冲压模具设计毕业设计论文说明书.doc

第一章 前言1.1 课题特点及其研究意义冲压是一种先进的金属加工方法，是完成金属塑性成形的一种重要手段，它是最基本、最传统、最重要的金属加工方法之一。它建立在金属变形基础上，利用模具和冲压设备对板料进行加工，冲压加工时，模具通过冲压设备发生作用，于板料内部产生使板料发生塑性变形的内力，当内力的作用达到一定程度时，板料或板料的某个部分便会产生与内力作用性质相对应的变形，从而获得一定形状、尺寸和性能的产品零件。与其它机械加工方法相比，这种加工方法具有产品性能好、生产率高、材料利用率高、成本低、产品尺寸精度稳定、操作简单、容易实现机械化和自动化等优点。在国民经济各个领域中有广泛的应用1。汽车制造中有60%-70%的金属零部件需经塑性加工成形，如车身上的各种覆盖件、车内支撑件、结构加强件，还有大量的汽车零部件，如发动机的排气弯管及消声器、空心凸轮轴、油底壳、发动机支架、框架结构件、横纵梁等等。冲压工件的制造工艺水平及质量，在较大程度上对汽车制造质量和成本有直接的影响2。冲压加工是通过模具来实现的，从模具角度来看，模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，因为模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。“模具是工业生产的基础工艺装备”也已经取得了共识。据统计，在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通信等产品中，60%80%的零部件都要依靠模具成形。用模具生产制件所具备的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。同时，冲压加工也创造了巨大的价值增值，模具是“效益放大器”，用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。目前全世界模具年产值约为600亿美元，日、美等工业发达国家的模具工业产值已超过机床工业，从1997年开始，我国模具工业产值也超过了机床工业产值。其中冲压模具在所有模具（锻造模、压铸模、注塑模等）中，无论从数量、重量或者是从价值上都位居榜首。由此可见，板料冲压加工及其模具制造技术对国民经济的发展已经并将继续作出重大的贡献。随着我国经济的发展，对这种生产技术的发展及专业技术人才的需求将与日俱增。因此，加强对板料冲压加工及其模具制造技术的研究，具有重要的意义。1.2 选题背景1.2.1 近年来冲压成形工艺与理论的研究成果近年来，冲压成形工艺有很多新的进展，特别是精密冲裁、精密成形、精密剪切、复合材料成形、超塑性成形、软模成形以及电磁成形等新工艺日新月异，冲压件的精度日趋精确，生产率也有极大提高，正在把冲压加工提高到高品质的、新的发展水平。由于引入了cae，冲压成形已从原来的对应力应变进行有限元等分析而逐步发展到采用计算机进行工艺过程的模拟与分析，以实现冲压过程的优化设计。在冲压毛坯设计方面也开展了计算机辅助设计，可以对排样或拉深毛坯进行优化设计。此外，对冲压成形性能和成形极限的研究，冲压件成形难度的判定以及成形预报等技术的发展，均标志着冲压成形以从原来的经验、实验分析阶段开始走上由冲压理论指导的科学阶段，使冲压成形走向计算机辅助工程化和智能化的发展道路。1.2.2 当前冲压模具技术发展特点充分运用it技术发展模具设计、制造。用户对压力速度、精度、换模效率方面不断提高的要求，促进了模具的发展。车身外形和发动机是汽车的两个关键部件，汽车车身模具特别是大中型覆盖件模具，其技术密集体现当代模具技术水平，是车身制造技术的重要组成部分。车身模具设计和制造约占汽车开发周期三分之二的时间，成为汽车换型的主要制约因素。目前，世界上汽车的改新换代一般约需48个月，而美国仅需30个月，这主要得益于在模具业中应用了cad/cae/cam技术和三维实体汽车覆盖件模具结构设计软件。另外，网络技术的广泛应用提供了可靠的信息载体，实现了异地设计和异地制造。同时，虚拟制造等it技术应用，也将推动模具工业的发展。缩短金属成形模具的试模时间。当前，主要发展液压高速试验压力机和拉伸机械压力机，特别是在机械压力机上的模具试验时间可减少80%，具有巨大的节省潜力。这种试模机械压力机的发展趋势是采用多连杆拉伸压力机，它配备数控液压拉伸垫，具有参数设置和状态记忆功能。1.2.3 国内模具与国外模具的差距2 在欧美，cad/cae/cam已成为模具企业普遍采用的技术。在cad方面，目前3d设计也达到了70%89%。澳大利亚3d设计已达到60%，而我国只是刚刚起步。cae技术在欧美应用逐渐成熟。在冲模设计中应用cae软件，模拟金属变形过程，分析应力应变的分布，预测破裂、起皱和回弹等缺陷，我国只有少部分企业开始cae技术的应用。dl图（冲压工艺过程图）设计的过程中，在冲压工艺分析、冲压方向的确定和工序划分方面我国与国外水平接近。