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沖壓模具設(shè)計(jì)中側(cè)壁起皺的分析
F.-k. Chen and Y.-C. Liao
臺灣 臺北市國立臺灣大學(xué)機(jī)械工程部門
在沖壓過程中，起皺一般發(fā)生在有錐度的方形杯子和帶有階梯的矩形杯子成形時。這兩種起皺類型的共同特征是起皺都發(fā)生在相對沒有支撐的側(cè)壁。在沖壓一個有錐度的方形杯子時，當(dāng)發(fā)生起皺時，比如沖模間隙和沖壓毛壞的壓力大小等參數(shù)的影響通過有限元模擬方法被檢查到。模擬結(jié)果顯示沖模間隙越大，起皺的就越明顯，而且起皺不能通過增加沖壓力來被抑制。在研究帶有階梯的矩形杯子沖壓過程的起皺時，發(fā)現(xiàn)了一個有相似幾何類型的實(shí)際部分。在側(cè)壁被發(fā)現(xiàn)的起皺是因?yàn)榻橛跊_頭和階梯邊緣的金屬板料不平衡伸展造成的。為減少起皺，一個最適宜的沖模設(shè)計(jì)方法就是利用有限元分析法。在無起皺產(chǎn)品中介于模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果的好協(xié)議使有限元分析法生效，而且證實(shí)了利用有限元分析法去設(shè)計(jì)沖模的優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：側(cè)壁起皺；沖模；階梯的矩形杯子；帶有錐度的主形杯子
1． 介紹
起皺是在金屬板料成形中主要的缺陷之一。由于性能和視察的原因，在產(chǎn)品中起皺往往不能被接受。在金屬板料成形過程中，有三種形式的起皺頻繁的發(fā)生：邊緣起皺，側(cè)壁起皺和由于殘余的彈性壓力引起的未變形區(qū)域的彈性彎曲。在沖壓一個復(fù)雜形狀零件的操作時，側(cè)壁起皺意味著沖模腔中的起皺。由于側(cè)壁區(qū)域的金屬板料相對于其它區(qū)域的金屬板料不被工具所保征質(zhì)量，側(cè)壁起皺的消除比邊緣起皺的抑制更難。很明顯，在未被加固的側(cè)壁區(qū)域中的金屬材料的額外拉伸可能防止起皺，而且在實(shí)際操作中也可以通過增加沖壓力來防止起皺，但是過度的拉力會通過裂痕導(dǎo)致失敗。因此，沖壓力必須處于一個狹小的范圍，一方面，要高于抑制起皺的力，另一方面，要低于產(chǎn)生破裂的力。沖壓力的狹小范圍很難計(jì)算。對于沖壓一個復(fù)雜形狀的零件，當(dāng)起皺發(fā)生在中心區(qū)域時，有意義的沖壓力范圍甚至不存在。
為了檢查起皺的形成結(jié)構(gòu)，Yoshida et al.發(fā)明了一種測試，在這種測試?yán)?，一塊薄板料不是均勻的沿著它的斜度被拉伸。他們也計(jì)劃一個近似的理論模型，在這種模型里面，起皺的開始取決于在壓力不均勻區(qū)域中有壓縮的側(cè)部力的彈性灣曲。Yu et al.從實(shí)驗(yàn)性和分析性上研究起皺問題，通過理論分析，他發(fā)現(xiàn)帶有兩個圓周波的起皺可能發(fā)生，然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示是四到六個。當(dāng)通過一個有錐度的模具畫出金屬板料時，Narayanasamy和sowerby用平底的沖頭和半球狀的沖頭檢查金屬板料的起皺。他們也試圖去把可以抑制起皺的道具分類。
那些努力都被聚中于和簡單形狀零件關(guān)聯(lián)的起皺問題上，例如：一個圓形的杯子。在90年代早期，金屬板料成形中三維動態(tài)軟件和有限元方法的成功運(yùn)用使得分析包括在沖壓一個復(fù)雜形狀零件的起皺問題成為可能。在當(dāng)前的研究中，三維有限元分析法被用來分析在沖壓一個帶有階梯的矩形部分的過程中，產(chǎn)生起皺的金屬流動制造參數(shù)上。
一個帶有階梯的方形杯子，在杯子的每一邊都有一個傾斜的側(cè)壁，在帶有錐度的杯子也相應(yīng)的存在傾斜的側(cè)壁。在沖壓過程中，側(cè)壁上的金屬板料相對沒被支撐，因此，這個部位更容易起皺。在當(dāng)前的研究中，起皺過程中的各種不同的制造參數(shù)的影響都在被研究。在沖壓一個帶有階梯的方形杯子時，就像圖1B顯示的一樣，可以觀測到另一種形式的起皺。為了評估分析的效力，在當(dāng)前的研究中，一個確切階梯幾何形狀的物體被檢測。通過使用有限元分析法和用適宜的模具設(shè)計(jì)來減少起皺，起皺的原因被確定。在觀測一個實(shí)際產(chǎn)品成形時，通過有限元分析法得到的模具設(shè)計(jì)方法得到證實(shí)。
圖1帶有錐度方形杯子的拉伸（a）和帶有階梯的矩形杯子的拉伸（b）
2有限元模型
包括沖頭、模具和毛壞固定器等工具幾何學(xué)是用CAD或PRO/E軟件來設(shè)計(jì)的。同樣用CAD軟件，三節(jié)點(diǎn)和四節(jié)點(diǎn)的外形元素被采用用來為以上工具生產(chǎn)網(wǎng)眼系統(tǒng)。對于有限元模擬來說，工具被認(rèn)為是剛硬的，而且對應(yīng)的網(wǎng)眼被用來定義工具幾何學(xué)而不是壓力分析。同樣CAD軟件使用四節(jié)點(diǎn)外形元素來為板形壞料構(gòu)造網(wǎng)眼。圖2顯示工具的完整布置的網(wǎng)眼系統(tǒng)和用來沖壓帶有階梯方形杯子的板形壞料。由于對稱條件，方形杯子的四分之一被分析。在模擬中，板形壞料放在壓力機(jī)上，沖模向下移動，逆著壓力機(jī)夾緊板形壞料。然后沖模上升使得板形壞料按著模腔成形。
圖2 有限元網(wǎng)眼
為了表演一個精確的有限元分析法，金屬板料的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線被要求是輸入數(shù)據(jù)的一部分。在當(dāng)前的研究中，拉深成形的金屬板料也被用來模擬。為在飛機(jī)上切割下的樣本測試被進(jìn)行，它們依次從0度的旋轉(zhuǎn)方向到45度的旋轉(zhuǎn)方向，再到90度的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行著。平均的流動力σ，計(jì)算方程為σ=（σ0+2σ45+σ90）/4，因?yàn)槊恳粋€方法真實(shí)應(yīng)變通常用來模擬帶錐度方形杯子和帶階梯矩形的沖壓，就如圖3顯示的那樣。
當(dāng)前研究中所有的模擬利用有限元程序PAM-STAMP涉及SGI Indigo2工作站。為了完成模似所需輸入數(shù)據(jù)的設(shè)置，沖頭的速度一般設(shè)置在10m/s，庫侖摩擦系數(shù)設(shè)置在0.1。
圖3 金屬板料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系
3 錐度方形杯中的起皺
正像圖1a顯示的那樣，草圖暗示著一些有關(guān)錐度方形杯子的尺寸，方形沖頭每一面的長度（2WP）、模腔的尺寸（2Wd）和高度(H)被認(rèn)為是影響起皺的至關(guān)重要尺寸。在當(dāng)前研究中，模腔尺寸和沖頭尺寸的差距的一半稱作沖模間隙（記作G），G= Wd- WP。相關(guān)的在側(cè)壁沒被支撐的金屬板料的寬度取決于沖模間隙，起皺假想通過增加沖壓力來被抑制。相對于沖壓一個錐度方形杯子，沖模間隙和沖壓力兩方面的影響在接下來的部分被研究。
3.1沖模間隙的影響
為了檢查沖模間隙對起皺的影響，在沖壓一個錐度方形杯子時，分別用20mm，30mm，50mm大小的沖模間隙進(jìn)行模擬沖壓。在每次模擬沖壓中，模腔的尺寸都是固定在200mm，而且杯子拉深的高度都是100mm。三次模擬中使用的金屬板料都是380X380的方形尺寸，厚度也都是0.7mm，金屬的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。
圖4 G=50mm的帶有錐度的方形杯子
模擬結(jié)果顯示三次模擬中都發(fā)生起皺現(xiàn)象，沖模間隙為50mm沖壓出來的杯子模擬形狀如圖4。從圖4中可以看出，起皺分布在側(cè)壁，側(cè)壁拐角尤其明顯。這就說明在沖壓過程中，起皺是由于在側(cè)壁有大面積區(qū)域不被支撐，同樣，由于沖模間隙不一樣，沖頭各邊的長度和模腔尺寸也不一樣。由于橫向壓力的存大，在沖頭和模腔中拉深成形的金屬板料越來越不牢固。在壓縮下，側(cè)壁金屬板料不受限制的拉伸是起皺的主要原因。為了比較三種不同間隙沖壓出來的產(chǎn)品，兩個主要的應(yīng)變比率β被介紹，β=εmin/εmax，這里的εmin和εmax分別是主要的和次要的應(yīng)變。Hosford和Caddell已經(jīng)展示了β的實(shí)際值比β的評論值大，假設(shè)當(dāng)起皺發(fā)生時，β的實(shí)際值越大，起皺的可能性就越大。
在三個沖模間隙不同的沖壓中，同一側(cè)壁高度，沿著橫截面M-N的β值在圖4中標(biāo)記出，在圖5中畫出。圖5中說明嚴(yán)重的起皺一般發(fā)生在拐角處，而對三個沖模間隙不同的沖壓，在側(cè)壁中心很少發(fā)生起皺。還說明了沖模間隙越大，β的實(shí)際值就越大。因此，增加沖模間隙將增加在錐度方形杯子側(cè)壁處發(fā)生起皺的可能性。
3.2沖壓力的影響
眾所周知，在沖壓過程中，增加沖壓力可以幫助排除起皺。為了研究增加沖壓力的影響，沖模間隙為50mm與起皺是有關(guān)聯(lián)的，用沖模間隙為50mm的模具沖壓帶有錐度方形杯子被用不同的沖壓力來模擬了。沖壓從100KN增加到600KN，這兩個力分別產(chǎn)生0.33Mpa和1.98Mpa。在上述部分，剩下的模擬條件與給定的是一樣的。處于中間的300KN也被用來模擬。
