1、矩形水槽冲压成形有限元分析与研究毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要冲压成形越来越多地应用在汽车制造业及其它工业中。矩形件是板材成形中的一种典型件，因此研究影响矩形水槽冲压成形的各种因素是非常重要的。本课题利用 Dynaform 对矩形水槽拉深进行了因素影响的有限元仿真分析。通过改变各工艺参数，研究分析矩形件冲压成形的成形极限、板料的变薄及增厚情况，找出最优的分块压边圈方案，得出压边力、速度、凹模圆角半径、凹模转角半径等工艺参数的较优组合，可以有效地提高矩形件的冲压成形性能，为现实中零件的设计和生产提供一个可行的方案。关键词 板料成形 矩形水槽 有限元分析矩形水槽冲压成形
2、有限元分析与研究毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要Title Finite Element Analysis and Research of Rectangular Tank Stamping AbstractStamping is increasingly used in automobile manufacturing and other industries. Rectangular part is one of the typical workpieces in sheet metal forming process. It is very important
3、to study on various factors which affecting stamping rectangular tank.The finite element analysis of the factor which affecting rectangular tank drawing is simulated via Dynaform. By changing the process parameters, the depth of forming, the changing of thickness and thinness during the forming proc
4、ess is analyzed. The optimal block the blank holder scheme is founded. A suitable combination of factors which includes blank holder force, punching speed, the die fillet radius, the die corner radius is gotten. Thus，it can effectively improve forming performance of rectangular piece. A feasible opt
5、ion is provided for the real part of the design and production.Keywords Sheet metal forming Rectangular tank Finite element analysis本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 I 页 共 I 页目 录1 绪论 .11.1 选题背景 .11.2 矩形件冲压成形研究现状 .11.3 主要研究目标及内容 .21.4 论文的组织结构 .32 矩形件冲压成形工艺理论分析 .42.1 矩形件冲压成形理论 .42.2 矩形件冲压成形工艺特点 .52.3 影响矩形水槽
6、冲压成形的因素 .62.4 本章小结 .63 基于有限元的矩形水槽拉深成形建模与仿真 .83.1 Dynaform 简介 .83.2 基于 Dynaform 的矩形水槽冲压成形模拟的流程 .93.3 矩形件成形仿真 .103.4 本章小结 .214 矩形件拉深成形的模拟分析 .224.1 压边圈方式对成形的影响 .224.2 凸模冲压速度对成形的影响 .234.3 凹模圆角半径对成形的影响 .264.4 凹模直壁转角半径对成形的影响 .294.5 压边力对成形的影响 .314.6 根据分析结果设计优化方案 .364.7 本章小结 .38结束语 .40致 谢 .42参 考 文 献 .43本 科
7、毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 44 页1 绪论1.1 选题背景拉深是板料冲压成形中的主要成形方式,在汽车、航空航天、石油化工等诸多等领域均有广泛的应用。例如,汽车车身覆盖件、大油罐等的成形均采用拉深工艺。然而,如何保证板料塑性成形零件的质量,降低废品率,减少模具的返工,缩短模具设计周期,一直是板料塑性成形领域的一大难点。板料冲压成形是现代工业中一种十分重要的加工方法,在汽车、家用电器、仪器仪表等领域得到广泛应用。拉深又称拉延、压延或引伸，是冲压成形技术中的一种重要工艺。它是利用拉深模具在压力机的压力作用下，将预先剪裁或冲裁成一定形状的毛坯，控制成立体空心件的一种加