但在工艺补充面的设计和产品数模的工艺处理方面还存在着较大的差距，如过拉延部分的设计，回弹值的处理等方面国外具有丰富的经验，特别是在高精度轿车零件的工艺设计方面与国外相比仍存在着很大的差距。高速切削是以高切削速度、高进给速度和高加工质量为主要特征的加工技术。在国外已是比较成熟的技术，型面加工精度0.05mm，不需要研合间隙。修边模刃口间隙由机加工保证；钳装不需要研配间隙，加工后可直接装配合模。而国内的模具钳工工作量仍较大。国内的加工机床性能基本与国外设备相当，但在nc技术参数方面，走刀路径、方式及技术的设计方面仍存在着差距。另外在模具制造周期、质量方面和标准化程度方面也存在着较大的差距。1.3 本课题拟采用的设计思想和技术路线 采用cadcaecam一体化技术，使设计、制造过程形成一个有机的整体，通过信息的集成，在经济上、技术上给企业带来综合效益。技术路线如下： 用ug软件建立零件工艺补充数模 cad 以iges格式输出工艺补充数模数据 在dynaform软件中导入iges格式数据 cae 建立有限元模型，定义材料、冲压参数 修改参数 冲压成形过程有限元模拟及成形预见性分析 成形结果无缺陷 根据分析结果确定或改进零件工艺补充数模 cad导出dxf格式二维图作为模具工程图设计依据 冲压工艺过程设计，模具结构设计 根据工艺补充数模编制模具零件数控加工程序 cam 模具制造、调试 第二章 冲压工艺过程设计冲压工艺过程的优劣，决定了冲压件制造技术的合理性、冲压件的质量和产品成本。因此必须对冲压件进行详尽的工艺分析，分析冲压件的结构、性能及加工难易程度，确定科学的、合理的工序方案。并在保证产品的设计要求、满足使用条件的情况下尽量减少工序，采用适宜的材料，尽量节约用料，选择先进且合理的加工技术，力求生产工艺过程简单易行，以降低生产成本，提高经济效益。模具cae技术就是在设计制造模具之前，在计算机上模拟出冲压件在模具中成形的真实过程，向用户告知模具结构设计、工艺条件状况是否合理，并最终为用户提供出最佳的模具设计工艺方案，可靠性达到80%以上。从而缩短模具设计与制造周期2/5（对于复杂模具而言），并提高模具质量和产品合格率，进而可大幅度降低制造成本，增强产品的市场竞争力。2.1 零件特点及工艺性分析冲压模具设计的重点在于工艺分析，因为不同冲压条件、不同工序的加工结果都有所不同，而对于某些尺寸精度、表面质量要求较高或成型难度大的制件，做好工艺分析尤其重要。冲压件的工艺性指冲压件对冲压工艺的适应性。在一般情况下，影响冲压件工艺性的因素有几何形状、尺寸、精度、表面粗糙度及毛刺。冲压件工艺性对冲压件质量、材料利用率、生产率、模具制造难易、模具寿命、操作方式及设备选用等都用很大的影响。良好的冲压件工艺性可显著降低冲压件的制造成本3。2.1.1 零件特点大地板左右外侧梁如图2-1所示，材料为st13（dq）（上海宝钢牌号，与国标牌号08al z钢材性能相当， dq表示冲压级钢材），料厚t=1.4mm。要求在jq36-400压力机上加工，大批量生产。该零件是某车型加强大地板强度的梁类零件，分左右两件，图2-1（a）为左件，图2-1（b）为右件，左件与右件对称。要求该件的凸缘与底部的曲面、侧面形状以及成形高度、孔径和孔位必须达到产品设计要求。成形后要求表面平整光滑，无翘曲、褶皱、裂纹等缺陷。 （a）左件 （b）右件图2-1 零件数学模型2.1.2 冲压工艺性分析零件料厚t=1.4mm，材料为低碳钢，含碳量0.08，伸长率34（标距l0=80mm），可见材料塑性好，冲压加工性能良好。屈服强度240mpa，抗拉强度为270370mpa，弹性模量e=2.07e5mpa，塑性硬化指数n=0.237，厚向异性指数r=2.295，硬化指数在钢材中是比较高的，材料成形极限较大。此件为半封闭“u”形零件，整个零件没有急剧突变的形状，取有代表性的某截面分析，凸缘与侧壁之间、侧壁与顶部间有r5的圆角，顶部有r4的凹槽，半径皆大于2t，凸缘与顶部落差不大，成形工艺性好，如图2-2所示。图2-2 零件中段横截面图零件边线简单，都是由规则的圆弧和直线组成，两直边在铅垂方向上投影平行，水平方向落差不大，零件上没有尖角，凸缘边缘圆角半径为r5，避免了应力集中的出现；零件上有3个内孔，相邻孔间距分别为145mm和195mm，可以同时垂直冲出，冲裁工艺性好。如图2-3所示。图2-3 零件边线及内孔形状（俯视图）零件左右件完全对称。若左右件单独成形，就要有各自的工艺补充，这势必造成材料利用率低，且需要制造两套模具，单件成本高。考虑到左右件完全对称的特点，把两件合为一件冲压成形，如图2-4所示，这样周边材料受力均匀，便于成形；且压力中心易于确定，模具结构左右对称，为模具设计制造提供了极大的方便。考虑到拉延后需要剖切工序将左右件分离，则左右件间需要留部分工艺废料，左右件两边x方向上距离40mm。