模擬結(jié)果顯示沖壓力的增加并沒有幫助消除發(fā)生在側(cè)壁的起皺。在圖4中已標(biāo)出沿著橫截面M-N的β值與沖壓力為100KN和600KN的β值作比較。模擬結(jié)果指出兩種情況下，沿著橫截面M-N的β值是一樣的。為了檢查兩種不同沖壓力的起皺形狀，正如圖4和圖6標(biāo)出的那樣，側(cè)壁上從底部向上有五處不同位置的橫截面。從圖6可以看出，兩個外殼的波浪形橫截面是相似的。這就說明在沖壓帶有錐度的方形杯子時，沖壓力不影響起皺的發(fā)生，這是因?yàn)槠鸢櫟脑蛑饕怯捎谠谟袡M向壓力存在的側(cè)壁處有大面積區(qū)域不被支撐。沖壓力對沖頭和模腔之間材料不穩(wěn)定的模式并沒有影響。
圖5 沿著橫截面M-N不同沖模間隙的β值
4階梯矩形杯子
在沖壓一個階梯矩形杯子時，起皺發(fā)生在側(cè)壁即使沖模間隙并不是那么重要。輪廓1顯示沖壓階梯矩形杯子的沖頭草圖，在這張草圖中，側(cè)壁C沿臺階D-E而行。在近期的研究中，在一個實(shí)際的產(chǎn)品中檢查到了這種幾何形狀。這種產(chǎn)品使用的原材料的厚度是0.7mm，從拉力測試中獲得的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。
這種沖壓部分產(chǎn)品的程序包括通過清理焊縫的深拉。在這種深拉過程中，沒有焊縫被用在沖模表面來幫助幫助金屬的流動。但是，由于沖頭拐角處的半徑過小和其復(fù)雜的幾何形狀，如圖7顯示的那樣，在沖頭邊緣上部經(jīng)常發(fā)生拉裂，在真實(shí)產(chǎn)品的側(cè)壁處經(jīng)常發(fā)生起皺。從圖7中可以看出，皺紋發(fā)分布在側(cè)壁上，但是在階梯邊緣拐角處最為嚴(yán)重，就像圖1（b）中A-D，B-E顯示的那樣。在沖頭的上部邊緣，金屬往往被拉裂，就像圖7所示。
為了進(jìn)一步的了解沖壓過程中板料的變形，誕生了一種有限元的方法。這種有限元模擬方法被在最初的設(shè)計(jì)中。部分的模擬形狀如圖8所示。從圖8中可以看出，零件上部邊緣的網(wǎng)眼被拉深，皺紋分布在側(cè)壁上，類似真實(shí)零件中的那樣。
圖6 從圖a的100KN到圖b的600KN不同側(cè)壁高度的橫截面線條
圖7 產(chǎn)品零件中的拉裂和起皺
圖8 產(chǎn)品拉裂和起皺的模擬形狀
如圖1（b）就像A-B邊緣半徑和沖孔拐角處A的半徑一樣，沖孔的半徑也很小，這被認(rèn)為是拉裂的最主要原因。但是，根據(jù)有限元分析的結(jié)果，拉裂可以通過增加以半徑來避免。這種理念在現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品中通過增加半徑得到證實(shí)。
個別的嘗試也被用來消除起皺。第一，沖壓力加到原來的2倍。但是，就像在拉深帶有錐度的杯子中得到的結(jié)果一樣，沖壓力對消除起皺現(xiàn)象沒有起有很大的效果。通過增加摩擦和毛坯尺寸也得到同樣的結(jié)論。于是我們推測，這種起皺不能通過增加沖壓力來得到抑制。
由于在金屬屈服于過大壓力的區(qū)域，往往會因?yàn)榇罅康慕饘倭鲃佣鸢?，一種通過在起皺區(qū)域增加掛鉤用于消除起皺的簡單方法被用來吸收多余的材料。為了多余的金屬能有效的被吸收，掛鉤應(yīng)該平衡的加在起皺位置。基于這種理念，兩個掛鉤被加在鄰近在壁上吸收多余的材料，如圖9如示。模擬結(jié)果顯示，階梯拐角處的起皺正如想象的那樣被吸收，但是，一些起皺仍然沒被吸收。這說明在側(cè)壁處需要更多的掛鉤來吸收所有過量的材料，但是這在模具設(shè)計(jì)中是不允許的。
利用有限元分析法分析沖壓工序的一個優(yōu)勢是沖壓過程中板料的變形形狀可以被監(jiān)測，而這在真實(shí)的產(chǎn)品沖壓過程中是不可能的。對沖壓過程中金屬流動的精密監(jiān)測顯示板料最開始通過沖頭的力按模腔的形狀成形，直到板料接觸到如圖1（b）階梯D-E邊緣才形成起皺。起皺的形狀如
圖9 加到側(cè)壁的起皺
圖10顯示的那樣。這就為模具設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供了有價值的信息。
圖10 當(dāng)板料接觸臺階邊緣的起皺形成
圖11 切除了的臺階拐角
對于起皺的發(fā)生，最初的一個猜想是沖頭拐角處范圍A和階梯拐角處范圍D之間的金屬板料處于不平坦的拉深，就如圖1（b）所示。階梯拐角處被切主要是為了改善拉深條件，這樣就允許通過增加階梯邊緣有更多的拉伸被應(yīng)用到如圖11所示，從而使得模具設(shè)計(jì)的改進(jìn)得到發(fā)展。但是，杯子側(cè)壁處仍然有起皺，這就意味著起皺是因?yàn)檎麄€沖頭邊緣和整個階梯邊緣的不平坦引起的，不僅僅是沖頭拐角處和階梯拐角處之間的不平坦。為了證實(shí)這種說法，兩種改進(jìn)過了的模具設(shè)計(jì)被用來實(shí)驗(yàn)：為了描述想象中的形狀用兩種拉深操作，一種是切去整個階梯，而另一種是增加更多的拉深操作。前一個方法的模擬形狀所圖12所示。自從更低的階梯被切去后，拉深工序與圖12中的矩形杯子拉深工序性很相似。從圖12中可以看出起皺現(xiàn)象已被消除。
在這兩種操作的拉深工序中，板料最初是被拉到很深的階梯處，如圖13（a）所示，然后，較低的階梯在第二步拉深操作中成形，同是，如圖13（b）所示的想象形狀也得到了。從圖13（b）可以清晰的看出，通過兩步拉深工序可以造出沒有起皺的階梯矩形杯子，同時也說明在兩步拉深工序中，如果相應(yīng)的順序被應(yīng)用，則更低一些的階梯處的成形是伴隨更深階梯處成形和最深階梯邊緣處成形的最早成形，如圖1(b)中的A-B，因?yàn)榻饘俨蝗菀淄ㄟ^較低的階梯進(jìn)入模具型腔。
圖12改善模具設(shè)計(jì)的模擬形狀
圖13 兩個操作步驟中的a第一步操作 b第二步操作
有限元分析法說明用簡單的拉深操作來設(shè)計(jì)理想產(chǎn)品的沖壓模具設(shè)計(jì)是很難完成的。但是，由于額外的模具費(fèi)用和操作費(fèi)用，兩個操作的制造費(fèi)用是很高的。為了保持較低的制造費(fèi)用，零件的設(shè)計(jì)師對形狀做出了合適的改變，而且通過有限元模擬分析法結(jié)果去切除較低的臺階來改善模具設(shè)計(jì)，如圖12所示。隨著設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)，產(chǎn)品真實(shí)的沖壓模具被制造出來，而且零件還沒有起皺，如圖14所示。通過有限元模擬分析法得到的零件也沒有起皺。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證有限元模擬分析法的結(jié)果，有限元模擬分析法得到的沿橫截面G-H的厚度分布如圖14所示，這與產(chǎn)品的尺寸做了比較，比較的結(jié)果顯示在圖15。從圖15可以看出有限元模擬分析法得到的預(yù)想的厚度分布和產(chǎn)品得到的厚度分布是相符合的。這種吻合證實(shí)了有限元模擬分析法的效率。
圖14 無缺陷產(chǎn)品零件
圖15 G-H處模擬和測量厚度
5概要和結(jié)束語
通過有限元模擬分析法研究了兩種在沖壓過程中的起皺，而且還檢查了其起皺的原因和消除起皺的方法。
第一種形式的起皺發(fā)生在沖壓帶有錐度的方形杯子的側(cè)壁上，這種起皺的原因是因?yàn)闆_模間隙過大（沖模間隙就是模腔的尺寸和沖頭的尺寸的差距）。當(dāng)金屬被拉至模腔中，在沖頭和型腔中有一有害的拉深時，大的沖模間隙導(dǎo)致金屬板料的大面積區(qū)域不被支撐，因此大面積區(qū)域不被支撐導(dǎo)致起皺。有限元模擬分析法顯示這種起皺不能通過增加沖壓力的方法來得到抑制。
另一種形式的起皺發(fā)生在有階梯矩形的幾何形狀物體沖壓過程中。起皺往往發(fā)生在臺階以上的側(cè)壁，甚至沖模的間隙不是足夠的大。通過有限元模擬法得知，這種起皺主要是由于在沖頭和臺階邊緣存在不平坦的拉伸。在模具設(shè)計(jì)過程中，通過有限元模擬分析法單獨(dú)的嘗試被用來消除起皺，切除了臺階的模具被建立。通過無缺陷的零件證實(shí)了這種模具設(shè)計(jì)方法對消除起皺的作用。有限元模擬分析法得到的結(jié)果和真實(shí)產(chǎn)品中看到的結(jié)果相吻合說明了有限元模擬分析法的準(zhǔn)確性，還證實(shí)了用有限元分析法代替真實(shí)的模具制造方法的效力。
感謝
作者希望感謝中國人民共和國民族科學(xué)委員會授于NSC-86-2212-E002-028編號才使得這個項(xiàng)目得到發(fā)展。他們也希望感謝KYM提供了產(chǎn)品零件。
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5. W.F.Hosford 和 R.M.Caddell，金屬成形:機(jī)械和冶金，1993年第二季。
畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)）
題目：多目標(biāo)優(yōu)化的汽車覆蓋件的設(shè)計(jì)
——汽車頂蓋模具設(shè)計(jì)
（英文）：Mold Design of Automobile Covering Based on
Multi-objective Optimization——Car Roof Die Design
