) 这三种手段为骨架的几何理论体系。2.1.1 对曲面造型的简要回顾形状信息的核心问题是计算机表示，即要解决既适合计算机处理，且有效地满足形状表示与几何设计要求，又便于形状信息传递和产品数据交换的形状描述的数学方法。1963 年美国波音飞机公司的 Ferguson 首先提出将曲线曲面表示为参数的矢量函数方法，并引入参数三次曲线。从此曲线曲面的参数化形式成为形状数学描述的标准形式。1964 年美国麻省理工学院的 Coons 发表一种具有一般性的曲面描述方法，给定围成封闭曲线的四条边界就可定义一块曲面。但这种方法存在形状控制与连接问题。1971 年5学士学位论文法国雷诺汽车公司的 Bezier 提出一种由控制多边形设计曲线的新方法。这种方法不仅简单易用，而且漂亮地解决了整体形状控制问题，把曲线曲面的设计向前推进了一大步，为曲面造型的进一步发展奠定了坚实的基础。但 Bezier 方法仍存在连接问题和局部修改问题。到 1972 年，de-Boor 总结、给出了关于 B 样条的一套标准算法，1974 年 Gordon 和 Riesenfeld 又把 B 样条理论应用于形状描述，最终提出了 B 样条方法。这种方法继承了 Bezier 方法的一切优点，克服了 Bezier 方法存在的缺点，较成功地解决了局部控制问题，又轻而易举地在参数连续性基础上解决了连接问题，从而使自由型曲线曲面形状的描述问题得到较好解决。但随着生产的发展，B 样条方法显示出明显不足即不能精确表示圆锥截线及初等解析曲面，这就造成了产品几何定义的不唯一，使曲线曲面没有统一的数学描述形式，容易造成生产管理混乱。为了满足工业界进一步的要求，1975 年美国 Syracuse 大学的 Versprille 首次提出有理 B 样条方法。后来由于 Piegl 和 Tiller 等人的功绩，终于使非均匀有理 B 样条(NURBS)方法成为现代曲面造型中最为广泛流行的技术。NURBS 方法的提出和广泛流行是生产发展的必然结果。2.1.2 曲面造型的现状与发展趋势随着计算机图形显示对于真实性、实时性和交互性要求的日益增强，随着几何设计对象向着多样性、特殊性和拓扑结构复杂性靠拢这一趋势的日益明显，随着图形工业和制造工业迈向一体化、集成化和网络化步伐的日益加快，随着激光测距扫描等三维数据采样技术和硬件设备的日益完善，曲面造型近几年得到了长6学士学位论文足的发展，这主要表现在研究领域的急剧扩展和表示方法的开拓创新。(1) 从研究领域来看，曲面造型技术已从传统的研究曲面表示、曲面求交和曲面拼接，扩充到曲面变形、曲面重建、曲面简化、曲面转换和曲面等距性。 曲面变形(Deformation or ShapeBlending) 传统的 NURBS 曲面模型仅允许调整控制顶点或权因子来局部改变曲面形状，至多利用层次细化模型在曲面特定点进行直接操作；一些简单的基于参数曲线的曲面设计方法，如扫描法(Sweeping)、蒙皮法(Skinning) 、旋转法和拉伸法也仅允许调整生成曲线来改变曲面形状。计算机动画业和实体造型业迫切需要发展与曲面表示方式无关的变形方法或形状调配方法，于是产生了自由变形(FFD ) 法、基于弹性变形或热弹性力学等物理模型的变形法、基于求解约束的变形法、基于几何约束的变形法等曲面变 形技 术， 以及 基于 多面 体对 应关 系或 基 于图 像形 态学 中Minkowski 和操作的曲面形状调配技术。(2) 从表示方法来看，以网格细分(Subdivision)为特征的离散造型与传统的连续造型相比，大有后来居上的创新之势。 这种曲面造型方法在生动逼真的特征动画和雕塑曲面的设计加工中如鱼得水，得到了高度的运用。在 1998 年 SIGGRAPH 会议的报告中，有十篇有关曲面造型的论文，除了有一篇是介绍几何体的变形方法以外，其余九篇均是关于曲面离散造型的算法或者在离散型曲面上精确求值及进行参数化的工作。