1、西安航空职业学院毕业论文基于 PAM-STAMP 保护盖拉深工艺仿真研究姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要：拟采用仿真不同模具 R 圆角半径、优化拉深次数、润滑边界条件的模拟工艺方案解决零件拉裂的问题，根据仿真得到最优工艺参数，采用试验件验证，并根据实际产品情况调整参数，最终形成紧急应对方案，弄清楚该零件的成形机理，改进某批次产品出现的异常状况。关键词：保护盖，拉深，仿真1 概述保护盖（见图 1）零件材料为 LF3 铝板，壁厚 2mm，曲线边拉深成形各向异性指数大、易裂、易起皱。特别是出现了一次连续拉裂 6 件的情况。停工分析原因，并对拉深过程进行仿真模拟，弄
2、清楚零件成型机理。否则反复使用调试料试模或者反复返修模具将消耗大量时间和人力物力。实施目的与思路：拟采用不同 R 圆角的拉深模及单次多次拉深结合的工艺方案解决零件连续破裂问题，模拟仿真设计出阳模、阴模、压边圈等边界条件，根据仿真结果得到新工艺方案，采用试验件验证，并根据实际产品情况调整展开参数，最终零件合格率超过 90%。目前，有限元仿真软件经过几十年的发展和完善，已在国内外广泛应用于工程制造和科学研究领域，成为工程师分析计算的得力助手。因此采用有限元仿真软件模拟、计算，研究零件成形情况，为模具设计提供参考依据，制定工艺方案，可以缩短生产周期，降低制造成本，是一种低成本的工艺研究模式。图 1
3、J9445-02 保护盖零件图2 模型建立2.1 软件选用PAM-STAMP 是专长于计算壳单元的板料成形分析软件，能够分析保护盖的拉深过程，具有宏模块设置功能，设置简单，软件能分析材料各向异性对拉深和回弹的影响。2.2 几何模型保护盖采用双动反拉深工艺，经过理论计算，拉深压边力需要约 10KN，考虑到冲模的装模高度，机械分厂具备此吨位以上的压力机有 40 吨、63 吨带气垫曲柄机械压力机。图 2 压力机的工作方式根据压力机的工作方式（见图 2） ，拟定了双动拉深工艺方案：解决零件拉裂问题，需先进行仿真计算，观察并对比仿真结果，最后确定工艺方案。将坯料拉深成形作为仿真计算的焦点，因此建模只需创
4、建坯料和与其接触的模具，仿真时将压力机的运动与载荷赋予模具，忽略连接件以及压力机部件的作用，从而简化计算（图 3） 。用 UG 建模，所有模型的类型均为片体，保存为 igs 格式文件。图 3 双动拉深的模型2.3 材料物理模型零件材料为 LF3 铝板，仿真计算需要坯料常温下的弹性模量、泊松比、密度、各向异性指数、应力应变曲线、成形极限曲线。我们与北京航空航天大学合作，通过试验，获取了以上性能参数。将 LF3 铝板性能参数输入 PAM-STAMP 软件，创建了 LF3 铝板的材料物理模型（表 1,图 4，5，6 ） 。表 1 LF3 材料参数密度 (kg/m3) 2.7103弹性模量 E(GPa
5、) 70.97泊松比 0.319各项异性 r0=0.646，r45=0.927，r90=0.665本构方程 2113232148il2 NGFH图 4 LF3 铝板性能参数设置表图 5 LF3 铝板应力应变曲线图 6 LF3 铝板成形极限曲线2.4 边界条件分析包括异形压边和拉深两个过程。将已建立的 LF3 铝板的材料物理模型和料厚 2mm 的属性赋予坯料。双动拉深的坯料为平板，纤维方向为+X。坯料为弹塑性变形体，屈服准则为 Hill48，该准则在对复杂应力状态下的坯料成形，可导出线性化的应力应变增量关系，适用于各向异性显著的材料，仿真过程依据此屈服准则建立本构方程。模具均设置为刚体。拉深过程