院 別： 機(jī)電學(xué)院
專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
姓 名：
學(xué) 號：
指導(dǎo)教師：
日 期： 2010年5月29日
多目標(biāo)優(yōu)化的汽車覆蓋件的設(shè)計(jì)
——汽車頂蓋模具設(shè)計(jì)
摘要
本文以建模軟件Pro/E和沖壓仿真分析軟件Dynaform為工具，以典型汽車覆蓋件（車頂蓋）為例，應(yīng)用計(jì)算機(jī)對產(chǎn)品進(jìn)行三維建模及仿真計(jì)算沖壓模具工作過程，通過分析結(jié)果，驗(yàn)證模具設(shè)計(jì)是否合理，防止起皺、拉裂等不良現(xiàn)象。實(shí)踐證明，采用沖壓仿真分析軟件DYNAFORM對汽車覆蓋件成形過程進(jìn)行模擬，并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行沖壓工藝規(guī)劃和模具的設(shè)計(jì)，可以降低成本，縮短生產(chǎn)周期，提高模具的設(shè)計(jì)質(zhì)量。主要講述仿真分析技術(shù)在汽車覆蓋件模具制造中的實(shí)際應(yīng)用。探討了虛擬制造技術(shù)在汽車模具制造中的重要性和優(yōu)勢，提出了虛擬制造技術(shù)在汽車模具開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用。在簡單介紹了虛擬制造的原理及其組成部分后，對其在汽車覆蓋件模具制造中的應(yīng)用給出了詳細(xì)說明，重點(diǎn)介紹了在汽車覆蓋件模具制造中如何使用虛擬制造技術(shù)，給出了應(yīng)用的一般流程，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)技術(shù)給予了詳細(xì)說明。
關(guān)鍵詞：沖壓；仿真；Dynaform；覆蓋件；模具設(shè)計(jì)
Mold Design of Automobile Covering Based on
Multi-objective Optimization——Car Roof Die Design
ABSTRACT
In this paper we use modeling software Pro/E and simulation software Dynaform as a tool, take the typical automobile cover (car roof) as an example, use the computer to model the product and simulate the stamping process，through result analysis, we confirm the mold is designed reasonably. Such design would prevent such bad phenomenon as wrinkle and fracture and so on. It has been proved, using the stamping simulation analysis software Dynaform to make the simulation of automobile cover forming process, and making the stamping process plan and the mold design according to the simulation results, can reduce the cost, shorten production cycle, enhance the mold design quality. In order to explain the Simulation Analysis Technology's application in automobile covering mould manufacturing, discusses the importance of the virtual manufacturing technology used in mould manufacturing, the application of virtual manufacturing technology was put forward in the field of auto mould development. After virtual manufacturing is simply introduced, a detailed explanation was given in the mould manufacturing application. Additionally, we also introduced how to use the virtual manufacturing technology in the mould manufacturing, and gave the general process, the key technology and some other technical.
Key words: Stamping; Simulation; Dynaform; Covering; Mould design
目錄
1緒論 1
1.1汽車覆蓋件的概念與特點(diǎn) 1
1.1.1汽車覆蓋件的概念 1
1.1.2汽車覆蓋件的成形特點(diǎn) 1
1.1.3 覆蓋件的特殊要求 2
1.1.4 Dynaform 有限元模擬軟件的應(yīng)用 3
1.2 冷沖壓模具發(fā)展現(xiàn)狀及CAE技術(shù)的前景 3
1.2.1我國冷沖壓模具的發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.2.2 CAE技術(shù)的發(fā)展前景 4
1.3論文的提出及研究意義 4
1.3.1論文的提出 4
1.3.2研究意義 4
1.4研究的主要內(nèi)容 5
2汽車覆蓋件拉延模沖壓工藝分析 6
2.1產(chǎn)品的工藝分析 6
2.1.1覆蓋件沖壓工藝的特點(diǎn) 6
2.2沖壓工藝的確定 6
2.2.1沖壓方向的確定 7
2.2.2 工藝補(bǔ)充部分設(shè)計(jì) 8
2.2.3壓料面的確定 9
2.2.4工藝孔及工藝切口 10
2.2.5 增加拉延筋或拉延檻 10
2.2.6加工方案的確定 11
3對汽車覆蓋件的拉延工藝的有限元分析 13
3.1 DYNAFORM軟件的三大組成部分 13
3.1.1 DYNAFORM前處理 13
3.1.2 DYNAFORM求解器 14
3.1.3 DYNAFORM的后處理 14
3.2 DYNAFORM軟件在板料成形過程中的分析流程 14
3.3采用仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 15
3.4模具設(shè)計(jì)的有限元分析與仿真 16
3.4.1參數(shù)初步確定 16
3.4.2模型的建立 16
3.4.3對零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分 17
3.4.4 沖壓方向的調(diào)整 19
3.4.5創(chuàng)建壓料面和工藝補(bǔ)充部分 20
3.4.6對壓料面進(jìn)行裁剪 22
3.4.7毛坯的確定 23
3.4.8 Draw Die模塊參數(shù)設(shè)置 25
3.4.9成形缺陷的分析判斷 26
3.4.10解決起皺的方法 29
3.4.11解決開裂的方法 31
4模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的確定及ISIGHT分析 31
4.1對DYNAFORM仿真結(jié)果進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化 31
4.1.1 iSIGHT簡介 31
4.1.3 響應(yīng)面法的簡單介紹 33
4.1.4 多目標(biāo)優(yōu)化的基本思路 33
4.1.5 目標(biāo)函數(shù)對產(chǎn)品的影響與控制 38
4.2選用模具的類型及結(jié)構(gòu) 39
4.2.1三種拉延模的比較 39
4.2.2確定拉延模的類型 41
4.2.3 壓力機(jī)的選擇 41
4.3汽車覆蓋件沖壓成形的沖壓方式 41
4.3.1拉延模的主要組成部分 42
4.4結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù) 42
4.4.1凸模結(jié)構(gòu) 43
4.4.2空氣孔的設(shè)計(jì) 43
4.4.3導(dǎo)向板 44
4.4.4壓邊圈和凹模的導(dǎo)向 45
4.4.5 壓料筋和壓料檻 46
4.4.6 升降機(jī)頂件器 48
4.4.7 模具總體裝配圖 49
總結(jié) 51
參考文獻(xiàn) 52
致謝 54
附錄 A 圖紙清單 55
多目標(biāo)優(yōu)化的汽車覆蓋件的設(shè)計(jì)
1緒論
1.1汽車覆蓋件的概念與特點(diǎn)
1.1.1汽車覆蓋件的概念