图2-4 零件左右件拼接示意图2.2 确定冲压件的最佳工艺方案经过对零件的工艺性分析后，结合产品图进行必要的计算，并在分析冲压工艺类型、冲压次数、冲压顺序和工序组合方式的基础上，提出各种可能的冲压工艺方案，然后通过对产品质量、生产率、设备条件、模具制造和寿命、操作、安全以及经济性等方面的综合分析、比较，确定出一种适合于本部门生产的最佳工艺方案。 冲压加工的基本工序包括成形工序和分离工序两大类。成形工序材料的变形力学范围是在塑性变形范围，包括拉深、缩口、翻边、胀形、扩口、弯曲等；分离工序材料的变形力学范围表现为产生断裂变形的工序，包括切断、切口、剖切、冲孔、修边，落料、整修等。经过对零件的分析，此件为半封闭的“u”形件，看似可以弯曲成形，但零件凸缘部分并不严格平坦，成形时并不是按照一定的曲率或角度进行，且底部还有凹槽，因此拉延成形方法才能冲压出合格的产品。对于分离工序，获取毛坯形状需要用到落料或切断工序，冲内孔需要用到冲孔工序，为了获得零件外部形状，还应有修边工序，因为是两件合并成形，还需剖切工序分离左右件。基于以上分析，不同工序的组合可能有以下a、b两种工艺方案。方案a：落料、冲孔拉延修边、剖切方案b：切断拉延冲孔、修边、剖切方案a特点：坯料由落料冲孔模获得，获得坯料外形的同时，可以冲出内孔，此方案的优点是内孔可以用于后面拉延工序和修边、剖切工序的定位。但是冲孔后再拉延的加工顺序不能保证孔的形状和位置精度，且拉延件上有内孔可能会导致拉延的失败。方案b特点：坯料可以由剪板机切断板料获得，不需要设计落料模，降低了成本。而冲孔是分离零件与内部废料，在工件的内部进行，修边和剖切是分离零件与外部废料，在工件外轮廓进行，所以冲孔修边剖切可以同时进行，此方案是可行的，而且同时冲孔修边剖切可以提高加工轮廓的位置精度。由于只需要设计制造一套模具，降低了成本，收到很好的经济效益。经过全面分析、综合考虑，以零件质量、生产效益及经济性几个方面衡量，认为两种方案中方案b最佳，故本设计采用方案b。需要设计的模具有拉延模和冲孔修边模。2.3 初步建立零件工艺补充数模 一个汽车钣金件零件，往往需要经过拉延、修边、冲孔、翻边、整形等多道工序才能完成，其中拉延成形是制造覆盖件的关键变形方式。工艺制定的合理与否，直接决定材料消耗的多少；拉延前是否需要设置毛坯形状的修边和预先折弯的工序，直接影响拉深后是否需要整形，影响修边、翻边、冲孔工序的排列顺序和次数多少，以及完成这些工序的冲模复杂程度和使用寿命，甚至涉及到工人操作的难易程度等。因此，覆盖件拉延工序的成败，往往决定整个覆盖件设计和制造的成败。2工艺补充是零件能够成型的必不可少手段，它不仅决定了零件能否成型，更大程度上影响着零件质量的好坏。汽车钣金件要求拉延成型时材料变形充分，达到合适的硬化程度，但又不能拉裂导致零件的报废或因起皱而导致零件不光滑、不平整，这就要靠工艺补充来进行控制。拉延工艺补充数模特点：a拉延工序只能考虑一次，即在一次拉延中保证覆盖件的全部空间形状(包括分布在制件表面的棱线、筋条和鼓包)成形。否则，覆盖件几何形状的一致性、表面光滑、精致的质量就很难得到保证。b为了能够在一次拉深中完成覆盖件全部空间形状的成形，必须将覆盖件的几何形状尺寸变换成适合进行拉延的拉延件几何形状尺寸。c选择覆盖件拉延设备时，要求压力机不仅提供一定的拉延力，而且要求在其拉延过程中提供足够大的、稳定的压边力。d覆盖件应选择塑性好、表面质量和尺寸精度高的材料。2.3.1 确定冲压方向冲压方向的确定是汽车钣金件工艺设计的关键一步，是确定拉深件在模具中的空间位置，它不但决定能否拉出合格的拉延件，而且影响到工艺补充部分的多少和压料面的形状。不同的冲压方向会带来不同形状的工艺补充，直接涉及到产品拉深工序的最终成形条件，以及后续成形条件。合理的冲压方向应既满足冲压形状的要求又要适应工艺补充、压料面形状的规范。确定拉延冲压方向，应满足如下几方面的要求： （1）保证拉延凸模能够顺利进入拉延凹模，不应出现凸模接触不到的死区，所有需拉延的部位要在一次冲压中完成。 （2）拉延开始时，凸模和坯料的接触面积要大，避免点接触，接触部位应处于冲模中心，以保证成型时材料不致窜动。 （3）压料应尽量保证毛料平放，压料面各部位进料阻力应均匀。拉延深度均匀，拉入角相等，才能有效地保证进料阻力均匀。2 本设计用jq36-400压力机，属于单动压力机，因此拉延类型为单动拉延，单动拉延时，上模是凹模，因此零件在拉延模中应如图2-5（a）所示放置，分析零件数模可知，冲压方向平行于-z方向最佳，如图2-5（b）所示，此时凸模两侧的拉入角基本一致，这使得两侧进料阻力保持均衡。拉延开始时凸模与坯料表面接触为面接触，接触面积大，且分布均匀，不会出现因应力集中造成局部破裂现象。零件顶部凹槽的反拉延也能满足如上要求。（a）（b）图2-5冲压方向确定冲压方向的同时，必须考虑冲压的压力中心，压力中心即是冲压力的作用点。