基于CADCAE的拼焊板桶形件冲压成形工艺设计

本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 I 页 共页目 录1 绪论 .11.1 选题背景 .11.2 拼焊板冲压成形研究现状 .31.3 主要研究目标及内容 .41.4 论文的组织结构 .52 拼焊板冲压成形工艺理论分析 .62.1 拼焊板成型理论 .62.1.1 拼焊板单向拉伸时的应力、应变关系 .62.1.2 拼焊板成形的变形特点 .72.1.3 拼焊板桶形件拉深工艺 .82.2 影响拼焊板冲压成形的主要因素 .92.2.1 凸凹模圆角半径 .102.2.2 压边圈 .102.2.3 压边力 .102.2.4 焊缝位置 .112.2.5 板厚比 .112.3 拼焊板圆桶形件冲压成形的常见缺陷 .112.3.1 起皱与破裂 .112.3.2 焊缝的移动 .123 拼焊板桶形件有限元建模方法 .143.1 CAE 仿真软件的简介及选取 .143.2 板料成形有限元数值模拟过程 .153.2.1 仿真步骤 .153.2.2 模具和毛坯的 CAD 建模 .163.2.3 前处理工作 .193.2.4 后处理工作 .204 基于数值模拟的拼焊板桶形件成型仿真及分析 .234.1 仿真建模 .234.1.1 凹模、凸模、压边圈以及板料的 CAD 建模 .234.1.2 CAD 文件保存 .244.1.3 模型导入 .244.1.4 网格划分 .244.1.5 焊接 .254.1.6 网格检查/网格修补 .25 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 II 页 共页4.1.7 调整位置 .254.1.8 定义材料和板厚 .264.1.9 定义凸模运动和压力 .264.1.10 计算 .264.1.11 后处理 .264.2 压边圈对拼焊板桶形件成形影响分析 .274.3 压边力大小对拼焊板桶形件成形影响分析 .274.4 凸模行程对拼焊板桶形件成形影响分析 .304.5 板厚比对拼焊板桶形件成形影响分析 .314.6 焊缝位置对拼焊板桶形件成形影响分析 .334.7 凹模圆角半径对拼焊板桶形件成形影响分析 .344.8 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1.1 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。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 42 页此外，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 1.1 所示 4。图 1.1 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， 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 42 页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CAE仿真软件Dynaform对拼焊板桶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。1.2 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 n 值和长率 A 值降低，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； 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 42 页(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。1.3 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 CAD/CAE 手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 Dynaform 软件的数值模拟过程，制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 Pro/E进行 CAD 建模，运用 Dynaform 建立冲压模具、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； 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 42 页（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；（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。1.4 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 DYNAFORM 中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 DYNAFORM 对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。2.1 拼焊板成型理论2.1.1 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 2.1 所示，图中 L 为拼焊板总长度，L 1、L 2分别为焊缝两侧薄厚板材的长度，1 和 2 分别代表薄侧和厚侧板材，t 1和 t2为分别薄侧和厚侧板材的厚度，P 1和 P2分别为薄侧和厚侧板材所受的力。根据塑性力学分析可得：（2.1）111nAK（2.2）222P（2.3）1t（2.4）2nnKt式中，A 1、A 2分别为薄侧和厚侧板材的横截面积； 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；n 1、n 2分别为板材硬化指数；K 1、K 2分别为薄侧和厚侧板材的应变强化系数 7。图 2.1 拼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 K1=K2，n 1=n2=n，式（2.4）可以简化为： 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 42 页（2.5）1122exp(ln)tc式中，c 为与板料硬化指数有关的常数，c=1/n。由式(2.3)可以知道，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(2.5)表明薄厚两侧的应变比与板厚比相关联，随着板厚比 t2/t1增大，相应增大，即薄厚两侧板材承受的应变差别变大。12/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。