汽車覆蓋件（以下簡稱覆蓋件）是指構(gòu)成汽車車身或駕駛室、覆蓋發(fā)動機(jī)和底盤的薄金屬板料制成的異形體表面和內(nèi)部零件。轎車的車前板和車身、載重車的車前板和駕駛室等都是由覆蓋件和一般沖壓件構(gòu)成的。覆蓋件組裝后構(gòu)成了車身或駕駛室的全部外部和內(nèi)部形狀，它既是外觀裝飾性的零件，又是封閉薄殼狀的受力零件。覆蓋件的制造是汽車車身制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
覆蓋件的分類：
（1）按功能和部位分類：可分為外部覆蓋件、內(nèi)部覆蓋件和骨架類覆蓋件三類。外部覆蓋件和骨架類覆蓋件的外觀質(zhì)量有特殊要求，內(nèi)部覆蓋件的形狀往往更復(fù)雜。
（2）按工藝特征分類：
（a）對稱于一個平面的覆蓋件。諸如發(fā)動機(jī)罩、前圍板、后圍板、散熱器罩和水箱罩等。這類覆蓋件又可分為深度淺呈凹形彎曲形狀的、深度均勻形狀比較復(fù)雜的、深度相差大形狀復(fù)雜的和深度深的幾種。
（b）不對稱的覆蓋件。諸如車門的內(nèi)、外板，翼子板，側(cè)圍板等。這類覆蓋件又可分為深度淺度比較平坦的、深度均勻形狀較復(fù)雜的和深度深的幾種。
（c）可以成雙沖壓的覆蓋件。所謂成雙沖壓既指左右件組成一個便于成型的封閉件，也指切開后變成兩件的半封閉型的覆蓋件。
（d）具有凸緣平面的覆蓋件。如車門內(nèi)板，其凸緣面可直接選作壓料面。
（e）壓彎成型的覆蓋件。
以上各類覆蓋件的工藝方案各有不同，模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)亦有很大差別。本論文研究的是外部覆蓋件，屬于對稱于一個平面的覆蓋件。
1.1.2汽車覆蓋件的成形特點(diǎn)
與一般沖壓件相比，覆蓋件具有材料薄、形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大和表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。覆蓋件的工藝設(shè)計(jì)、沖模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和沖模制造工藝都具有特殊性。因此，在實(shí)踐中常把覆蓋件從一般沖壓件中分離出來，作為一各特殊的類別加以研究和分析。
在板材沖壓成形中，汽車覆蓋件是最復(fù)雜的沖壓件。零件上經(jīng)常有許多局部的凸起、筋條等形狀，且零件尺寸大，毛坯相對厚度小。往往要經(jīng)過拉延、切邊、翻邊等多道工序甚至十幾道工序才能得到一個汽車覆蓋件的成品件。
1.1.3 覆蓋件的特殊要求
1、表面質(zhì)量
覆蓋件表面上任何微小的缺陷都會在涂漆后引起光線的漫反射而損壞外形的美觀，因此覆蓋件表面不允許有波紋、皺折、凹痕、擦傷、邊緣拉痕和其他破壞表面美感的缺陷。覆蓋件上的裝飾棱線和筋條要求清晰、平滑、左右對稱和過渡均勻，覆蓋件之間的棱線銜接應(yīng)吻合流暢，不允許參差不齊?？傊采w件不僅要滿足結(jié)構(gòu)上的功能要求，更要滿足表面裝飾的美觀要求。
2、尺寸形狀
覆蓋件的形狀多為空間立體曲面，其形狀很難在覆蓋件圖上完整準(zhǔn)確地表達(dá)出來，因此覆蓋件的尺寸形狀常常借助主模型來描述。主模型是覆蓋件的主要制造依據(jù)，覆蓋件圖上標(biāo)注出來的尺寸形狀，其中包括立體曲面形狀、各種孔的位置尺寸、形狀過渡尺寸等，都應(yīng)和主模型一致，圖面上無法標(biāo)注的尺寸要依賴主模型量取，從這個意義上看，主模型是覆蓋件圖必要的補(bǔ)充。
3、剛性
覆蓋件拉延成型時，由于其塑性變形的不均勻性，往往會使某些部位剛性較差。剛性差的覆蓋件受至振動后會產(chǎn)生空洞聲，用這樣零件裝車，汽車在高速行駛時就會發(fā)生振動，造成覆蓋件早期破壞，因此覆蓋件的剛性要求不可忽視。檢查覆蓋件剛性的方法，一是敲打零件以分辨其不同部位聲音的異同，另一種是用手按看其是否發(fā)生松馳和鼓動現(xiàn)象。
4、 工藝性
覆蓋件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸決定該件的工藝性。覆蓋件的工藝性關(guān)鍵是拉延工藝性。覆蓋件一般都采用一次成型法，為了創(chuàng)造一個良好的拉延條件，通常將翻邊展開，窗口補(bǔ)滿，再加添上工藝補(bǔ)充部分，構(gòu)成一個拉延件。工藝補(bǔ)充是拉延件不可缺少的組成部分，它既是實(shí)現(xiàn)拉延的條件，又是增加變形程度獲得剛性零件 的必要補(bǔ)充。工藝補(bǔ)充的多少取決于覆蓋件的形狀和尺寸，也和材料的的性能有關(guān)，形狀復(fù)雜的深拉延件，要使用08ZF鋼板。工藝補(bǔ)充的多余料需要在以后工序中去除。拉延工序以后的工藝性，僅僅是確定工序次數(shù)和安排工序順序的問題。工藝性好可以減少工序次數(shù)，進(jìn)行必要的工序合并。審查后續(xù)工序的工藝性要注意定位基準(zhǔn)的一致性或定位基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，前道工序?yàn)楹罄m(xù)工序創(chuàng)造必要的條件，后道工序要注意和前道工序銜接好。
1.1.4 Dynaform 有限元模擬軟件的應(yīng)用
汽車覆蓋件多為空間自由曲面，具有結(jié)構(gòu)尺寸大，形狀復(fù)雜，材料薄等特點(diǎn)，成形過程涉及幾何非線性，材料非線性和復(fù)雜的接觸摩擦問題。傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方法難以預(yù)先估計(jì)板料成形過程中板料的成形性和模具設(shè)計(jì)的正確性。利用板料沖壓成形有限元模擬軟件Dynaform可以預(yù)測成形過程中板料的裂紋、起皺、減薄、劃痕和回彈，評估板料的成形性能。
1.2 冷沖壓模具發(fā)展現(xiàn)狀及CAE技術(shù)的前景
1.2.1我國冷沖壓模具的發(fā)展現(xiàn)狀
由于冷沖壓模具有表面質(zhì)量好、重量輕、成本低的優(yōu)點(diǎn),它還是一種經(jīng)濟(jì)的加工方法,這是其他加工方法不能與之競爭的。因而冷沖壓工藝在機(jī)械制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用,它在現(xiàn)代汽車、拖拉機(jī)、電機(jī)、電器、儀器、儀表以及飛機(jī)、導(dǎo)彈、槍彈、炮彈和各種民用輕工業(yè)中已成為主要的工藝之一。目前,大量產(chǎn)品均可以通過鋼板沖壓直接生產(chǎn),有些機(jī)械設(shè)備往往以沖壓件所占的比例作為評價結(jié)構(gòu)是否先進(jìn)的指標(biāo)之一。
其中，汽車、摩托車行業(yè)的冷沖壓模具需求占國內(nèi)冷沖壓模具市場的一半左右。汽車、摩托車行業(yè)的發(fā)展將會大大推動冷沖壓模具工業(yè)的高速增長,特別是汽車覆蓋件冷沖壓模具、塑料冷沖壓模具和壓鑄冷沖壓模具的發(fā)展，對中國冷沖壓模具工業(yè)和技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的推動作用。
從1997年開始對部分冷沖壓模具企業(yè)實(shí)行了增值稅返還 70%的優(yōu)惠政策。所有這些國家對冷沖壓模具工業(yè)采取的優(yōu)惠政策也將對其發(fā)展提供有力支持。雖然我國的冷沖壓模具工業(yè)和技術(shù)在過去的十多年得到了快速發(fā)展,但與國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比仍存在較大差距,尚不能完全滿足國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的需求。
1.2.2 CAE技術(shù)的發(fā)展前景
為了加快產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度,克服模具設(shè)計(jì)周期長等缺點(diǎn)。應(yīng)大力開展模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造(CAD/CAM/CAE)技術(shù)的研究。因?yàn)槔肅AE技術(shù)，可以有效地降低對模具設(shè)計(jì)人員的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)要求，對模具設(shè)計(jì)中常出現(xiàn)的起皺、拉裂等現(xiàn)象制止于設(shè)計(jì)階段，提高模具的設(shè)計(jì)精度，降低模具的生產(chǎn)成本，縮短模具的設(shè)計(jì)開發(fā)周期。
中國冷沖壓模具工業(yè)和技術(shù)的主要發(fā)展方向包括:(1)在冷沖壓模具設(shè)計(jì)制造中廣泛應(yīng)用CAD/CAE/CAM技術(shù)；(2)研究和應(yīng)用冷沖壓模具的高速測量技術(shù)與逆向工程；(3)開發(fā)新的成形工藝和冷沖壓模具。
1.3論文的提出及研究意義
1.3.1論文的提出