8、工方法。拉深件的可加工尺寸范围也是相当广泛的，从几毫米的小零件直到轮廓尺寸达 2-3 米的大型零件，都可以用拉深方法制成，因此在汽车、飞机、仪表、电子等工业部门以及日常生活用品的冲压生产中，拉深工艺占据相当重要的地位1-3。传统的冲压工作,需要花费大量的时间进行冲压工艺计算,然后设计制造出相应的冲压模具,再试压,修正模具的工作参数。由于数值模拟可以帮助人们预测加工结果,有助于提高生产效率,所以采用有限元法对金属塑性成形过程进行全面数值模拟,已得到该领域广大学者的普遍重视。20 世纪 80 年代以前,受有限元分析方法和计算机速度的限制,有限元分析主要处理小规模的线性问题。90 年代以后,有限元软
9、件功能的逐渐完善,近年来发展起来的数值模拟技术帮助解决了冲压模拟这一塑性加工领域的难题 4-5。本课题即针对矩形水槽冲压成形的常见缺陷和问题，以简单的非轴对称零件矩形零件为研究对象，首先通过文献查阅分析确定影响矩形水槽压成形主要变化因素：压边力、分块压边圈的划分及凹模圆角、凹模转角等，继而运用Dynaform对矩形件进行简单的有限元仿真分析，找出这些因素对矩形水槽冲压成形的影响；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 矩形件冲压成形研究现状自英国学者 Alexander Parks 在 1857 年开发并取得铜板拉深工艺专利以来，拉深成形工艺不断取得发展和广
10、泛应用。在目前的理论研究中，对非轴对称拉深变形的研究成果很多，也比较成熟。迄今为止，国内外专家学者对矩形件的研究主要集中在如下几个方面：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 44 页（1）用试验手段对矩形件法兰部分的特定部位进行应力应变解析，分析了法兰变形及直边部的变形缓和作用随形状特性的变化，并通过适当地切除板坯的角部材料或调整板坯长短边变形尺寸，研究对拉深极限的影响。如北京理工大学的鄂大辛采用实验手段对盒形件法兰部分的特定部位进行应力应变解析，分析了法兰变形及直边部的变形缓和作用随形状特性的变化，并通过适当地切除板坯的角部材料或调整板坯长短边变形尺寸，研究对拉
11、深极限的影响 6；如 2008 年臧顺来等人对盒形件法兰起皱临界压边力影响规律研究，研究起皱是盒形件拉深成形中的主要缺陷，而压边力是控制法兰起皱的主要手段，研究了材料性能和工艺参数对盒形件拉深法兰起皱临界压边力的影响规律 7。（2）利用边界节点的初始速率就可确定最优毛坯的外形，如 1999 年上海交通大学的姚华和陈军采用神经网络技术预测毛坯外形 8和 2000 年韩国学者 Shim Hyunbo，K.Son 等人提出形状灵敏度分析方法设计非圆拉深件的最优毛坯外形 9。（3）在金属板材成形中，起皱预测和防止的研究一直是热点和难点所在，起皱预测的研究至今已有 50 多年的历史，早期通常采用解析模型
12、研究方法，随着计算机技术的发展，有限元数值模拟在近年来成为主要研究手段。如 2000 年上海交通大学的郑晓丹、汪锐、何丹农应用专家系统技术进行了盒形件拉深极限的研究，阐述了专家系统在盒形件拉深成形极限分析中的应用，论述了建立专家系统的关键技术,包括系统信息描述、知识表示方法、实例库的建立以及系统的推理结构等 10。1.3 主要研究目标及内容本项课题以矩形水槽为研究对象。通过对简单的矩形水槽冲压成形进行有限元数值模拟，比较几种不同情况下矩形水槽的成形效果，得出成形效果最优的一组参数。本课题的主要内容归纳如下：（1）分析国内外的研究现状，确定本课题的研究内容；（2）研究并分析矩形水槽成形理论和其成
13、形缺陷，如起皱、破裂和为充分拉深，确定其影响因素：压边力、模具参数等；（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，确定研究矩形水槽成形工艺的具体仿真试验方案；（4）选择板料及模具的参数，使用 Pro/E 建立 CAD 模型，使用 Dynaform 建立冲压模具、分块压边圈和板料的有限元模型，选定合适的试验参数；（5）对比不同的分块压边圈的成形效果，确定所采用的分块压边圈；本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 44 页（6）通过改变影响一系列矩形水槽冲压成形的因素的仿真试验，比较成形性能，得出矩形水槽冲压成形的优化方案。1.4
14、 论文的组织结构本文以板料拉深成形中比较有代表意义的矩形水槽为主要研究对象，从理论上分析和研究其拉深成形过程中成形机理和变形特点及缺陷，并用板料成形模拟仿真专用软件Dynaform 对矩形水槽进行仿真和分析，并对矩形水槽成形的最优方案进行预测。全文分为五章，各章内容如下：第 1 章：简要介绍了课题研究的背景和意义，分析了国内外冲压成形工艺相关技术的研究现状，确立了课题的研究内容和目标，阐述了论文的结构安排。第 2 章：进行矩形水槽拉深过程的理论分析，并简要分析了矩形件冲压成形工艺的特点和影响矩形水槽冲压成形的因素。第 3 章：介绍了 Dynaform 软件以及矩形水槽冲压成形的有限元模拟的流程
15、。第 4 章：用 Dynaform 对拉深成形进行模拟分析，对不同影响因素作用下的矩形水槽成形过程对其变形特点进行了仿真分析，得出矩形水槽冲压成形的优化方案。结论：简要总结了本课题研究取得的成果与不足，并对今后的工作进行了展望。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 44 页2 矩形件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）