2.1.2 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 2.2 所示。图 2.2 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 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 42 页置和厚度比有关。(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。2.1.3 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 2.3，直径为 L 的板料在冲击力 P、压边力 Q、圆角半径为 的凸模及圆角半径pr和宽度为 B 的凹模的共同作用下，被拉入模腔而压制成形的，图中 h 为板料的成dr形深度，t 为薄板和厚板的厚度差 10。图 2.3 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 2.4 所示的状态。此时所形成的五个区域的应力应变状态是不同的。图 2.4 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。2.2 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 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 42 页位置及板厚比。2.2.1 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。2.2.2 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。2.2.3 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 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 11 页 共 42 页的流动，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。（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。2.2.4 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。2.2.5 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（t 1/t2）来表示。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。S.M.Chan等人通过双轴拉伸和单轴拉伸等一系列简单拉伸研究了不同板厚比对拼焊板成形极限响，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。2.3 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。2.3.1 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 2.5） 。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 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 12 页 共 42 页度 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 2.6） ，所以此处的承载能力的大小是决定拉深成形能否顺利进行的关键。图 2.5 拉深时毛坯的起皱现象 图 2.6 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 大的材料等，都有利于r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。2.3.2 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 2.7 所示。起皱破裂 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 13 页 共 42 页图 2.7 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 表示焊缝移动量，根据2.1.1中拼焊板单向拉伸应力、应变关系分析，1l由式（2.1）（2.4）可以推导出拼焊板的焊缝移动量计算公式为：（2.6）121 2expln()(ln)KtlLL 式中： 应变 L初始总长度K母材强度系数 n应变硬化指数厚侧材料初始长度 厚侧材料变形后长度2L2l1薄侧侧母材 2薄侧母材由式（2.6）可以得出，焊缝移动量受母材材料强度系数比（ ） 、厚度比21/K（ ）以及初始焊缝位置（ ）等多重因素的影响。强度比、厚度比增大或 减21/t 2L 2L小（焊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 DYNAFORM 对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。3.1 CAE 仿真软件的简介及选取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 CAE 仿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。CAE 技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）AutoForm 是由 Autoform Engineering 公司开发的，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）SheetForm 是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）PAM-Stamp 是 ESI 集团公司于 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 PAM-DIEMAKER，为研究工件而进行快速评估的工具 PAM-QUIKSTAM 以及验证成形工艺和冲压件质量的 PAM-AUTOSTAMP。PAM-Stamp 所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 CAD 资料。（4）DYNAFORM 是由美国 ETA 公司和 LSTC 公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。