目前國外汽車覆蓋件模具CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展已進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用階段，不僅全面提高了模具設(shè)計(jì)的質(zhì)量，而且大大縮短了模具的生產(chǎn)周期。近些年來，我國在汽車覆蓋件模具CAD技術(shù)的應(yīng)用方面也取得了顯著的進(jìn)步，但傳統(tǒng)的沖壓模具加工工藝依然占據(jù)著主導(dǎo)地位。從理論上說，模具設(shè)計(jì)是CAD/CAE技術(shù)最能發(fā)揮優(yōu)越性的領(lǐng)域。但我國目前模具CAD的成果并不十分顯著，尤其是在汽車覆蓋件模具CAD技術(shù)應(yīng)用方面，這項(xiàng)技術(shù)的巨大潛力還未充分發(fā)揮出來，解決這個問題的關(guān)鍵就是要提高CAD/CAE技術(shù)在模具設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用水平。
歐美推出一種新車型需要48個月，日本則只需30個月。我國在對汽車新車型，尤其是轎車車型的開發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)方面比較落后，其中一個重要的原因就是覆蓋件模具的設(shè)計(jì)效率低。國內(nèi)傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方法已適應(yīng)不了汽車工業(yè)的發(fā)展需要，而引進(jìn)國外的覆蓋件模具產(chǎn)品不僅要花費(fèi)大量的外匯，而且會嚴(yán)重阻礙汽車產(chǎn)品的更新?lián)Q代。要解決上述問題，就必須研究開發(fā)我國自己的模具CAD技術(shù)。同時引進(jìn)國外先進(jìn)的通用造型軟件進(jìn)行二次開發(fā)無疑是一種必要而又有效的手段。本論題就是在這樣的背景下提出的。
1.3.2研究意義
在傳統(tǒng)的汽車覆蓋件模具開發(fā)過程中，當(dāng)模具設(shè)計(jì)及制造完成后，需要經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試修改，才能得到滿意的汽車零件。在調(diào)試過程中，一些成形缺陷，如破裂、起皺、回彈、翹角等問題，主要是憑借模具鉗工師的經(jīng)驗(yàn)，通過試模、修模、再試模、再修模的循環(huán)過程才能解決。這種方法不但降低了生產(chǎn)效率，而且生產(chǎn)出的模具精度往往達(dá)不到預(yù)期的要求，還會加長模具的開發(fā)周期。在汽車覆蓋件設(shè)計(jì)過程中,由于技術(shù)能力、開發(fā)周期和開發(fā)成本等諸多因素的限制,技術(shù)人員不可能僅依靠大量的傳統(tǒng)試錯分析對覆蓋件的成形方案進(jìn)行改進(jìn)。因此,基于成形過程數(shù)值模擬,尋求適用于汽車覆蓋件成形過程的優(yōu)化方法,具有重要的工程意義和研究價值。
通過CAD和CAE集成設(shè)計(jì)了汽車覆蓋件模具、壓料面以及工藝補(bǔ)充部分，在有限元分析軟件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了覆蓋件模具設(shè)計(jì)， 解決了模擬后的模具形狀參數(shù)化調(diào)整問題，不但節(jié)省了大量時間，而且也能保證模擬順利進(jìn)行，提高了設(shè)計(jì)可靠性。
1.4研究的主要內(nèi)容
本論文主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：1.用PRO/E軟件對產(chǎn)品（汽車頂蓋）進(jìn)行三維建模并生成AotoCAD格式的圖紙，同時也轉(zhuǎn)換成IGES格式的文件。2.通過有限元軟件DYNAFORM對沖壓成形過程的仿真選擇適合的材料。3.利用DYNAFORM的BSE模塊精確的計(jì)算毛坯的外形尺寸。4.分析車頂蓋在沖壓成型過程中可能會出現(xiàn)的局部減薄破裂、增厚起皺現(xiàn)象。通過分析預(yù)測，可以有效的提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，減少單件的生產(chǎn)成本。
本課題選用DYNAFORM軟件對車頂蓋沖壓成形進(jìn)行數(shù)值模擬，因?yàn)镈YNAFORM對用戶的工程背景及理論知識要求并不高，具有界面友好和方便以及操作流程自動的特點(diǎn)。圖1.1是應(yīng)用DYNAFORM進(jìn)行車門沖壓成形模擬分析的方法過程。
從PRO/E軟件讀入幾何模型（IGES）
↓
有限元網(wǎng)格劃分并進(jìn)行模型檢查(Model Check)
↓
定義成形工具
↓
生成毛坯
↓
設(shè)置成形參數(shù)
↓
求解器計(jì)算
↓
后置處理，分析計(jì)算結(jié)果得到應(yīng)力極限圖、應(yīng)力應(yīng)變圖和厚度云圖
圖1.1 DYNAFORM軟件車頂蓋成形分析流程圖
2汽車覆蓋件拉延模沖壓工藝分析
2.1產(chǎn)品的工藝分析
2.1.1覆蓋件沖壓工藝的特點(diǎn)
(1)盡可能用一道工序成形出覆蓋件的形狀。因?yàn)槎纬尚谓?jīng)常發(fā)生成形不完整的情況，造成覆蓋件表面質(zhì)量惡化。
(2)覆蓋件的成形深度盡可能平緩均勻，使各處的變形程度趨于一致。在多道工序成形時，預(yù)先要很好考慮前后各工序間的相互協(xié)調(diào)，并保證使各工序成形條件都達(dá)到良好狀態(tài)。
(3)覆蓋件上的孔一般應(yīng)在零件成形之后沖出，以防預(yù)先的孔在成形過程中發(fā)生變形。如孔位于零件上不變形或變形極小的部位時，當(dāng)孔的精度要求不高時，也可在零件成形前沖出。
(4)覆蓋件在主成形之后，一般為翻邊、修邊等工序，在進(jìn)行主成形工序的坯料形狀尺寸和成形工藝設(shè)計(jì)時，應(yīng)充分考慮為后續(xù)翻邊、修邊等工序提供良好的工藝條件，包括變形條件、模具結(jié)構(gòu)、零件定位、送料、取件等。
2.2沖壓工藝的確定
拉伸件的工藝性是編制覆蓋件沖壓工藝首先要考慮的問題，只有設(shè)計(jì)出一個合理的、工藝性好的拉伸件，才能保證在拉伸過程中不起皺、不開裂或少起皺、少開裂。在設(shè)計(jì)拉伸件時不但要考慮沖壓方向、沖壓位置、壓料面形狀、拉伸筋的形狀及配置、工藝補(bǔ)充部分等可變量的設(shè)計(jì)，還要合理地增加工藝補(bǔ)充部分，正確確定壓料面。各可變量設(shè)計(jì)之間又有相輔相成的關(guān)系，如何協(xié)調(diào)各變量的關(guān)系是成形技術(shù)的關(guān)鍵，要使之不但滿足該工序的拉伸，還要滿足該工序沖模設(shè)計(jì)和制造工藝的需要，并給下道熔邊、翻邊工序創(chuàng)造有利條件。
2.2.1沖壓方向的確定
零件的沖壓方向是確定拉伸工藝首先要遇到的問題，它不但決定能否拉伸出滿意的拉伸件，而且還影響到工藝補(bǔ)充部分的多少和壓料面的形狀。合理確定沖壓方向應(yīng)滿足以下3方面的要求：
1、保證凸模能夠進(jìn)入凹模
如圖 2.1所示，凹模右方下邊的形狀向外凸出，最凸出點(diǎn)超過凹模口尺寸，使凸模不能進(jìn)入凹模，這個拉伸方向是不能進(jìn)行拉伸的，必須改變拉伸方向，使凸模能夠進(jìn)入凹模。如圖2.1(b)所示，將圖2.1(a)沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)一個角度．使凸棋能夠進(jìn)入凹模。
1
2
注：1、凸模； 2、沖壓件
（b）
（a）
圖2.1 沖壓方向調(diào)整圖
2、使凸模接觸毛坯的面積大
接觸面越大，接觸面與水平面的夾角越小．毛坯越不易發(fā)生局部應(yīng)力過載而使零件產(chǎn)生破裂。材料在拉伸時貼模性能提高，容易獲得完整的凸模形狀，有利于提高零件的變形程度。
3、壓料面各部分進(jìn)料阻力要均勻可靠
壓料應(yīng)盡量保證毛料平放，壓料面各部位進(jìn)料阻力應(yīng)均勻。拉延深度均勻，拉入角相等，才能有效地保證進(jìn)料阻力均勻。
2.2.2 工藝補(bǔ)充部分設(shè)計(jì)
為了給覆蓋件創(chuàng)造一個良好的拉延條件，需要將覆蓋件上的窗口填平，開口部分連接成封閉形狀，有凸緣的需要平順改造使之成為有利成型的壓料面，無凸緣的需要增補(bǔ)壓料面，這些增添的部分稱為工藝補(bǔ)充部分。
工藝補(bǔ)充是拉延工藝不可缺少的部分，拉延后又需要將它們修切掉，所以工藝補(bǔ)充部分應(yīng)盡量減少，以提高材料的利用率。工藝補(bǔ)充部分除考慮拉延工藝和壓料面的需要外，還要考慮修邊和翻邊工序的要求，修邊方向應(yīng)盡量采取垂直修邊?？赡懿捎玫膸追N修邊型式如下:
圖2.2 工藝補(bǔ)充部分的幾種況
（1）修邊線在拉延件壓料面上，如圖2.2（a）所示。此時壓料面應(yīng)是覆蓋件的凸緣面，修邊采取垂直修邊。為了在模具使用中打磨壓料筋槽不致影響修邊線，修邊線至拉延筋的距離A一般取25mm。
（2）修邊線在拉延件底面上，如圖2.2（b）所示。采用垂直修邊，工藝補(bǔ)充尺寸一般?。?
B＝3～5mm；
C＝10～20mm；
D——按保留有多于1.5根完整拉延筋形狀考慮。
R凸＝3～10mm，深度淺和直線部分取下限，深度深和曲線部分取上限；
R凹＝8～10mm。
（3）修邊線在拉延件短斜面上，如圖2.2（c）所示。采用垂直修邊，工藝補(bǔ)充尺寸一般?。?
E＝B＝3～5mm；
α≥5o。
（4）修邊線在拉延件長斜面上，如圖2.2（d）所示。垂直修邊，修邊線是按覆蓋件翻邊展開確定的，所以拉延輪廓外形不能完全平行修邊線，圖中F是變化的，不同情況取不同最小值，F(xiàn)還和拉延件在修邊時的定位有關(guān)，如圖11所示。一般?。?