2.1.3 当今几种 CAD/CAM 系统的曲面功能评述美、法等国的 CAD 技术一直走在世界的前沿，它们拥有许7学士学位论文多世界闻名的 CAD/CAM 系统，这些系统具备十分强大的功能。美国 SDRC 公司的 I-DEAS Master Series 软件采用 VGX(超变量化)技术，用户可以直观、实时地进行三维产品的设计和修改。I-DEAS 提供了独特的变量成形工具，它基于最小能量法，使用先进的高层次操作，例如对直观的几何形状进行推挤。弯扭，相斥、吸引等，使底层的曲面曲线成型。也可以对真实的几何体直接进行交互修改，从而得到光顺的形状，而不象传统的那样对控制点、权及节点进行交互操作。该软件较完整地解决了主要的曲面造型问题。美国 Unigraphics Solutions 公司的 UG 源于航空业、汽车业，以 Parasolid 几何造型核心为基础，采用基于约束的特征建模和传统 的几 何建 模为 一体 的复 合建 模技 术。 其 曲面 功能 包含 于Freeform Modeling 模块之中，采用了 NURBS 、B 样条、Bezier数学基础，同时保留解析几何实体造型方法，造型能力较强。总体上，UG 的实体化曲面处理能力是其主要特征和优势。美国 PTC 公司的 Pro/Engineer 以其参数化、基于特征、全相关等新概念闻名于 CAD 界，其曲面造型集中在 Pro/SURFACE 模块。其曲面的生成、编辑能力覆盖了曲面造型中的主要问题，主要用于构造表面模型，实体模型，并且可以在实体上生成任意凹下或凸起物等。尤其是可以将特殊的曲面造型实例作为一种特征加入特征库中。Pro/Engineer 自带的特征库就含有如下特征：复杂拱形表面、三维扫描外形、复杂的非平行或旋转混合、混合扫描、管道等等。该软件的曲面处理仅适合于通用的机械设计中较常见的曲面造型问题。美国 IBM 公司的 CATIA/CADAM (Dassault Systems 公司开发)8学士学位论文是一个广泛的 CAD/CAM/CAE/PDM 应用系统。该系统有关曲面的模块包括：曲面设计(Surface design)、高级曲面设计 (Advancedsurface design)、自由外形设计 (Free form design)、整体外形成形(Global shape deformation) 、 创 成 式 外形 修 形 (Generative shapemodeling)、白车身设计 (Body-in-white templates)等。 CATIA 外形设计和风格设计解决方案对设计零件提供了广泛的集成化工具。该系统具有很强的曲面造型功能。法国 Matra-DataVision 公司的 Euclid 集成系统是一个集机械设计与工厂设计于一身的企业级并行工程解决方案，其曲面功能在“ASD 高级曲面设计” 之中。曲面由 NURBS 和 Bezier 数学形式表达，通过强大的蒙皮、扭曲、放样、裁剪、联合等运算，系统能够形成复杂的外形。其实体造型功能可直接用于曲面，表现出突出的拓扑运算能力，例如：多曲面间的交、并、差运算；在多曲面间的空隙处填充成保持一致切矢、曲率的新曲面；构造相切于已知曲面的曲面等。Euclid 动态自由造型功能，实现了以曲面曲率进行动态曲面跟踪、编辑、控制的设计修改过程，很好地体现了交互技术的应用。2.2 曲面造型软件 Pro/Engineer 概述无论企业属于全球制造企业还是小型加工厂，产品成功与否在很大程度上决定着企业的发展与成功。 而 CAD/CAM/CAE 解决方案越来越成为开发出色产品的必备资产。Pro/ENGINEER 提供了一个易于使用的完整 3D 解决方案，它详细描述了产品的形状、配合和功能，使企业能够超越有关产品质量和盈利的目标。1985 年，PTC 公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件9学士学位论文的研究。1988 年，V1.0 的 Pro/ENGINEER 诞生了。