6、设置阳模行程为过程变量，将阴模固定不动，坯料与阴模接触的位置设为分析起始点，阳模与压板共同夹紧坯料下行至 30mm 距离设为分析终止点。3 仿真过程难点分析与前处理设置3.1 仿真过程难点分析仿真过程计算的核心是坯料的变形，需要设置网格、运动、接触、载荷等，其中主要难点是坯料的网格设置。在仿真计算中，网格越密，则计算的结果就越精确，对于拉深仿真，也是如此。模具在仿真计算中为刚体，不会发生变形，网格也保持不变，模具的网格与坯料的初始网格相匹配。要同时考虑到网格单元数量对计算精度和计算效率的影响。本仿真控制初始网格数量50 1000，最终网格数量10000，控制计算时间4 小时（见表 2） 。坯料
7、网格过粗，单元数少，计算效率高，但计算误差较大，到了计算后期，还有可能会因为某些网格单元变形过大而导致溢出报错，无法得到计算结果；坯料网格过密，单元数多，计算精度高，会造成计算规模几何级数级的增加，大大增加计算时间和计算异常出现的概率，一旦出现错误，便无法得到计算结果。坯料在拉深过程中，并非整个变形区的都一直在变形。变形区中有的区域在拉深前期完成变形，之后便不再变形，有的区域在拉深前期不变形，到了拉深后期才变形，将坯料在拉深过程中会变形的区域网格划分较密，而对其他区域划分较粗，较前两者而言，这是一个软件优化办法（见图 7，8 ） 。在坯料成形仿真计算中，每步变形都会对每个网格单元进行计算。为了
8、解决这个问题，采用了自适应网格优化方法，该方法适用于计算壳单元，在计算初期，使用较粗的单元网格，随着计算的逐步进行，在某些需要更细密网格描述的区域，将网格按 2n 倍数进一步细分（见图 9） ，这样一来，坯料网格该粗的地方粗，该细的地方细，以尽可能小的计算耗费获得更好的计算结果。表 2 坯料自适应网格优化单元数初始网格单元数 最终成形后网格单元数双动压边拉深 76 4216图 7 坯料的初始网格图 8 拉深坯料的不变形区与变形区图 9 坯料自适应网格优化本项目对保护盖的压边拉深工艺方案进行仿真，坯料都应用自适应网格优化进行了前处理设置，在计算初期，坯料最大网格尺寸为 10mm，随着坯料逐渐变形
9、，网格按角度准则和模具曲率半径准则进一步细分，以此作为仿真的计算核心，运动、接触、载荷等参数均按照各工艺方案的拉深方式进行设置。3.2 前处理设置3.2.1 单动压边该方案对 1 个工序进行仿真，共计算 1 次压边（图 10） 。（1 ）网格划分导入 igs 格式的模型文件，建模时模型类型为片体，导入到 PAM-STAMP 后转化为壳体，进行初始条件下的网格划分，定义网格类型为四边形，最大单元尺寸为 10mm，最小单元尺寸为0.1mm，最大弦差误差为 0.15mm，曲面相邻网格单元法向最大角度为 15，公差 0.01mm。模型的按以上方式划分网格后的单元数：坯料：76阳模：496压边圈：945
10、（2 ）运动设置阴模固定不动，阳模固定不动，压边圈只允许沿 Z 轴移动，先移动至与坯料接触，与阳模夹紧坯料后保持压边力 10KN，坯料不作运动设置。a）起始b）终止图 10 单动压边的运动设置（+Z=）（3 ）接触设置所有模具与坯料的接触摩擦系数为 0.12。（4 ）载荷设置压边圈由液压垫施压提供压边力，沿+Z 轴施加 10KN 力，阴模不施加载荷，阳模不施加载荷，坯料受压边圈的运动而夹紧，故不施加载荷。（5 ）坯料自适应网格优化：计算初期坯料最大网格尺寸为 10mm，随着坯料逐渐变形，网格按角度准则和模具曲率半径准则进一步细分。角度准则：当坯料上 2 个相邻单元间的夹角大于 10时，这两个单