F≥8mm（用拉延檻定位）；
F＝3～5mm（用側(cè)壁定位）；
β＝6o～12o。
（5）修邊線在拉延件側(cè)壁上，如圖2.2（e）所示。采用水平修邊或傾斜修邊，修邊線至凹模圓角半徑的距離G是一個變量，它決定水平修邊凹模鑲塊的強(qiáng)度。
設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)修邊線的位置確定各工藝補(bǔ)充部分的尺寸，特別是凹模R圓角處，因凹模圓角部分對抗伸毛坯進(jìn)料阻力影響很大，直接關(guān)系到拉伸件的起皺或開裂，所以取值要合理。工藝補(bǔ)充部分的凹模圓角半徑一般取8～10mm，在能夠拉出滿意的拉伸件的條件下，盡可能減少工藝補(bǔ)充部分，但必要時還要有意增加工藝補(bǔ)充(如凹槽、斜槽、凸筋等)。如果在設(shè)計(jì)拉伸件時，經(jīng)過仔細(xì)分析，已考慮到某一部分(形狀變化急劇的部分)在拉伸時有多余的金屬，材料易流動，可能會產(chǎn)生起皺，那么在這部分的工藝補(bǔ)充上加凹槽或凸筋等，使多余的金屬在拉伸過程中流到凹?；蛲菇钪校浞治斩嘤嗟牟牧?，使拉伸不易起皺。同時加凹槽時要考慮到修邊容易去掉，這個方法可有效地解決拉伸起皺問題。
2.2.3壓料面的確定
覆蓋件拉延成形的壓料面形狀是保證拉延過程中材料下破不裂和順利成型的首要條件，確定壓料面形狀應(yīng)滿足如下要求。
1、有利于降低拉延深度
平壓料面奪料效果最佳，但為了降低拉延深度，常使壓料面形成一定的傾斜角。
2、壓料面應(yīng)保證凸模對毛料有一定程度的拉延效應(yīng)。
壓料圈和凸模的形狀應(yīng)保持一定的幾何關(guān)系，使毛料在拉延過程中始終處于緊張狀態(tài)，并能平穩(wěn)漸次地緊帖凸模，不允許有多余的產(chǎn)生皺紋。為此，必須滿足下列條件：
（1）壓料面展開長度比凸模表面展開長度短；
（2）凸模表面夾角比壓料面表面夾角小。
3、壓料面平滑光順有利于毛料往凹模型腔內(nèi)流動。
壓料面上不得有局部的鼓包、凹坑和下陷。如果壓料面是覆蓋件本身的凸緣上有凸起和下陷時，應(yīng)增加整形工序。壓料面和沖壓方向的夾角大于90o，會增加進(jìn)料阻力，也是不可取的。
2.2.4工藝孔及工藝切口
工藝孔或工藝切口必須在修邊線之外的多余材料上，修邊時不應(yīng)影響工件的形狀。覆蓋件需要局部反拉延時，如果采用加工該部圓角和使側(cè)壁成斜度的辦法，仍然拉不出所需深度時，往往采取沖工藝切口的辦法來改善反拉延的條件，使反拉延變形區(qū)從內(nèi)部工藝補(bǔ)充部分得到補(bǔ)充材料。
工藝孔在拉延前預(yù)先沖制，一般和落料工序合并，采取落料沖孔復(fù)合模。工藝孔的數(shù)量、尺寸大小和位置需要由拉延模試沖確定。工藝切口一般在拉延過程中切出，廢料不分離，和拉延件一起退出模具。工藝切口的最佳沖制時間是在反拉延成型到最深，即將產(chǎn)生破裂的時刻，這樣可以充分利用材料的塑性，使反拉延成型最需要材料補(bǔ)充的時候能夠獲得所需要的材料。工藝切口也要由試沖決定。
2.2.5 增加拉延筋或拉延檻
覆蓋件拉延成型時，在壓料面上設(shè)拉延筋或拉延檻，對改變阻力，調(diào)整進(jìn)料速度使之均勻化和防止起皺具有明顯的效果。歸納起來設(shè)拉延筋的主要作用有如下幾點(diǎn)：
（1）增加局部區(qū)域的進(jìn)料阻力，使整個拉延件進(jìn)料速度達(dá)到平衡狀態(tài)；
（2）加大拉延成型的內(nèi)應(yīng)力數(shù)值，提高覆蓋件的剛性；
（3）加大徑向拉應(yīng)力，減少切向壓應(yīng)力；延緩或防止起皺。
拉延筋和拉延檻的設(shè)定原則如下：
（1）拉延件有圓角和直線部分，在直線部分設(shè)拉延筋，使進(jìn)料速度達(dá)到平衡；
（2）拉延件有直線部分，在深度淺的直線部分設(shè)拉延筋，深度深的直線部分不設(shè)拉延筋；
（3）淺拉延件，圓角和直線部分均設(shè)拉延筋，但圓角部分只設(shè)一條筋，直線部分設(shè)1～3條筋。當(dāng)有多條拉延筋時，注意使外圈拉延筋“松”些，內(nèi)圈拉延筋“緊些”，改變拉延筋高度可達(dá)到此目的；
（4）拉延件輪廓呈凸凹曲線形狀，在凸曲線部分設(shè)較寬拉延筋，凹曲線部分不設(shè)拉延筋；
（5）拉延筋或拉延檻盡量靠近凹模圓角，可增加材料利用率和減少模具外廓尺寸，但要考慮不要影響修邊模的強(qiáng)度。
經(jīng)驗(yàn)表明，某些拉延件，不用拉延筋也能成型，但形狀不夠穩(wěn)定，剛性較差。拉延筋是否設(shè)置，設(shè)置位置、數(shù)量和形狀等是拉延成型中的重要問題，它往往成為拉延成敗的關(guān)鍵。圓形嵌入筋、半圓形嵌入筋、方形嵌入筋三種拉延筋中，半圓形嵌入筋加工和調(diào)整較方便，國內(nèi)較多采用。本覆蓋件選取半圓形嵌入筋。通過Dynaform進(jìn)行對覆蓋件的設(shè)置。
2.2.6加工方案的確定
圖2.3 車頂蓋
車頂蓋大體上呈對稱結(jié)構(gòu)，形狀較簡單。根椐制件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因?yàn)楸患庸すぜ螤钔暾?，面積較大，故采用一模一件的生產(chǎn)方案。
(a)主視圖
(b)左視圖
(C)府視圖
(d)軸測圖
圖2.4 一模一件工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)
3對汽車覆蓋件的拉延工藝的有限元分析
3.1 DYNAFORM軟件的三大組成部分
3.1.1 DYNAFORM前處理
DYNAFORM具有功能豐富的前處理功能。首先，它具有強(qiáng)大的圖形文件導(dǎo)入功能，能夠方便而無數(shù)據(jù)丟失地讀入IGES格式文件以及UG，PRO/E，CATIA等主流CAD軟件的圖形文件，同時用戶也可以在DYNAFORM中很方便地創(chuàng)建點(diǎn)，線，面等幾何模型。做到從導(dǎo)入幾何模型開始到計(jì)算結(jié)果的獲得，無須用戶再借助其他工具就可以方便地完成。其次，DYNAFORM具有強(qiáng)大的網(wǎng)格自動剖分功能。它不但可以得到高精度的工具網(wǎng)格，也可以產(chǎn)生出用戶所需的四邊形網(wǎng)格和三角形網(wǎng)格。用戶只需要輸入簡單的控制參數(shù)就可以快速地獲得復(fù)雜幾何曲面網(wǎng)格，并且得到的網(wǎng)格質(zhì)量非常高，使用戶無須花費(fèi)更多的時間對網(wǎng)格進(jìn)行再修復(fù)，節(jié)省了大量的時間。再次，DYNAFORM中的最具需要導(dǎo)入產(chǎn)品曲面，DFE模塊可以完成網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格邊界自動光順，對稱的定義，法蘭的展開，沖壓方向的調(diào)整，內(nèi)部孔洞的自動補(bǔ)充，各種復(fù)雜壓料面的產(chǎn)生，壓料面的裁剪，各種工藝補(bǔ)充面的設(shè)計(jì)，拉延筋的設(shè)計(jì)和網(wǎng)格劃分，載荷曲線的定義，模具的定位等一系列功能。方便用戶在得到分析結(jié)果后對產(chǎn)品零件進(jìn)行反復(fù)修改的操作過程。最后，DYNAFORM中的BSE模塊，可以幫用戶快速地設(shè)計(jì)出坯料的形狀，并且根據(jù)用戶的要求提供各種實(shí)際應(yīng)用中常用到的排樣結(jié)果報(bào)告，做到充分利用材料，提高材料的利用率，節(jié)約成本。
3.1.2 DYNAFORM求解器
DYNAFORM的求解器采用了業(yè)界非常著名的非線性動力顯示有限元分析軟LS-DYNA。LS-DYNA是采用顯隱結(jié)合的算法進(jìn)行板料成形模擬的最具有代表性的軟件。它采用動力顯示求解器模擬沖壓成形過程，計(jì)算效率高，穩(wěn)定性強(qiáng)。同時LS-DYNA近幾年來加強(qiáng)了隱式算法的開發(fā)，并且實(shí)現(xiàn)了顯，隱式無縫集成的功能，在完成沖壓分析后，自動切換到隱式求解器進(jìn)行回彈分析。在回彈分析過程中，可以采用大的時間步長，提高回彈的計(jì)算效率。LS-DYNA包括豐富的材料模型和單元模型，用戶可以根據(jù)實(shí)際沖壓的材料選擇合適的材料模型和單元類型。此外，LS-DYNA的接觸分析功能強(qiáng)大，現(xiàn)在具有40多種接觸類型可以求解下列接觸：變形體對剛體的接觸，變形體對變形體的接觸，變形體對剛體的接觸，剛體對剛體的接觸，板殼結(jié)構(gòu)的單面接觸，與剛性墻接觸、變形體對剛體的接觸、剛體對剛體的接觸、板殼結(jié)構(gòu)的單面接觸等。因此，借助LS-DYNA強(qiáng)大的求解能力，顯式加載隱式卸載等。LS-DYNA是目前業(yè)界公認(rèn)的板料成形模擬結(jié)果準(zhǔn)確性最好的軟件之一。
3.1.3 DYNAFORM的后處理
ETA-POST是ETA公司開發(fā)的一款專門爭對DYNAFORM的后處理軟件。它可以方便用戶直觀地得到求解結(jié)果。用戶可以用云圖顯示板料變形后的應(yīng)力、應(yīng)變信息，材料的厚度分布信息等。用戶可以通過定義任意截面，得到截面上的各種結(jié)果信息。在ETA-POST中新增加的GRAP模塊，使用戶可以利用曲線圖表功能顯示拉深過程中各種參數(shù)隨時間變化的曲線，如界面力的變化、拉延筋阻力的的變化、拉深力曲線等。
3.2 DYNAFORM軟件在板料成形過程中的分析流程
在應(yīng)用DYNAFORM軟件分析板料成形過程時主要包括三個基本部分，即建立計(jì)算模型、求解和分析計(jì)算結(jié)果，其流程如圖3.1所示。
具體應(yīng)用步驟表述如下：
（1）直接在DYNAFORM的前處理器中建立模型或在CAD軟件（如UG、CATIA、PRO/E等）中根據(jù)擬定或初定的成形方案，建立板料、對應(yīng)的凸模和凹模的型面模型以及壓邊圈等模具零件的面模型，然后存為IGES、STL或DXF等文件格式，將上述模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入DYNAFORM系統(tǒng)。