经过 10 余年的发展，Pro/ENGINEER 已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了 Pro/ENGINEER2000i2 。PTC 的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/ENGINEER 还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。2.2.1 基础性能工业设计模块主要用于对产品进行几何设计，以前，在零件未制造出时，是无法观看零件形状的，只能通过二维平面图进行想象。现在，用 3DS 可以生成实体模型，但用 3DS 生成的模型在工程实际中是“ 中看不中用 。用” PRO/E 生成的实体建模，不仅中看，而且相当管用。事实上，PRO/E 后阶段的各个工作数据的产 生 都 要 依 赖 于 实 体 建 模 所 生 成 的 数 据 。 包 括 ：PRO/3DPAINT(3D 建 模 ) 、 PRO/ANIMATE( 动 画 模 拟 ) 、PRO/DESIGNER( 概念设计) 、PRO/NETWORKANIMATOR( 网络动画合成) 、PRO/PERSPECTA-SKETCH （图片转三维模型） 、PRO/PHOTORENDER(图片渲染)几个子模块。(1)Pro/DESIGNIER是工业设计模块的一个概念设计工具，能够使产品开发人员快速、容易的创建、评价和修改产品的多种设计概念。可以生成高精度的曲面几何模型，并能够直接传送到机械设计和 或原型制/造中。(2) Pro/NETWORK ANIMTOR通过把动画中的帧页分散给网络中的多个处理器来进行渲10学士学位论文染，大大的加快了动画的产生过程。(3) Pro/PERSPECTA-SKE TCH能够使产品的设计人员从图纸、照片、透视图或者任何其它二维图像中快速的生成一个三维模型。(4) Pro/PHOTORENDER能够很容易的创建产品模型的逼真图像，这些图像可以用来评估设计质量，生成图片。(5) Pro/ASSEMBLY构造和管理大型复杂的模型，这些模型包含的零件数目不受限制。装配体可以按不同的详细程度来表示，从而使工程人员可以对某些特定部件或者子装配体进行研究，同时在整个产品中使设计意图保持不变。附加的功能可使用户很容易的创建一组设计，有效的支持工程数据重用（EDU） 。(6) Pro/DETAIL由于具有广泛的标注尺寸、公差和产生视图的能力，因而扩大了 Pro/ENGINEER 生成设计图纸的能力，这些图纸遵守 ANAI、ISO、DIN 和 JIS 标准。(7) Pro/FEATURE允许产品设计人员创建高级特征（例如高级的扫描和轮廓混合）利用简便的设计工具，在很短的时间内就可以实现。(8) Pro/NOTEBOOK以“自顶向下 ”的方式对产品的开发过程进行管理，同时对复杂产品设计过程中涉及的多项任务自动分配，来增强工程的生产效率。(9) Pro/SCAN-TOOLS11学士学位论文满足工业上使用物理模型作为新设计起点的需求。把模型数字 化 ， 它 的 形 状 和 曲 面 就 可 以 以 点 数 据 的 形 式 输 入 到Pro/SCAN-TOOLS 中，因此能产生高质量的与物理原型非常匹配的模型。(10) Pro/SURFACE能够使设计人员和工程人员直接对 Pro/ENGINEER 的任一实体零件中的几何外形和自由形式的曲面进行有效的开发，或者开发整个的曲面模型。 Pro/WELDINGTM 参数化的定义焊接装配体中的对接要求，使用户很容易的确认焊接点，避免装配零件与焊接点之间发生干涉，在文件编制和制造中消除错误成本。(11) Pro/ENGINEER Advanced Rending您的目的是让您的设计别具一格。因此，凌驾在产品的外形和 功 能 之 上 的 就 是 您 所 创 造 出 的 视 觉 效 果 。 