拉延模的模具中心最好与拉延件压力中心一致，以避免偏心载荷使模具歪斜，间隙不均，从而加速模具的导向部分及模具凸、凹模工作部分的磨损，影响模具寿命。根据图2-5（a），零件左右件拼接在一起后，形成以z-y平面为对称面的对称形状，因此压力中心位于z-y平面内。根据图2-5（b），零件左右虽不对称，但零件两边的边线在x-y平面上的投影距离x-z平面相等，可以确定压力中心位于z-x平面，这样可以给模具接结构设计及其模具加工带来极大方便。由此可以确定压力中心位于z轴上，冲压时，压力中心通过z轴，冲压方向为-z方向。2.3.2 构造零件的拉延初形根据零件数模，将内孔的部分填充，把左右件对接，在两端建立过度曲面，组合成一个盒形件，即可获得拉延初形，如图2-6所示。这个过程对曲面的补充属于工艺补充的一部分。构件零件拉延初形时，需要考虑拉延初形凸模、凹模圆角半径的问题，如果零件零件圆角半径过小，拉延时转角部分因为产生应力集中而容易出现破裂现象，因此，构件拉延初形时，需要增加凸模、凹模转角部分的半径，这使得必须增加一道后续的整形工序才能生产出合格的产品，也就增加了零件生产成本。为了能够在拉延工序中一次冲压出零件的基本形状，凸模、凹模圆角半径应与零件数学模型上对应的圆角半径一致。如本章2.1.2小节所分析，本零件没有尖角部位存在，各表面圆角半径较大，因此零件拉延初形各部分圆角半径可以与零件数学模型一致。2.3.3 毛坯尺寸确定本零件形状比较简单，大致呈方形，因此采用矩形的毛坯拉延，拉延下料可以通过剪板机方便地获得。拉延初形数学模型在x方向最大展开长度为：916.28mm拉延初形数学模型在y方向最大展开长度为：113.35mm以此为依据，取毛坯尺寸为：925mm135mm。由于右边侧壁比左边高，最大差值为5.63mm，因此，毛坯中心与压力中心有一定的偏心距，取偏心距2.5mm ，则毛坯y方向上的长度为70mm，-y方向上的长度为65mm。图2-6 零件的拉延初形2.3.4 建立压料面压料面是工艺补充的另一部分。如果零件有凸缘部分，可利用零件的凸缘面当作压料面，除此之外，为了补充零件拉延侧壁的进料，还需将其向外延伸到零件的展开尺寸。按照工艺补充部分的设计要求，在零件模型的修边线处，利用ug的曲线延伸功能，利用ugii软件中的扫描曲面(swept)、网格曲面(through curves mesh)、曲面倒圆(blend)和桥接曲面(bridge surface)等功能按曲面原有的趋向线方向进行处理，以生成所需的工艺补充面。补齐所有工艺补充面后，各补充面边线一般都不平齐，用毛坯边线在z方向投影到工艺补充面上，根据投影线剪裁边线不平齐的面，使得工艺补充面尺寸与毛坯尺寸大小一致。建立压料面时，要保持原零件部分压料面与工艺补充部分压料面的光顺。使材料在拉延过程中便于向凹模内流动，并防止毛坯在压料过程中就产生起皱现象。初步确定的工艺补充数学模型如图2-7所示。图2-7 零件工艺补充数模2.3.5 建立拉延筋 汽车钣金件形状比较复杂，拉延成形难度大，在拉延模中，广泛采用在压料面中设置拉延筋。其主要目的是：一方面增加进料阻力，使拉延件在拉延时承受足够的拉应力，提高拉延件的刚度和减少由于回弹而产生的凹陷、扭曲、松弛及波纹等缺陷，使材料达到合理的塑性变形；另一方面，通过拉延筋可以调节各部位的进料阻力，使材料流入凹模的量适合工件各处的需要，防止“过多则皱，过少则裂”。考虑到此零件形状比较简单，先不设置拉延筋，待进行冲压成形有限元模拟后若出现起皱或成形不良现象再根据情况设置。2.3.6 提取分模线及修边线在零件三维数学模型中提取分模线及修边线可为模具结构设计及二维工程图绘制提供很大的方便。分模线和修边线在模具数控加工中还做为加工的依据。分模线指拉延模凹模和凸模都接触板料部分的边缘，它决定拉延模凸模和压边圈在垂直于冲压方向的平面上的形状。修边线指分离工序中零件和废料分离的作用线，它决定冲孔修边剖切模凹模、凸模及废料刀刃口形状。修边线的提取方法比较简单，在ug软件中沿零件边界抽取线即可。图2-8 拉延工序分模线与修边工序修边线2.4 冲压成形过程有限元模拟及工艺补充数模改进板料冲压成形过程是一个非常复杂的塑性成形过程，许多因素都直接或间接地影响着成形的结果。经典的板料成形理论只能对如弯曲件、杯形件等简单钣金件的成形过程进行分析。对于如汽车覆盖件那样形状复杂的钣金件就显得无能无力。这使得汽车模具的设计迄今仍主要凭借设计员的经验和类比进行。由于缺乏较准确可靠的定量分析与计算，致使设计制造出来的模具必须经过反复试压修改，有时甚至修改原产品的设计，报废重制模具后，才能冲出合格制件。这一过程导致了人、财、物、时间的巨大浪费。随着冲压零件的复杂性和精度要求的日益提高，这种方法不仅在质量上得不到保证，成本上无任何优势可言，而且模具开发周期太长，使企业大大失去竞争力。如何迅速而准确地预测整个冲压成形过程可能出现的起皱、开裂以及不合要求的回弹等缺陷并确定其中的一些重要冲压参数，已成为冲压技术发展的瓶颈问题。