（2）利用DYNAFORM軟件提供的網(wǎng)格劃分工具對板料、凸模、凹模、壓邊圈進(jìn)行網(wǎng)格劃分，檢查并修正網(wǎng)格缺陷（包括單元法矢量、網(wǎng)格邊界、負(fù)角、重疊結(jié)點(diǎn)和單元等）。
（3）定義板料、凸模、凹模和壓邊圈的屬性，以及相應(yīng)的工藝參數(shù)（包括接觸類型、摩擦系數(shù)、運(yùn)動速度和壓邊力曲線等）。
（4）調(diào)整板料、凸模、凹模和壓邊圈之間的相互位置，觀察凸模和凹模之間的相對運(yùn)動，以確保模具動作的正確性。
（5）設(shè)置好分析計(jì)算參數(shù)，然后啟動LS-DYNA求解。
（6）將求解結(jié)果讀入DYNAFORM后處理器中，以云圖、等值線和動畫等形式顯視數(shù)值模擬結(jié)果。
（7）分析模擬結(jié)果，通過反映的變化規(guī)律找到問題的所在。重新定義工具的形狀、運(yùn)動曲線，以及進(jìn)一步設(shè)置毛坯尺寸，變化壓邊力的大小，調(diào)整工具移動速度和位移等，重新運(yùn)算直至得到滿意的結(jié)果。
圖3.1 板料成形過程分析的流程
3.3采用仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
用仿真技術(shù)來解決成型缺陷的問題, 就是一個重復(fù)修改模具或工藝方案, 再進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。這個過程實(shí)際上對應(yīng)于傳統(tǒng)方法上的修模和試模的過程。但在計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)修模和試模有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn), 主要包括如下幾個方面:
(1)節(jié)省時間，一旦給定零件的仿真模型建好, 修改起來就較方便, 只要計(jì)算機(jī)功能足夠強(qiáng), 計(jì)算起來也可以很快。而實(shí)際的修模與試模需要的時間較長。更重要的是, 一旦修過度就需要補(bǔ)模甚至使模具報(bào)廢, 這就更增加了時間。另外, 仿真還可在無人干涉情況下自動進(jìn)行, 這就可以充分利用晚上或節(jié)假日的時間。
(2)節(jié)省費(fèi)用 用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可減少實(shí)際的修模次數(shù),從而減少模具設(shè)計(jì)和制造費(fèi)用。減少模具報(bào)廢率也是節(jié)省費(fèi)用的一個方面。
(3)提高模具品質(zhì)和使用壽命，通過對沖壓過程進(jìn)行仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì), 使模具具備最合理的結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài), 從而提高工件的精度和模具的使用壽命。
(4)提高工件的品質(zhì)和使用性能，通過計(jì)算機(jī)仿真, 不僅可較好地保證工件的形狀和尺寸精度, 還可有效地控制成型中材料的塑性變形程度, 從而控制材料的塑性硬化程度, 改善工件在使用中的力學(xué)性能。
(5)減少廢品率，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)用來優(yōu)化工藝方案和模具設(shè)計(jì)后就可減少生產(chǎn)中的廢品率, 從而提高生產(chǎn)效益。
(6)減少原材料，浪費(fèi)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行毛坯尺寸的準(zhǔn)確計(jì)算, 可減少不必要的原材料浪費(fèi), 從而降低生產(chǎn)成本。
3.4模具設(shè)計(jì)的有限元分析與仿真
3.4.1參數(shù)初步確定
通過對模具結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)，模具類型選用單動拉深模，拉深力為1000kN，壓邊力為450kN。選擇材料厚度為0.8mm的37#高強(qiáng)度板，由于37#材料考慮了材料的各向異性，在回彈過程中一般不會出現(xiàn)收斂的問題，導(dǎo)入U(xiǎn)S標(biāo)準(zhǔn)的材料類型為37#型號為DP600、厚度為0.8mm的板料。
3.4.2模型的建立
(1) 根據(jù)對實(shí)際汽車頂蓋的尺寸估計(jì)，用Pro/E軟件進(jìn)行三維建模（圖3.2）。在這里，為了方便觀察，把零件進(jìn)行渲染。
圖3.2 零件渲染
(2)把數(shù)據(jù)格式為IGES的車頂蓋導(dǎo)入到Dynaform中，得到如圖3.3所示的曲面模型。
圖3.3 曲面模型
3.4.3對零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分
1、網(wǎng)格劃分要點(diǎn)
DYNAFORM軟件的汽車覆蓋件模面設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)過程中很多步驟必須基于有限元網(wǎng)格，因此有限元網(wǎng)格的自動生成是整個汽車覆蓋件模面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，生成有限元網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對模面設(shè)計(jì)和后續(xù)有限元分析的結(jié)果都有重要影響。劃分有限元網(wǎng)格要求考慮的問題較多，需要的工作量較大，所以劃分網(wǎng)格時應(yīng)考慮的一些基本原則有：
（1）網(wǎng)格數(shù)量
網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算規(guī)模的大小。一般來講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計(jì)算精度會有所提高，但同時計(jì)算規(guī)模也會增加，所以在確定網(wǎng)格數(shù)量時應(yīng)權(quán)衡兩個因素綜合考慮。
（2）網(wǎng)格疏密
網(wǎng)格疏密是指在結(jié)構(gòu)不同部位采用大小不同的網(wǎng)格，這是為了適應(yīng)計(jì)算數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn)。在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位（如應(yīng)力集中處），為了較好地反映數(shù)據(jù)變化規(guī)律，需要采用比較密集的網(wǎng)格。而在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較小的部位，為減小模型規(guī)模，則應(yīng)劃分相對稀疏的網(wǎng)格。這樣，整個結(jié)構(gòu)便表現(xiàn)出疏密不同的網(wǎng)格劃分形式。
（3）單元階次
許多單元都具有線性、二次和三次等形式，其中二次和三次形式的單元稱為高階單元。選用高階單元可提高計(jì)算精度，因?yàn)楦唠A單元的曲線或曲面邊界能夠更好地逼近結(jié)構(gòu)的曲線和曲面邊界，且高次插值函數(shù)可更高精度地逼近復(fù)雜場函數(shù)，所以當(dāng)結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則、應(yīng)力分布或變形很復(fù)雜時可以選用高階單元。但高階單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，在網(wǎng)格數(shù)量相同的情況下由高階單元組成的模型規(guī)模要大得多，因此在使用時應(yīng)權(quán)衡考慮計(jì)算精度和時間。
（4）網(wǎng)格質(zhì)量
網(wǎng)格質(zhì)量是指網(wǎng)格幾何形狀的合理性。質(zhì)量好壞將影響計(jì)算精度。質(zhì)量太差的網(wǎng)格甚至?xí)兄褂?jì)算。直觀上看，網(wǎng)格各邊或各個內(nèi)角相差不大、網(wǎng)格面不過分扭曲、邊節(jié)點(diǎn)位于邊界等份點(diǎn)附近的網(wǎng)格質(zhì)量較好。網(wǎng)格質(zhì)量可用細(xì)長比、錐度比、內(nèi)角、翹曲量、拉伸值、邊節(jié)點(diǎn)位置偏差等指標(biāo)度量。
（5）網(wǎng)格分界面和分界點(diǎn)
結(jié)構(gòu)中的一些特殊界面和特殊點(diǎn)應(yīng)分為網(wǎng)格邊界或節(jié)點(diǎn)以便定義材料特性、物理特性、載荷和位移約束條件。即應(yīng)使網(wǎng)格形式滿足邊界條件特點(diǎn)，而不應(yīng)讓邊界條件來適應(yīng)網(wǎng)格。常見的特殊界面和特殊點(diǎn)有材料分界面、幾何尺寸突變面、分布載荷分界線(點(diǎn))、集中載荷作用點(diǎn)和位移約束作用點(diǎn)等。
經(jīng)過以上步驟完成對凹模的有限元建模，在此基礎(chǔ)上，通過單元復(fù)制等手段完成對模具其它部分的有限元建模。同樣，對壓料面和凸模的有限元模型也要經(jīng)過所有的檢查，以保證其質(zhì)量。通過對導(dǎo)入的凹模前處理，以及模型、單元檢驗(yàn)，最終得到如圖3.4所示的DYNAFORM分析軟件中對汽車頂蓋進(jìn)行網(wǎng)格劃分的結(jié)果。
圖3.4 網(wǎng)格劃分
3.4.4 沖壓方向的調(diào)整
沖壓方向是拉延工序設(shè)計(jì)中應(yīng)首先確定的參數(shù)。它不但決定能否拉延出合格的覆蓋件,而且影響到工藝補(bǔ)充部分的多少,以及拉延后各個工序(如整形、修邊、翻邊等)的設(shè)計(jì)方案。調(diào)整沖壓方向時,要考慮零件便于成形及放置。利用Dynaform中DEF模塊,以Preparation命令中的Tipping進(jìn)行沖壓方向調(diào)整。采用自動調(diào)整(Auto-Tipping)及手動調(diào)整(Manual Tipping)功能聯(lián)合調(diào)整,結(jié)合Tip Check中的Undercut功能，以保證無死區(qū)及盡可能減小拉延深度為原則確定沖壓方向。最終調(diào)整沖壓方向如圖3.5所示：