通 过 使 用Pro/ENGINEER 高级渲染，您可以快速创建令人吃惊的逼真产品图像，使更加丰富多彩的营销材料、客户印象更深刻的会面及更令人信服的设计评审使为可能。(12) Pro/ENGINEER Interactive Surface Design通过 Pro/ENGINEER 交互式曲面设计的自由形状曲面设计功能，设计者和工程师可以快速轻松地创建极为准确并且具有独特美感的产品设计。结果：根据您的需求而不是软件的限制来进行设计。(13) Pro/ENGINEER Reverse EngineeringPro/ENGINEER 逆向工程允许将现有实物产品转换为数字化模型。它具有一整套自动化功能，并具有实施剧烈的设计变更的 能力 ，从 而有 助于 改进 产品 定制 ，并 提 高设 计重 用率 。12学士学位论文Pro/ENGINEER 逆向工程以其快速且功能强大的特性使用户能有效地利用现有的知识产权。2.2.2 专业特殊功能机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具，它可绘制任意复杂形状的零件。在实际中存在大量形状不规则的物体表面，如摩托车轮轱，这些称为自由曲面。随着人们生活水平的提高，对曲面产品的需求将会大大增加。用 PRO/E 生成曲面仅需 2 步3 步。PRO/E 生成曲面的方法有：拉伸、旋转、放样、扫描、网格、点阵等。由于生成曲面的方法较多，因此用 PR O/E 可以迅速建立任何复杂曲面。它既能作为高性能系统独立使用，又能与其它实体建模模块结合起来使用，它支持 GB、ANSI、ISO 和 JIS 等标准。包括：PRO/ASSEMBLY （实体装配） 、PR O/CABLING （电路设计） 、PRO/PIPING（弯管铺设） 、PRO/REPORT （应用数据图形显示） 、PRO/SCAN-TOOLS（物理模型数字化） 、PRO/SURFACE（曲面设计） 、PRO/WELDING（焊接设计） 。3 轮辋工艺分析及模具结构设计3.1 三维建模过程从上面可以看到本产品主要是由一个非常复杂多段曲线相接旋转而成的曲面。要想完成该实体的三维造型主要就是解决该曲面的造型。Pro/E 提供了多种曲面的成型方法，考虑到轮辋表面曲线多段连接的特点，采用的是草绘多段连接曲线然后绕中心轴13学士学位论文旋转的方式成型曲面。之后通过加厚可以得到三维实体模型。最后，气门孔的绘制可利用 PRO/E 中的孔工具来完成。1. 草绘连接曲线2. 旋转成形曲面图 3.1.1 型面曲线图 3.1.2 旋转曲面14学士学位论文3.加厚处理4.图 3.1.3气门孔的绘制加厚图 3.1.4 最终图形15学士学位论文可以说整个三维建模的过程步骤清晰，结构明了，通过图片的形式来表达就更加清晰了。3.2 总体分析 总体设计思路3.2.1 工艺分析车轮是由轮辋及轮辐组成 轮辋的制造工艺有两种方式 一种是用异型钢材卷圆制成轮辋，再与轮辐焊接成车轮；另一种是用板材卷圆后焊接呈圆筒状结构再经数次滚压形成所需轮辋断面形状，再与轮辐焊接成车轮，用滚形工艺制的轮辋可达到等强度要求，因此重量轻，形状精度高。轮辋轮廓截面极其复杂，拟订工艺过程为剪条料、滚边、卷圆、压平、对焊、刨渣、滚压焊缝、切断头、水冷、校圆、扩口、一次滚型、二次滚型、三次滚型、扩张、精整、冲气门孔。其中扩口和滚型是轮辋生产中关键滚型工艺设计可按分段变形的思路和变形前后的变形段中心线不变原则进行。滚压模具设计则遵循一滚定中心、二滚成形状、三滚定尺寸的三道滚型工序图，采用等间隙理论进行设计。轮辋滚型属于旋压成形，轮辋的形状是通过滚型模上下模对金属坯料施加压力，迫使金属在上下模间产生塑性变形而成形的。