为改变这种传统的经验与试错方法不适应汽车工业发展的状况，人们设想在模具投入制造前，能否在计算机上模拟冲压成形过程，即在虚拟环境下对所设计的模具进行分析。如果可行，再投入制造。如果不行，再修改模具设计，甚至修改原产品的设计重新设计模具，重进行模拟分析，直至可行再投入模具制造。这样可以避免用实际制造出来的模具进行调试所带来的巨大浪费。这项工作又称为板料成形的计算机辅助工程分析(cae)。随着非线性理论、有限元分析技术的深入和发展，特别是近几年来计算机技术的高速发展，大型复杂冲压成形过程的数值模拟已逐渐从实验室阶段走向实用化阶段，它有机地融人到模具cae系统中，并日益成为推动冲压件模具工业乃至汽车工业发展的关键技术。目前，国外工业发达国家对板料冲压成形的数值模拟技术十分重视，甚至投入大量的人力物力自己进行研究和开发。美国的工业“三巨头”(通用、福特、克莱斯勒），德国的大众、奔驰，日本的丰田、三菱、日产等大型汽车制造公司都把板材冲压成形过程数值模拟技术作为基本技术，引入产品开发和生产过程中。在国内，随着汽车产品自主开发能力的提高，广大汽车制造相关企业对采用该技术投入了极大热情。国内汽车相关企业对该技术感兴趣或准备采用的比例占到70以上。当代汽车和现代模具设计制造技术都表明，汽车覆盖件模具的设计制造离不开有效的板成形模拟软件。世界上大的汽车集团，其车身开发与模具制造都要借助于一种或几种板成形模拟软件来提高其成功率和确保模具制造周期，国际上的软件主要有美国eta公司的dynaform，法国esi集团的pam系列软件，德国autoform工程股份有限公司的autoform，国内有吉林金网格模具工程研究中心的kmas软件，北航的sheetform，华中科技大学的vform等。本设计采用美国eta公司的dynaform软件作为前后处理环境，采用动力显式格式ls-dyna3d软件作为运算模块，对大地板左右外侧梁的拉延成形工序进行成形模拟。在板材冲压成形性分析方面，dynaform系统与市场上通用的cad软件相互集成，实现了从模具设计、曲面造型、成形性分析的一体化。2.4.1 板材成形仿真cae软件dynaform系统简介 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，可以直观地看出板料的厚向应变图、最大应力位置、成形极限图以及富于真实感的动画等。可方便地求解各类板料成形问题。dynaform可以预测成形过程中板料的裂纹、起皱、减薄、划痕、回弹，评估板料的成形性能，从而为板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。 目前，eta/dynaform已在世界各大汽车、航空、钢铁公司，以及众多的大学和科研单位得到了广泛的应用，自进入中国以来，dynaform已在长安汽车、南京汽车、上海宝钢、中国一汽、上海汇众汽车公司、洛阳一拖等知名企业得到成功应用。2.4.2 应用eta /dynaform 进行前处理简言之,有限元分析可分成三个阶段,前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型,完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果,使用户能简便提取信息,了解计算结果。板料成形有限元分析首先要做的工作是在拉延模工艺补充数模的基础上，建立有限元模型，即对拉延模型面进行离散化建立网格单元模型，这样能同时满足模拟精度和计算效率。本设计采用的方法是用在ug软件中设计的拉延模型面几何模型，以iges文件格式导入dynaform软件进行前处理。对数学模型划分网格，建立有限元模型，然后将有限元模型通过copy、offset等命令虚拟“装配”成凹模、凸模、压边圈有限元模型，这样可以避免对凹模、凸模、压边圈分别划分单元，节省了划分网格的时间，而且由于凸模、压边圈上的单元节点和凹模上的单元节点对应，计算精度得到提高。其次是定义板料性能参数，凸模、凹模和压边圈的接触参数，凸模和压边圈的运动曲线。最后生成*.dyn和*.mod文件，输入ls-dyna3d进行计算。这个过程是前处理过程。2.4.2.1 启动dynaform、导入板料和零件工艺补充数模图2-9 dynaform环境中的工艺补充数模2.4.2.2 划分网格建立有限元分析模型中最重要的一步是划分有限元网格。成形模拟结果的精确性和有限元网格的质量有很大关系，为了成功的进行模拟，由曲面或者曲线数据划分网格这一步骤十分重要。有限元单元越小(网络越细)则离散域的近似程度越好,计算结果也越精确,但计算量及误差都将增大。dynaform中创建网格主要有lank generator（坯料网格生成）和surface mesh（曲面网格划分）两种方法。用“曲面网格化”工具自动划分工具网格，网格最大尺寸设置为10mm，其他选项选默认值。