11、元将被细分。模具曲率半径准则：当坯料上 1 个单元与临近模具面的曲率相差大于 2mm，这个单元将被细分。（6 ）分析设置：阴模行程设为过程变量，计算阴模从分析起始点到分析终止点期间坯料的变形。（7 ）回弹分析不计算回弹。3.2.2 双动压边拉深该方案对 1 个工序（压紧同时拉深成形）进行仿真，共计算 1 次拉深（图 11） 。3.3 预成形工序（1 ）网格划分网格类型为四边形，最大单元尺寸为 10mm，最小单元尺寸为 0.1mm，最大弦差误差为0.15mm，曲面相邻网格单元法向最大角度为 15，公差 0.01mm。模型的按以上方式划分网格后的单元数：坯料：682阳模：496阴模：945压边圈：
12、2186（2 ）运动设置阴模固定不动，阳模只允许沿 Z 轴移动，先移动至与坯料接触，然后与压边圈夹紧坯料继续下行（-Z） ，下行距离为 60mm，压边圈只允许沿 Z 轴移动，随阳模下行而下行，坯料不作运动设置。a）起始b）进行中c）终止图 11 双动拉深的运动设置（+Z=）（3 ）接触设置所有模具与坯料的接触摩擦系数为 0.12。（4 ）载荷设置压边圈由液压垫施压提供压边力，沿+Z 轴施加 10KN 力，阴模不施加载荷，阳模向-Z 轴施加运动速度 V，行程 30mm，坯料受模具的运动而变形，故不施加载荷。（5 ）坯料自适应网格优化计算初期坯料最大网格尺寸为 10mm，随着坯料逐渐变形，网格按角
13、度准则和模具曲率半径准则进一步细分。角度准则：当坯料上 2 个相邻单元间的夹角大于 10时，这两个单元将被细分。模具曲率半径准则：当坯料上 1 个单元与临近模具面的曲率相差大于 2mm，这个单元将被细分。（6 ）分析设置阳模行程设为过程变量，计算阳模从分析起始点到分析终止点期间坯料的变形。（7 ）回弹分析不计算回弹。4 计算结果及分析4.1 计算结果4.1.1 单动压边图 12 单动压边的壁厚云图图 13 单动压边的应力分析云图零件单动压边后，从壁厚云图（图 12）来看，零件厚度为 2.0mm，满足图样要求。从应力分析云图（图 13）来看，零件底部无残余应力，应力集中在 R 部位，塑性变形为压
14、边部位。4.1.2 双动压边拉深1) 2)3) 4)5) 6)图 14 双动压边拉深的壁厚变化云图1) 2)3) 4)5) 6)图 15 双动压边拉深应力分析变化云图a）拉深距离为 19mm b）拉深距离为 25mm图 16 双动压边拉深材料 FLC 分析变化云图零件双动压边拉深后，从壁厚变化云图（图 14）来看，拉深距离为 20mm 处开始出现破裂，最薄为 1.65mm，与实际相符。从应力分析及 FLC 变化云图（图 15、图 16）来看，零件的 R 部位应力太大，是造成破裂的原因。4.2 结果分析与工艺改进从仿真计算结果来看，该零件在双动压边拉深时破裂的主要原因为：1、压边力太大；2 、零
15、件 R 偏小；3、零件变形速度太快，一次拉深距离太大。解决措施：1、减小压边力为 5kn。2、将模具 R 部位由 R4.5 返修为 R5.5。3、将一次拉深距离 30mm，变为 20mm25mm 30mm 三次拉深。方案 1 经仿真验证结果如下：图 17 压边力减小后的仿真结果可见将压边力减小为 5KN 后，零件压边部位出现起皱的同时 R 部位破裂，方案 1 不可行（图 17） 。其余两种改进方案 2、3，经过仿真及实际验证，方案改进情况可行，零件拉深后壁厚公差满足 QJ262A-2005钣金冲压件通用技术要求表 3 仿真结果拉深次数 拉深高度 零件最小壁厚1 20mm 1.76mm1.8mm