轮辋滚型中的应力应变状况经实际网格法和理论分析可知，轮辋沿圆周方向的应力在截面形心以上的部分为正，在截面形心以下的部分为负；轮辋沿截面中心线切线方向的应力在截面形心以上的部分为负，在截面形心以下的部分为正；轮辋沿厚度方向的应力各处均为负，即正压力；轮辋槽底部位为压缩类变形区，为正，材料增厚，轮辋槽侧及其它位于截面形心以上的部位为伸长类变16学士学位论文形区，为负，材料减薄；各圆角部分，由于伴随着弯曲变形，减薄更为严重，设计时，要充分考虑这些因素，尽力控制好减薄量。3.2.2 工序图设计工序图设计按逆向设计。即根据成品图设计出三滚工序尺寸，然后倒推向前设计出二滚工序、一滚工序、扩口工序的工序尺寸。（1）三滚工序三滚时用轮辐肩宽定位，工作时轮缘先变形，当凸缘部位向下弯曲到一定程度后，槽底部分开始变形。第三道滚型是精确成形，要保持胎圈座尺寸不变，实现槽底尺寸到位，耳幅处尺寸也要到位，径向尺寸在圆周上比成品小 1%，即留下一定的扩张量。D=380*99%=376.2工序半成品图除径向尺寸 D 比成品小 1%外，其余同最终工件图。（2）二滚工序二滚时轮缘至槽底圆角部分几乎同时变形，金属在径向、轴向都受到较大的应力，轮辋圆周方向伸长而宽度减小。第二道滚型主要是成形状，要保持槽底形状不变，实现胎圈座尺寸到位，为便于材料流动通畅，轮缘处进行第二次过渡变形，使端口耳幅处为一大半圆状。设计原则为标定宽度和标定直径不变，两突峰的尺寸及位置不变，PC、AB、DQ 段尺寸不变，CA、BD段设计为过渡形状，过渡段形状先用经验取值，再按变形前后的变形段中心线不变原则计算并调整工序图见下图：17学士学位论文（3）一滚工序图 3.2.1 二滚成形工序图一滚时槽底部分最先与上模接触而产生变形，此时外端尚未闭合，外侧金属将向槽底部分流动，故由槽底部分的材料在径向轴向受较大的应力而产生周向伸长，但由于轮辋宽度大大减小，槽底虽有减薄，减薄量却不大。第一道滚型主要是预成形，滚压深槽过渡形状，中心需确定准确。而且槽底深度需增加，以便于轮辋二、三滚时槽底各处有材料可以补充，从而保证产品最终减薄量要求，两边耳幅处完成一次圆弧过渡。设计原则为标定宽度和标定直径不变，两突峰的尺寸及位置不变，深槽过渡段 CA、BD 和深槽段 AB 尺寸与二滚时尺寸相同，侧边两段 PC、DQ 的设计为过渡形状，工序半成品图见图：（4）扩口工序图 3.2.2 一滚成形工序图18学士学位论文扩口的作用是将卷圆后的桶形件两端口在径向扩张成喇叭口状，以消除不圆度，便于滚型中的端面限位和变形顺利。图 3.2.1 扩口工序图扩口工序图见上，设计时为便于扩口件在一滚时材料能顺利拉入下辊成为槽底,扩口件喇叭口在支于下辊两端时，斜边与槽顶圆角间留有一定间隙（1mm） ，扩口件端口径取产品图轮缘处最高点外径的 98.5%。D1=0.985(380+217.5)=408.83.2.3 滚压模具滚压属于不去材料的加工方法，模具设计中主要遵循“一滚定中心、二滚成形状、三滚定尺寸” 、 “ 尺寸结构、公差给定逐级到位” 、 “上下径比值拟订”等原则，具体设计时采用等间隙理论的方法，即上下辊的间隙处处相等且间隙值为板料厚度 =3mm,辊子的型面与相应工序图中轮辋的截面形状对应。一滚滚压模的设计与二 三滚略有区别，下图为将一滚模具、导向轮、限位轮移在同一剖面上，上滚模凸 R 应与导向轮 R 相吻合，轮辋两端口轴向张开的角度与限位轮斜度一致。其上模凸 R处最先接触材料，它是以 R 定准左右端的材料分配量，为了扩口19学士学位论文件在一滚时能在上模准确定位，需设计两个限位轮。二滚时材料流动阻力大、变形大、回弹量大，要注意控制好标径和宽度。三滚目的是修整型面，除径向尺寸留扩张量外，轮辋型面与其它尺寸均到位，控制两耳幅尺寸是该工序关键。型辊直径的确定按先确定下辊件尺寸后确定上径的原则，取下辊最大直径，制件最大直径制件最小径（槽底内径）某一定值，该定值在 1518mm 之间较好。二滚滚型模尺寸计算过程为：最大直径 D2 =（3804） 21.522316.5=310.5 mm；标定直径 d2 =310.5 21.52+6=273.5 mm；由于设备上下轴转速比威 1.25:1，故 d 上 =273.51.25=218.8 mm；侧滚轮轮廓尺寸同工序图槽底尺寸。