图2-10 曲面网格化参数图2-11 工具网格用“坯料网格生成”工具自动生成板料网格，单元大小为6mm（默认值）。图2-12 板料网格2.4.2.3 网格检查、修补为了防止网格中存在一些潜在的、影响模拟的缺陷，需要检查网格的质量。用“显示边界”方法可检查网格上的间隙、孔洞和退化的单元，系统以高亮的边界显示这些缺陷。图2-13 网格缺陷对于大的孔洞，可以采用surface mesh（曲面网格划分）的方法局部重新生成单元。用“修补裂纹”功能可自动修补一些单元，但有时会出现修补后单元组成的曲面不光顺的现象，此时应该删掉有缺陷的单元再用手工修补，必须保持面的光顺。2.4.2.4 建立凸模、压边圈等工具网格新建零件层，用“分离零件层的”方法分离出凸模有限元模型和压料有限元模型。如图2-14、图2-15.所示。由于凹模与凸模、压边圈有相似的几何特征，dynaform提供了一个自动“装配”凹模的方法，凹模有限元模型不需要专门建立，这使得前处理过程节省了许多时间，而且由于凸模、压边圈上的单元节点和凹模上的单元节点对应，计算精度得到提高。图2-14 凸模有限元模型图2-15 压边圈有限元模型2.4.2.5 检查法向一致性 为了使系统能正确进行分析，必须使有限元模型各单元的法向一致。用“自动翻法线”的方法转换各工具和板料所有单元的法向量，使之方向一致。图2-16 单元法向一致2.4.2.6 装配拉延模几何模型 在“快速设置/拉延”对话框的bland、binder、lower tool各选项中分别指定板料、压边圈、凸模有限元模型。图2-17 dynaform快速装配对话框板料压边圈凸模凹模图2-18 拉延模虚拟装配2.4.2.7 定义材料、冲压参数根据st13（dq）板料和jq36-400压力机参数定义有限元分析的材料、冲压参数：冲压类型：单动冲压速度：250mm/s压边圈闭合速度：250mm/s 压边力：120kn（机床气垫顶出力）材料：在材料库中导入qd（冲压级低碳钢）参数料厚：1.4mm图2-19 定义材料参数定义好参数后提交求解器求解。2.4.3 应用eta /post 进行后处理eta /post 能够读取和处理d3plot 文件中所有可用的数据。除了包含没有变形的模型数据，d3plot 文件还包含有所有的由ls-dyna 生成的结果文件（应力，应变，时间历史曲线，变形过程等）。eta /post 还能够绘制变形过程（deformation），厚度变化过程（thickness）和 fld 变化过程以及坯料上的应变/应力等物理量的分布云图。eta /post 还允许用户通过对动画窗口的捕捉自动地创建avi 电影文件，用户可以把模拟过程以动画的形式保存下来。启动后处理模块eta /post，打开处理结果d3plot文件。为方便观察，隐藏模具零件层，只显示板料零件层，显示模式切换到光照显示状态，并选择来显示光滑的光照效果，即可观察处理结果生成的云图。计算得到的拉延件成形极限图如图2-20，成形厚度分布图如图2-21。图2-20 成形极限图图2-21 厚度分布图2.4.4 成形预见性分析2.4.4.1 冲压成形过程中常见的缺陷及产生原因拉延成形中，传力区的破裂和变形区的起皱是成形过程中的两种主要缺陷。 破裂通常主要由薄板平面内的过度拉胀使局部拉应变过大所致3。为了消除破裂现象，必须降低破裂区的拉应变值。要做到这一点，可以采用不同的途径，如调整压边力、改善润滑条件和增加其他辅助工序等，这些方法的目的都是为了改变法向接触力和切向摩擦力的分布，从而改变材料的流动状态。值得注意的是，我们不应在消除一个部位破裂的同时，引起另一个部位产生破裂或其他类型的缺陷。起皱是薄板冲压成形中另一常见缺陷，它的产生原因正好与破裂的产生原因相反，是由于局部压应力过大引起薄板失稳所致3。起皱虽然不像破裂那样削弱零件的强度和刚度，但它影响零件的精度和美观性，如果在中间工序发生起皱还可能影响下一道工序的正常进行。消除起皱的最直接办法是增加起皱处的法向接触力，但这有可能导致其他部位被拉裂的危险，因此消除零件的起皱也不是一件简单的事情，它同样要求能准确地预测材料的流动状况和应力应变分布。以上所列的两大成形缺陷是人们在冲压实际生产和研究中重点关心的问题。如何通过改变设计参数来克服冲压成形中可能产生的缺陷是冲压cae的主要研究方面。2.4.4.2 成形过程中破裂和起皱的预测如前所述，破裂和起皱直接影响成形的成败和产品品质，值得庆幸的是，有限元法在预测破裂和起皱方面已比较成熟，可直接从板料变形中观察到裂纹、皱纹的形成和发展。对于成形缺陷的预测有几种方式，一种方式是直接从板料的厚度变化判断是否可能产生破裂，另一种方式是通过成形过程中板料主应变和次应变的分布，并结合成形极限图来判断破裂和起皱的产生区域3。dynaform的后处理器可提供直观的厚度变化和成形极限图（fld）。成形极限图为提高冲压成形极限和产品质量提供了理论依据和工艺方向，近年来成形极限图应用越来越广泛，尤其是在复杂零件的拉延成形中。