DYNAFORM 可以预测成形过程中板料的裂纹、起皱、减薄、划痕、回弹，评估板料的 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 15 页 共 42 页成形性能，从而为板料成形工艺及模具设计提供帮助；DYNAFORM 专门用于工艺及模具设计涉及的复杂板成形问题；DYNAFORM 包括板成形分析所需的与 CAD 软件的接口、前后处理、分析求解等所有功能。本文选用DYNAFORM来对拼焊板桶形件的冲压成形进行仿真研究，因为DYNAFORM作为板料冲压成形的专用软件，和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）DYNAFORM具有功能丰富的前处理器。它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IGES格式文件以及UG、Pro-E、CATIA等主流CAD软的图形文件，同时用户也可以在DYNAFORM中很方便地创建点、线、面等几何模型（b）DYNAFORM的求解器采用了业界非常著名的非线性动力显式有限元软Ls-dyna。Ls-dyna是采用显隐结合的算法进行板料成形模拟的最具有代表性的软件，计算稳定，效率高，模拟结果准确性很好。虽然Ls-dyna也能够进行仿真，但是其材料库相对DYAFORM而言就有一些欠缺，软件的易操作性也较差。（c） DYNAFORM具有强大的后处理功能。eta-Post是ETA公司开发的一款专门对DYNAFORM的后处理软件，它可以方便用户直观地得到求解结果。在eta-Post中增加的GRAPH模块中，用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。3.2 板料成形有限元数值模拟过程3.2.1 仿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 CAD 模型，可以用 DYNAFORM 的前处理功能直接建立，也可以用 3D 软件（如 UG、Pro/E、CATIA 等）建立拼焊板与模具的曲面模型，再以一定的数据格式（如 IGES 等）将零件导入仿真软件。（2）在建立好的 CAD 模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 DYNAFORM 对拼焊板成形过程有限元仿真的具体操作步骤如图 3.1 所示。 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 M编 辑 ， 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 3.1 在 DYNAFORM 中对拼焊板冲压成形仿真流程图3.2.2 模具和毛坯的 CAD 建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）由于薄厚两侧母材的承载能力不一样，将导致拉深过程中材料流入和焊缝两侧材料变形不均匀,产生焊缝移动，加剧薄侧材料的应变集中，从而降低整块板料的成形性能。因此，我们需要选择合适的模具来解决这些问题，图 3.2 是差厚激光拼焊板的示意图，普通拉延工艺导致法兰面上和凸模区域的薄侧材料都发生起皱，因此，必须对凸模和压边圈进行改造，才能使得板料在拉延时内表面被充分压紧。此时凹模与无厚度差的外表面相接触，无需改造。对于凸模，一般将其改造成阶梯式(如图3.3 所示)，以使得凸模表面与板料表面充分接触，从而获得一致的凸模压力，消除凸模区域的薄侧材料起皱 27。图 3.2 差厚激光拼焊板示意图图 3.3 阶梯式凸模示意图为了使得差厚拼焊板料能够与模具充分接触，我们可选择将压边圈和凸模改造成阶梯式或分块式。但分块式的制造成本较高，因而，本文选用阶梯式。由于焊缝在法兰面上一般向薄侧移动，阶梯式压边圈设计时应考虑到这一移动量，因此在压边圈阶梯和焊缝之间留一适当间隙，以预防焊缝移动时由于厚侧材料被阶梯阻挡而导致薄侧材料破裂。本课题确定该间隙为2mm。（1）凸模、凹模的几何模型 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 18 页 共 42 页为研究拼焊板的成形规律，先要建立几何模型，本文选用 Pro/E 对其进行建模，然后以 IGES 数据格式保存并导入仿真软件 DYNAFORM，其凸模、凹模的模型如图3.2 所示，其中凸模截面尺寸为 56.8mmR7mm，凹模截面尺寸为100mm60mmR8mm。(a) 凸模 (b) 凹模图 3.4 拼焊板桶形件冲压模具几何模型图（2）板材的几何模型本文仿真所采用的拼焊板是由两块板材焊接而成的，建模的时候也是先分别建立两块板材，然后再焊接在一起。（3）压边圈的几何模型拼焊板冲压成形过程中存在着一个非常大的缺陷焊缝移动，为了有效改善这一缺陷，一些学者对压边圈的形状进行了改造，通常有三种形式：可变形的压边圈，组合式压边圈，带阶梯的刚性压边圈。但是可变形的压边圈因压边面上的压边力几乎为常数，不能改善拼焊板成形不均匀变形的问题；组合式压边圈的制造成本较高，因而，本文选用阶梯压边圈。使用阶梯压边圈虽可以较好的减小差厚拼焊板的焊缝移动移动量，满足成形需要，但不能消除焊缝为移动量，因而需要设置一个合理的宽度作为焊缝的移动间隙，来满足厚侧板料不会由于向薄侧移动受阻而使薄侧板材拉裂。已有试验证明，阶梯压边圈的间隙过小时，焊缝附近的薄板易被拉裂，反之，焊缝附近的薄侧板材易起皱，因此使用阶梯压边圈时要设置合理的间隙，如图3.5所示 27。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 19 页 共 42 页图3.5 阶梯压边圈对焊缝移动的影响3.2.3 前处理工作建立几何模型后，在对桶形件进行仿真之前，要先对模具及板料进行前处理。在 DYNAFORM 中对模具及材料的前处理包括单元选取、网格划分、凸凹模间隙及摩擦系数确定等。（1）网格划分网格划分技术是分析结果准确与否的关键问题之一，如果网格过于稀疏，接触搜索与处理就会出现问题，接触力的传递就会受到影响；如果网格过于密集又将导致计算时间增加，大大降低计算效率。目前在板料成形数值模拟过程中的两种网格技术是网格重划分技术和网格子适应技术，但由于自适应技术特别适合于显式有限元算法，本文选用自适应网格技术。在确定单元模型和网格技术后，在 DYNAFORM 中模具和板料划分网格后的结构图如图 3.6 所示。图 3.6 网格划分图为了简单起见，凸凹模间隙及摩擦系数本文采用DYNAFORM中默认的数值，其值凸模压边圈凹模厚板薄板 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 20 页 共 42 页为gap=1.5mm， =0.12。（2）材料的性能参数从 Dynaform 材料单元库选择合适的材料的性能参数。（3）焊缝模型的建立拼焊板冲压成形与普通光板的不同以及其成形的不均匀性很大程度上是由焊缝的存在引起的，因此要对拼焊板成形进行模拟，首要的是对焊缝进行合理的建模。有研究表明，采用刚性连接模拟焊缝虽然忽略了焊缝几何形状和材料本构关系的影响，导致焊