3.3 模具具体结构设计3.3.1 模具基本结构模具具体结构的设计包括凸模、凹模、模柄及模架等的设计。（1）凸模（上滚模）设计凸模的设计分为两部分：孔的设计和型面的设计。孔内车有键槽，用以与电动机主轴配合从而带动上模滚转动，从而实现坯料的加工成形。以一滚时为例，型面的设计则根据一滚工序图中工件欲成型的型面相配合。20学士学位论文电动机主轴与上滚模的配合采用基轴制 H6/m7，上滚模孔的大小根据型面直径度而选取 180,型面设计和上滚模的设计图如下所示：（2）凹模的设计图 3.3.1 上滚模三维图凹模的设计分为两部分：孔的设计和型面的设计。孔内车有键槽，用以与电动机主轴配合从而带动上模滚转动，从而实现坯料的加工成形。以一滚时为例，型面的设计则根据一滚工序图中工件欲成型的型面相配合。电动机主轴与上滚模的配合采用基轴制 H6/m7，上滚模孔的大小根据型面直径度而选取 180,型面设计和上滚模的设计图如下所示：21学士学位论文（3）模柄的设计图 3.3.2 下滚模三维图模柄的设计根据整个模架的大小进行设计，模柄最终成形图如右图所示：图 3.3.3 模柄22学士学位论文（4）模架的设计上模座：下模座：图 3.3.4 上模座图 3.3.5 下模座23学士学位论文导套：导柱：图 3.3.6 导套图 3.3.7 导柱24学士学位论文固定板：图 3.3.8 固定板此外，还有垫板、侧滚轮等零件，在此不再详细叙述。3.3.2 模具结构形式的选择为了保证冲裁质量和滚压精度，坯料的安放应该采用两边凸耳固定。鉴于凸模和凹模的特殊形式，整个加工过程需要配合模具本身机械结构以及外部的液压系统、传动系统联合作用而实现。这种设计形式，保证了坯料受力的稳定性，对保证加工精度有很大的提高作用。由于坯料尺寸较大，模具结构中未采用刚性卸料板，而是采用手工卸料方法。此外模具结构中采用了垫板、固定板固定凸模。本章通过一滚工序图的设计目的，设计了一滚的模具，并通过该模具的设计总结了 PRO/E 设计模块，熟悉了各种模具的设计流程。25学士学位论文4 成型设备的选择及工艺参数编制4.1 设计冲压力与压力中心 初选压力机(1)冲裁力根据计算,接触处零件内外周边之和 L 约为 2（2002408.8/12）=828mm,又因为 =255Mpa,t=3mm,取 K=1.3 故F=KLt=1.38283255=823.4KN卸料力:取 Kx=0.06,则Fx=KxF=0.06823.4=49.4 KN推件力:高度取 h=9mm,故 n=h/t=9/3=3，根据文献4取 KT =0.09则FT =n KT F=30.09823.4=222.3 KN所以 F = F+ FT =823.4+222.3=1045.7KN由式 3-23 应选取的压力机公称压力为:P0(1.11.3) F=(1.1 1.3)1045.7=1254.8KN(2)压力中心的确定计算压力中心时，由于凸凹模及其固定板均为左右前后对称形式，故压力中心为固定板几何中心。(3)冲压设备选择的原则介绍设备类型的选择要依据冲压件的生产批量、工艺方法与性质及冲压件的尺寸、形状与精度要求来进行。1）据冲压件的大小进行选择参照下表：26学士学位论文表 4.1.1 按冲压件大小选择设备2）考虑精度与刚度在选用设备类型时，还应充分注意到设备的精度与刚度。压力机的刚度是由床身刚度、传动刚度和导向刚度三部分组成，如果刚度较差，负载终了和卸载时模具间隙会发生很大的变化，影响冲压件的精度和模具寿命。设备的精度也有类似的问题。尤其是在进行校正弯曲、校形及整修这类工艺时更应选择刚度与精度较高的压力机。在这种情况下，板料的规格应该控制更严，否则，因设备过大的刚度和过高的精度反而容易造成模具或设备的超负载损坏。3）根据冲压件的生产批量选择参照下表：表 4.1.2 按生产批量选择设备4）考虑生产现场的实际可能在进行设备选择时，还应考虑生产现场的实际可能。