成形极限图中坐标轴代表板平面内互相垂直的两方向上的应变值，图形的右半部分表示拉-拉应变，左半部分表示拉-压应变，如图2-20所示。dynaform后处理器提供的fld云图中不同颜色的区域表示冲压零件不同变形结果。crack 破裂区零件破裂，报废；risk of crack 破裂危险区零件有破裂的危险；severe thinning 剧烈变薄区零件厚度变化大，变薄严重；safe 安全区零件冲压成功；wrinkle tendency 起皱危险区零件有起皱的危险；wrinkle 起皱区零件起皱，不能达到产品设计要求；inadequate stretch 成形不良区成形不充分，不能达到加工硬化改善材料性能和表面质量的目的。 由图2-20可以看出，零件虽不会发生破裂，但局部出现了起皱缺陷，且大部分成形不良。由图2-21可以看出，零件材料厚度变化不均匀。2.4.4.3 改变冲压参数进行有限元模拟由于零件冲压过程模拟中出现了起皱缺陷，且变形不充分，以下尝试采用加大压边力的方法消除起皱现象。加大压边力至300kn进行模拟，其它冲压参数和材料参数不变，模拟结果的成形极限图如图2-22所示。图2-22 压边力为300kn时的成形极限图 比较图2.20和图2.22，加大压边力的方法对控制褶皱的产生效果并不明显，且也不能改善变形不充分的现象。文献12也指出，加大压边力的方法并不能控制零件凸缘起皱。2.4.5 拉延工艺补充数模改进下面尝试用在压料面设置拉延筋的方法控制起皱的发生。dyna软件提供了快速生成拉延筋的方法，本设计直接在dynaform软件中设置拉延筋，待确定拉延的设置可行后再根据参数在ug软件中对工艺补充数模进行改进，或直接在dynarorm软件中导出经过改进的工艺补充数模的cad模型。与在ug软件中设置拉延筋再导入dynaform重新划分网格生成有限元模型相比，这个方法节省了许多时间。dynaform软件中，构造拉延筋需先定义中心线。用如图2-23所示的“线/点”对话框中的（复制或转换）命令在工艺补充数模中用偏移复制的方法生成线；然后用（合并）命令把生成的各段线合并起来，最后把合并好的线用（投影）命令投影到曲面上。图2.23 “线/点”对话框拉延筋的位置和形状要合理，不能离凹模型腔太近，避免修模时研磨拉延筋会影响到凹模型腔面的表面光洁度。但也不能离毛坯边界太远，因为拉延过程中，工艺补充面的材料会流入凹模中以提供零件侧壁所需的材料，如果材料流入凹模后，板料边界越过了拉延筋的位置，则拉延筋就起不到应有的作用了。本设计初步拉延筋中心线距板料边界18mm，拉延筋参数如图2-24所示。图2.24 拉延筋参数生成的拉延筋如图2-25所示。图2-25 拉延筋定义好拉延筋后，虚拟“装配”拉延模，定义材料和冲压参数，提交求解器求解，方法同前。后处理得到的结果如图2-26图2-27所示。图2-26 设置拉延筋时成形极限图图2-27 设置拉延筋时厚度分布图由图2-26与图2-20比较可知，工艺补充数模经过改进后，有效控制了起皱的发生，且零件各部分变形充分，达到加工硬化及提高表面质量的作用（四周的工艺废料部分除外）。图2-27显示，材料各部分厚度变化均匀，没有局部变薄（四周的工艺废料部分除外）。由此可见，拉延筋的设置是合理的。2.5 冲压工艺过程图的建立冲压工艺过程图是指导模具设计、制造及调试的重要技术文件，是零件各工序（包括成形工序和辅助工序）模具设计的基本要求和工艺要求在图纸上的具体化。实际生产必须按照工艺过程图上规定的要求进行，只有这样才能实现优质、高效、成本低和安全生产。产品工艺的制定应以消除和防止冲压缺陷产生为目标，保证能生产出合格的零件，同时考虑工装制造能力、生产水平、工装制造周期、投资成本及冲压生产的场地条件、生产设备等。2.5.1 dl图设计法dl图设计法即冲压工艺过程图法，是指对某冲压件的形状、尺寸进行科学分析后，制订出最合理的冲压工艺方案，并对各工序模具设计提出总布置的一种先进方法。dl图设计法体现了系统设计思想，它把现代高科技手段应用到钣金件产品冲压工艺的制订及模具结构的设计，节省了设计时间。它改变了传统的单工序各自设计、制造、调试的生产方式，避免了由于各单工序各自设计、制造、调试造成各工序之间不衔接，而在生产中易发生不必要的返工和废品等问题。13采用dl图法的模具生产工艺流程为：首先根据产品图及产品冲压工艺设计，进行详细的汽车钣金件工艺性分析，在满足产品使用的前提下，力争把产品完善到最简单、最合理的工艺要求，减少不必要的工装投入。其次，利用计算机对钣金件进行冲压工艺分析，运用塑性成形原理、冲压工艺知识和模具设计结构的有关知识，制定出保证钣金件合格产品最科学、最合理、最经济的冲压工艺过程，并明确各工序之间的相互关系，同时把各工序模具设计的基本要求和工艺要求在dl图上具体化，设计出该产品模具的dl图。然后按照dl图的基本要求设计模具，数控编程人员按照dl图和模具图进行数控编程和模具制造，最后按照dl图和模具图要求进行机械加工和模具装配调试，最终调试出合格的冲压产品。