16、2 25mm 1.72mm1.74mm3 30mm 1.7mm1.72mm4.3 实际产品生产情况2016 年 4 月，零件拉深根据仿真情况仿真改进后，交付情况见表 4。表 4 仿真改进后交付情况拉深高度 零件最小壁厚 交付合格率 备注30mm 1.64mm 65.3% 仿真改进前30mm 1.7mm 91.7% 仿真改进后a）仿真改进前零件成形情况 b）仿真改进后零件成形情况图 18 仿真改进前后的零件成型过程保护盖的实际生产情况与仿真结果的基本相似、数值略有差异，但零件成形的整体趋势基本相同，尤其是变形 R 部位及拉深高度的对 LF3 拉深质量的影响，可以看出仿真的结果对模具设计具有较高的
17、参考价值（见图 18） 。4.4 造成仿真结果与实际零件有差异的原因（1 ）材料参数与实际出厂炉批有差异，（2 ）使用有限元技术仿真拉深，必须对模型划分网格，网格单元与建模模型有不可避免的微小误差。5 收获及推广应用前景分析本项目采用 PAM-STAMP 软件仿真对保护盖的理论成形方法进行仿真，根据仿真结果确定了模具设计方案，零件的实际生产情况验证了仿真结果。在本项目的研究中，有以下收获：（1 ）对有限元技术有了一定了解，掌握了使用 PAM-STAMP 软件对双动压边拉深成形进行仿真的方法；（2 ）研究了 LF3 铝板的拉深工艺，获得了试验数据；（3 ）通过仿真计算和实际生产，进一步理解金属塑
18、性成形原理。目前战略发动机研制中还有许多 LF3 铝板拉深件，可以采用 PAM-STAMP 软件对其进行仿真成形，研究工艺、工装方法，解决成形难题。6 结论仿真软件 PAM-STAMP 可以对具有显著各向异性的铝板的拉深成形进行仿真计算，零件仿真结果的成形趋势与实际生产基本符合。在选择工艺设计方案时，仿真结果具有较高的参考价值。参考文献1 PAM-STAMP User,s GuideESI Group, 20092 关诗惇，何声健.冲压工艺学M.西安：西北工业大学出版社. 19873 李硕本.冲压工艺学M.北京：机械工业出版社. 19824 张鼎承.冲模设计手册M.北京：机械工业出版社. 19
19、885 航空工艺装备设计手册编写组.航空工艺装备设计手册-冷冲模设计M.北京：机械工业出版社. 19886 张凯峰, 王国峰先进材料超塑成形技术M.北京:科学出版社. 20127 邰清安, 李治华, 孙立群等. 航空发动机塑性成形技术的应用与展望J. 航空制造技术, 2014 ( 7) : 34398 岳陆游, 袁国定. 椭圆盒形拉延件合理毛坯的研究J. 金属成形工艺, 2001(6):11- 13.9 印雄飞, 叶 又, 彭颖红等. 板料成形数值模拟中计算时间的控制J. 模具工业, 1999(7):11- 13.10 李钰, 马继山. 钣金件快速精确加工中的激光切割工艺分析J. 火箭推进,
20、2008.(8):43-4711 GB/T5028-1999, 金属薄板和薄带拉伸应变硬化指数(n)值试验方法S 致 谢论文的写作过程确实是个艰苦的历程，但是自己还是尽力地投入到这项工作中去，不断地搜集资料，修改与整理论文，其中的艰辛可想而知。幸运的是，在论文的撰写过程中，我得到了导师的帮助，在此向他表示深深的感谢。导师总是及时、耐心地引导我该怎么样去写好论文并对论文提出了许多宝贵的意见，从导师那里学会的一种“严谨、认真、耐心”的学术态度让我终生受益。还有我的一些同学和朋友，帮忙提供了一些宝贵的资料，可以说，正是这些良师益友的帮助，才使我克服了论文写作过程中的种种困难，使我有信心完成。最后，我要衷心地对曾经给予我帮助的老师和所有朋友以及我的家人致以崇高的敬意和深深的感谢。