圖3.5 調(diào)整沖壓方向
3.4.5創(chuàng)建壓料面和工藝補(bǔ)充部分
1、創(chuàng)建壓料面（Create Binder）
為了便于拉伸成形，壓料面的形狀不能有異常的凸起或凹坑，要求平滑、光順，盡量簡單化;合理地選擇壓料面與拉伸方向的相對位置;保證壓料面各部分進(jìn)料阻力均勻可靠。所以說，設(shè)計(jì)壓料面的關(guān)鍵技術(shù)是保證拉伸深度基本均勻，將變形方式由拉仲為上的深拉伸變?yōu)槊浶螢橹鞯臏\拉伸。這樣可以減少工藝余料，提高材料的利用率。另外還會減輕模具的粘著情況，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。選擇模具型面設(shè)計(jì)模塊（DFE）的Binder命令，設(shè)定壓料面類型為平壓料面（Flat Binder)，繼而確定壓料面尺寸，創(chuàng)建壓料面。
（a）主視圖
（b）自由角度
圖3.6 創(chuàng)建壓料面
2、通過計(jì)算機(jī)對截面線的設(shè)置
截面線是用來控制工藝補(bǔ)充面的縱向形狀，最終生成的工藝補(bǔ)充面必須和截面線完全吻合。如圖3.7所示，截面線由 3 段組成：
圖3.7 截面線的組成
過渡段： 與零件相連，是圓弧或直線段，包含翻邊展開部分；
模板段： 根據(jù)零件特征及成形條件要求不同可以歸納出常用的幾種典型形狀，或者完全自定義，模板段構(gòu)成拉延側(cè)壁；
末尾段： 與壓邊圈（或壓料面）相連，是圓弧。
由于工藝補(bǔ)充面的二維截面特征線形式比較固定，可以根據(jù)修邊位置及修邊方式的不同，DYNAFORM分析軟件將工藝補(bǔ)充面常用的截面形式分為幾個經(jīng)典類型，做成截面線類型庫。設(shè)計(jì)者從庫中選擇線型，通過 2D 與 3D 窗口交互生成截面線并且可根據(jù)實(shí)際情況在一定范圍內(nèi)修改相關(guān)的特征參數(shù)。如圖3.8所示，其為汽車車頂蓋補(bǔ)充面的二維截面特征線設(shè)置。
圖3.8 設(shè)計(jì)庫中的線型
連接線是一條經(jīng)過截面線各段的端點(diǎn)并連接所有截面線的 NURBS 曲線，它和零件邊界一起構(gòu)成了工藝補(bǔ)充面的輪廓線。第一條連接線最為重要，因?yàn)樗o挨著零件的邊界。必須滿足如下條件：
（1）沿沖壓方向投影時，第一條連接線必須是零件投影的凸包
（2）不能和零件邊界相交
因此，生成第一條連接線僅用截面線第一段的終點(diǎn)作為插值點(diǎn)是不夠的，需要對插值點(diǎn)加密。本文是利用DYNAFORM分析軟件進(jìn)行自動加密。生成工藝補(bǔ)充面如圖3.9所示。
圖3.9 工藝補(bǔ)充效果
3.4.6對壓料面進(jìn)行裁剪
本步驟主要是通過工藝補(bǔ)充面所產(chǎn)生的外形輪廓線對壓料面進(jìn)行剪裁以生成最終的壓料面的形狀，如圖3.10所示：
（a）DFE Modification編輯模塊 （b）修剪后的結(jié)果
圖3.10 修剪壓料面
3.4.7毛坯的確定
在BSE下的Perparation編輯模塊中，點(diǎn)擊BLANK SIZE ESTIMATE，進(jìn)入毛坯設(shè)置界面，在Material Library中選擇DP600高強(qiáng)度板作為毛坯材料，具體設(shè)置如3.11所示：
第一步 第二步
第三步
圖3.11 毛坯的設(shè)定步驟
隨著汽車工業(yè)對于板材要求的不斷增高，高強(qiáng)度化對于板料沖壓成形技術(shù)提出了更高的要求。高強(qiáng)度鋼板具有屈強(qiáng)比低、高的碰撞吸收能和減重效果明顯等優(yōu)點(diǎn)。本論文中的零件采用LS-DYNA 仿真軟件中的37# 參數(shù)材料(DP600) ,材料的主要參數(shù)如表3.1:
DP600參數(shù)
數(shù)據(jù)
楊氏模量Y
210000Mpa
泊松比
0.3
強(qiáng)化系數(shù)K
946Mpa
硬化系數(shù)n
0.164
厚向異性系數(shù)R00
0.8
厚向異性系數(shù)R45
0.7
厚向異性系數(shù)R90
0.9
鋼板厚度t
0.8mm
表3.1 DP600材料參數(shù)表
根據(jù)產(chǎn)品的模型和工藝補(bǔ)充面，通過系統(tǒng)計(jì)算生成毛坯圖，因?yàn)橛?jì)算出來的毛坯大小是與凹模相當(dāng)?shù)?，所以?yīng)該把毛坯適當(dāng)增大，最終確定的毛坯圖如3.12所示：
圖3.12 最終的毛坯圖
3.4.8 Draw Die模塊參數(shù)設(shè)置
在Draw Die模塊里進(jìn)行一些簡單的參數(shù)設(shè)置，利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，就能代替復(fù)雜的人工工藝計(jì)算，取得設(shè)計(jì)者想要得計(jì)算結(jié)果。影響沖壓成形結(jié)果的因素很多，包括模具的形狀和結(jié)構(gòu)、拉延筋參數(shù)、板坯的大小、厚度及材料流動、壓邊力、摩擦和潤滑等情況。通過對影響成形結(jié)果的因素進(jìn)行合理修改，可以得到更好的仿真效果，減少實(shí)際生產(chǎn)中的調(diào)模、修模時間。打開Draw Die模塊，并選擇各個部分進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)加載材料，在沒有定義前的線條為紅色，加載后為綠色，各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置好后如圖3.13所示：
圖3.13 Draw Die參數(shù)設(shè)置界面
3.4.9成形缺陷的分析判斷
沖壓成形中主要缺陷是開裂、起皺、回彈及影響外觀質(zhì)量的沖擊線、滑移線等, 由于引起成形缺陷的原因不同, 判斷的方法也不相同, 對于不同用途的沖壓件, 其判斷的標(biāo)準(zhǔn)出不同。開裂的分析判斷。開裂可以從兩個方面進(jìn)行: 一是從實(shí)驗(yàn)或理論計(jì)算得到的成形極限曲線( FLC) , 給10%的安全裕度,在成形極限圖( FLD) 中, 超過這個范圍的部位被認(rèn)為有開裂的可能; 二是變薄率( Thinning) , 有時板材雖然沒有超過成形極限, 但過分的變薄也影響其使用性能, 一定厚度的材料在模擬分析中如果變薄率超過一定范圍也應(yīng)判定為開裂。起皺的分析判斷。一是產(chǎn)品在分析中出現(xiàn)明顯的皺褶, 仿真過程中如果沖壓行程式離下死點(diǎn)一定距離還有明顯起皺也認(rèn)為產(chǎn)品最終會起皺; 三是增厚率分析, 增厚率超過一定百分比也認(rèn)為起皺。變形不足分析判斷。對于某些外覆蓋件, 塑性變形不足將影響產(chǎn)品的剛性和精度, 當(dāng)板材的主應(yīng)變小于一定百分比時判為變形不足。沖擊線及滑移線分析判斷。板料與模具的初始接觸線在最終成形后是否落在產(chǎn)品區(qū)域內(nèi), 判定時在外觀件上尋找圓角半徑小于10mm 的輪廓線, 測量其與凸?；虬寄５某跏冀佑|線在后續(xù)成形過程中的滑移量。
在模具設(shè)計(jì)中得到的車頂蓋沖壓件形狀, 以及表示特征的工藝補(bǔ)充面、壓料面。在定義好模具各部分運(yùn)動和邊界條件, 然后提交工作到LS- DYNA 進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果可以在DYNAFORM的后處理器中通過各種表達(dá)方式來觀察, 如等值線圖、彩色云圖、曲線圖等可以方便地獲知板料成形中各個階段的應(yīng)力應(yīng)變、厚度變化、變形位移等。本設(shè)計(jì)考慮到車頂蓋的變形特點(diǎn), 選用成形極限圖和厚度變化圖作為評價成形性能好壞的主要指標(biāo)。
1、成形極限圖（FLD）分析
圖3.14設(shè)計(jì)不合理圖
FLD圖中顏色變化自上而下的顏色變化為紅、黃、綠、灰、藍(lán)、粉紅，其顯示色系的意義如下：
(1)紅色區(qū)—— 破裂
(2)黃色區(qū)—— 有破裂危險(xiǎn)趨勢的區(qū)域
(3)橙色區(qū)——劇烈變薄區(qū)
(4)綠色區(qū)——正常變形過程．屬安全變形
(5)灰色區(qū)——變形不太充分區(qū)，屬安全變形
(6)藍(lán)色區(qū)——起皺趨勢區(qū)
(7)粉紅色區(qū)—— 起皺區(qū)
從上圖中的成型極限圖可以看出，整個毛坯出現(xiàn)了大范圍的拉裂，此方案不可行，問題主要在于壓邊圈的壓邊力過大，在拉延過程中材料的流動變形嚴(yán)重受阻，導(dǎo)致拉裂的發(fā)生，故要對壓邊圈的壓邊力進(jìn)行調(diào)整，以降低壓邊力，從而減少拉裂的可能性。
圖3.15 設(shè)計(jì)合理產(chǎn)品圖
通過多次減少壓邊力，最終得到了比較合理的成型極限圖，從上圖分析可知，整個制件沒有出現(xiàn)明顯拉裂和有破裂危險(xiǎn)的區(qū)域，制件的外邊區(qū)域出現(xiàn)了比較大的起皺區(qū)和起皺趨勢區(qū)，但這些不合格的區(qū)域都不在最終產(chǎn)品的內(nèi)部，通過修邊工序后對產(chǎn)品沒有影響，所以上圖的方案合理。
2、厚度變化圖
圖3.16 厚度分布圖
根據(jù)右邊的顏色條，可以知道板料不同區(qū)域的厚度情況，例如在1區(qū)顏色為藍(lán)色為厚度最大區(qū)域，最大厚度為0.838425mm，比0.8mm的板料厚度增加了0.038425mm,增厚了4.803%，增厚率在10%之內(nèi)屬于合理范圍。2區(qū)為紅色為最少厚度區(qū)域，最少厚度為0.711136mm,比原厚度0.8mm變薄了0.088864mm，變薄率為11.108%,減薄率不超過30%可以接受。通過分析可知，增厚率與減薄率都符合要求。
3、應(yīng)力變化圖
圖3.17 應(yīng)力圖
如圖3.17所示，車頂蓋四個圓角位置應(yīng)力相對較集中，出現(xiàn)了局