如果目前还没有较理想的设备供选择，则应该设法利用现有设备来完成工艺过程。5）考虑技术上的先进性需要采用先进技术进行冲压生产时，可以选择计算机操作的及具有数控加工装置的各类新设备。27学士学位论文4.2 压力机的最终确定因此可选开式双柱固定台压力机 JA21-160，其技术规格如下:28公称压力/kN 1600滑块行程/mm 160滑块行程次数（次/min） 40最大闭合高度/mm 450闭合高度调节量/mm 130滑块中心线至床身距离/mm 380立柱距离/mm 530工作台尺寸/mm 前后 710，左右 1120工作台孔尺寸/mm 直径 460垫板尺寸/mm 厚度 130模柄尺寸/mm 直径 70，深度 80滑块底面尺寸/mm 前后 460，左右 650学士学位论文5.基于 ANSYS 的有限元静力分析5.1 有限元法和有限元模拟软件 ANSYS 简介5.1.1 有限元法简介有限元法是为适应电子计算机的使用而发展起来的一种比较新颖的数值计算方法。这种方法大约起源于 20 世纪 50 年代航空工程中飞机结构的矩阵分析。有限元方法的基本思想：（A）假想把连续系统分割成数目有限的单元，单元之间只在数目有限的指定点处相互连接，构成一个单元集合体来代替原来的连续系统。在节点上引进等效载荷，代替实际作用与系统上的外载荷。（B）对每个单元由分块近似的思想，按一定的规律建立求解未知量与节点相互作用的关系。（C）把所有单元的这种特性关系按一定的条件集合起来，引入边界条件，构成一组一节点变量为未知的代数方程式，求解之就得到有限个节点处的待求变量。所以，有限元实质上是把具有无限个自由度的连续系统，理想化为只有有限个自由度的单元集合，使问题转化为适合于数值求解的结构型问题。有限元解法的特点：第一步：物理概念清晰；第二步：复杂结构的适应性；第三步：各种物理问题的适应性；第四步：计算计算机实现的高效性；29学士学位论文有限元方法发展到今天,已经成为一门相当复杂的实用工程技术.有限元分析的最终目的是还原一个实际工程系统的数学行为特征,即分析必须针对一个物理原型准确的数学模型,模型包括所有节点、单元、材料属性、实常数、边界条件以及其他用来表现这个物理系统的特征.ANSYS(analysis system)是一种融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型 CAE 通用有限元分析软件,可广泛应用于航空航天、机械、汽车交通、电子等一般工业及科学研究领域.ANSYS 的学习、应用是一个系统、复杂的工程,由于它涉及到多方面的知识,所以在学习 ANSYS 的过程中一定要对ANSYS 所涉及到的一些理论知识有一个大概的了解,以加深对ANSYS 的理解.有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件） ，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的30学士学位论文努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20 世纪 60 年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz 法分片函数” ，即有限元法是Rayleigh Ritz 法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的 Rayleigh Ritz 法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数） ，且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为：第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。第二步：求解域离散化：将求解域近