16、 、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。本文选取矩形水槽这一简单典型的盒形件作为拉深研究对象。2.1 矩形件冲压成形理论矩形水槽属于低盒形件，低盒形件拉深时(图 2.1)仅有微量材料冲角部转移到直边，即圆角与直角间的相互影响很小，因此可以认为直边部分只是简单的弯曲变形，毛坯按弯曲变形展开计算。圆角部分只发生拉深变形，按圆筒拉深展开，再用光滑曲线进行修正即得毛坯。计算步骤如下：按弯曲计算直边部分的展开长度 lo 。 pr5.70H式中：H包括修边余量内的矩形件的高度，mm，r p底部圆角半径。把圆角部分看成是直径为 2r、高为 H 的
17、圆筒件，则展开的毛坯半径为：（ ）（ r6.10.8r2R时pr（ ）时用光滑曲线连接直边和圆角部分，即得毛坯的形状和尺寸。具体做法是：由 BC 中点作圆弧 R 的切线，再以 R 为半径作圆弧与直边和切线相切。这时面积 ,拉深时f圆角部分多出的面积 向直边转移以补充直边部分面积 的不足。ff本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 44 页图 2.1 矩形件的毛坯确定2.2 矩形件冲压成形工艺特点此处省略 NNNNNNNNNNNN 字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩矩形件是一种非旋转体零件
18、。矩形件零件可划分为 2 个长度为 和 2 个长度为prL的直边加上 4 个半径为 的 1/4 圆筒部分。假设 4 个圆角部分连接起来，把直边pr2Bpr分开，则圆角部分的变形相当于直径为 、高为 H 的圆筒件的拉深，直边部分的变形相pr2当于弯曲。但实际上圆角部分和直边部分是联系在一起的整体，因此矩形件的拉深又不完全等同于简单的弯曲和拉深 10。（1）矩形件拉深成形时，零件表面网格发生了明显变化。由此表明法兰变形区直边部分发生了横向压缩变形，使圆角处的应变强化得到缓和，从而降低了圆角部分传力区的轴向拉应力，相对提高了传力区的承载能力。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6
19、 页 共 44 页（2）矩形件拉深时，法兰变形区圆角处的拉深阻力大于直边的拉深阻力圆角处的变形程度大于直边处的变形程度。因此，变形区内金属质点的位移量直边处大于圆角处，导致了这两处的位移速度的不同，而毛坯的这两部分又是联系在一起的整体，变形时必然相互牵制，这种位移速度差会引起剪切力，这种剪切力称为位移速度诱发剪应力。虽然，诱发剪切力在两处交界面达到最大值，并由此向直径和圆角处的中心线逐渐减小。圆角部分传力区内剪应力减小了，从而也相对地提高了传力区的承载能力。由于上述原因，矩形件成形极限高于直径为 2r 的圆筒形件的成形极限。（3）剪应力形成的弯矩引起变形区平面内的弯曲变形，从而使变形区变得相当
20、复杂。板平面内的弯曲变形使变形区直边处外缘和圆角处内缘形成起皱的危险区，同时还可能引起矩形件壁裂的产生 11-13。2.3 影响矩形水槽冲压成形的因素影响矩形件冲压质量因素非常多，如毛坯参数、模具参数、板材参数、工艺条件(如压边力、冲压速度、模具和板料的润滑条件等)等等。本文主要研究冲压速度、压边力、模具参数对成形结果的影响 14-16。（1）冲压速度冲压速度与冲压过程有着十分密切的关系，冲压速度的大小直接影响冲压产品的的成形智力。其中当速度过大时, 在变形过程起皱的趋势降低；速度过小时，起皱就会明显增加。（2）压边力零件拉深中的主要缺陷为起皱和开裂，压边力过小，矩形件的法兰变形区部分的材料容
21、易失稳起皱，压边力过大，矩形件的斜坡过度区材料流动困难，容易拉裂。当模具基本确定时，先粗选压边力，然后对成形过程进行数值模拟。矩形水槽冲压成形过程中由于板料存在厚度差,整体压边圈难以满足压边要求。由于在模拟中发现改变压边力不能解决矩形水槽边沿部分的起皱，解决这样的问题要使用不同的压边力，所以运用分块压边圈的方式来使矩形水槽的冲压成形优化。分块压边圈比整块压边圈能使矩形件获得更好的成形深度,板料的减薄情况得到改善；可以通过调整压边力组合工艺参数的方法使矩形水槽获得更好的成形性能，研究为提高矩形水槽的成形性能以及分块压边圈在矩形水槽板冲压成形中的应用提供了指导。（3）模具参数当凹模圆角半径过小时，拉伸毛坯的直壁部分与底部过渡区的弯曲变形加大，使危本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 44 页险断面的强度受到削弱，毛坯侧壁传力区的拉应力相应增大，这样会使拉伸系数增大，板料的变形阻力增加，从而引起总的拉伸力增加、成形件出现开裂和模具寿命降低；若凹模的圆角半径过大，板料的变形阻力小，金属的流动性好，但也会减小压边的有效面积，使制件容易起皱。2.4 本章小结本章首先介绍了矩形水槽件冲压成形的基本理论，分析了矩形水槽的变形特点，并在此基础上找出了影响其冲压成形的因素及本文要研究的主要因素，为第四章矩形水槽压成形的仿真分析与优化奠定了理论基础。