2.5.2 冲压工艺过程图的设计2.5.2.1 确定定位方式 拉延工序用定位器定位，在板料四面设置6处定位器。 修边工序所用的坯料来自前一道工序的拉延制品，拉延件有两个比较平直的侧壁，可以采用拉延件的形状定位，冲压方向与拉延工序的冲压方向相同。2.5.2.2 进料方向、排料方式的确定 两道工序的进料均为手工进料，方向为操作者朝向模具的方向。冲压完成后，制件经弹顶装置顶出后，由工人手工取出；冲孔废料用废料盒收集，定期倒出，修边剖切废料经废料刀剪断后通过废料滑槽排出模具之外。2.5.2.3 冲压工艺过程图的绘制在ug软件中将工艺补充数模转化为dxf格式二维图，导入autocad软件中保存为dwg格式文件，删除部分多余的线条，提取分模线、修边线、板料部分特征线，增加中心线，然后标注部分重要尺寸和工序符号，最后分离出工序简图即可完成冲压工艺过程图的绘制。冲压工艺过程图如图2-28所示：图2-28 冲压工艺过程图第三章 拉延模的设计拉延是指把平直毛料或工序件变为空心件，或者把空心件进一步改变形状和尺寸的一种冲压工序。拉延时空心件主要靠位于凸模底部以外的材料流入凹模而形成。拉延成形是能否生产出合格零件产品的关键，汽车钣金件的质量好坏在很大程度上受拉延模质量的控制。拉延所使用的模具叫拉延模。拉延模结构相对简单，与冲裁模比较，工作部分有较大的圆角，表面质量要求高，凸凹模间隙略大于板料厚度。3.1 模具结构形式的确定根据使用冲压设备不同，汽车钣金件拉延模可分为单动拉延模和双动拉延模。单动拉延模在单动压力机上使用，上模是凹模，下模是凸模，中间的压边圈通过弹簧、橡皮或气垫获得压边力。单动拉延模的特点是结构简单、造价低。双动拉延模在双动压力机上使用，双动压力机上滑块分内滑块和外滑快两个部分，上模固定在内滑块上，压边圈固定在外滑块上，压边力由外滑块获得。双动拉延模的特点是压边力大，便于调节，且压边力是刚性的，压边稳定可靠；行程大，可拉延深度大的拉延件。一般用于拉延成形型面复杂落差大、表面质量要求高的大型零件。形状简单、拉延深度不大的钣金件一般采用单动压力即来成形。根据零件特点，本设计宜采用单动拉延模，且本设计按jq36-400压力机参数设计，jq36-400压力机属闭式双点单动压力机，因此本设计拉延模结构为单动拉延模。拉延模的凸模、凹模和压边圈尺寸大，形状复杂，一般都采用铸造结构，且上、下模座与工作部分零件整体铸造。要求既要有足够的强度和刚度又要减轻重量，因此铸件上非重要部分应掏空，在影响强度和刚度部分应设置加强筋。铸件壁厚应尽可能均匀，避免由于冷却速度差别过大形成热应力，使铸件薄厚连接处产生裂纹；避免厚壁处形成金属聚集的热节，致使厚壁处易于产生缩孔、缩松等缺陷。设计铸件壁的连接或转角时，也应尽力避免金属的积聚和内应力的产生。这就要求铸件壁间转角处有适当的结构圆角，避免锐角连接，厚壁与薄壁间的连接要逐步过渡。交叉接头尽量采用丁字交叉，避免采用十字交叉。拉延模的导向主要有下模与压边圈的导向、上模与压边圈的导向、下模与上模的导向。导向形式主要有导柱导向和导板导向。导柱导向的导向精度高，但不能承受太大的侧向力，本设计由于压料面是空间三维曲面，而采用单动压力机拉延，在压料面与上模开始合紧时，由于压料面不对称会导致压边圈偏斜，合模过程中，会在下模与压边圈之间、上模与压边圈之间产生较大的侧向力，因此适宜用导板导向。为提高导向面的耐磨性，在两导向面其中一面设置耐磨板。综上所述，本设计拉延模整体结构形式为单动拉延模，凹模、凸模及压边圈为整体铸造铸件，各部分导向采用导板导向。3.2 模具结构设计3.2.1 模具中心的确定考虑到平衡性问题，模具中心最好与拉延件压力中心一致，并于压力机中心一致。以避免偏心载荷使模具歪斜，间隙不均，从而加速压力机和模具的导向部分及模具凸、凹模工作部分的磨损，影响压力机和模具寿命。考虑板到料的形状和压力机顶杆的布置，模具中心可以适当偏心。本设计拉延件板料几何中心与压力中心x方向上一致，y方向偏心2.5mm，偏心量不大，模具中心可以与拉延件压力中心重合；压力机顶杆y方向间距为150mm，板料宽度为135mm，则y方向布置相邻两排顶杆为宜，如图11所示；则模具中心与压力机中心y方向偏心量为顶杆间距的一半即75mm。顶杆x方向间距为200mm，板料长度为925mm，x方向布置5排顶杆为宜，模具中心与压力机中心在x方向上重合。生产用顶杆数为10，按图3-1所示分布。图3-1 模具中心与机床中心位置关系3.2.2 模具压料面尺寸的确定压料面的尺寸要比板料尺寸大，保证压料面能压住整块板料。避免拉延成形时，板料没有完全被压料面压住，未被压住部分还没流入压料面内时即产生起皱现象，造成拉延失败。本设计压料面比板料尺寸单边大10mm。则压料面长度为935mm，宽度为145mm，长度方向上以模具中心线为对称轴对称，宽度方向上压料面中心与模具中心线偏移2.5mm。3.2.3 压边圈的设计单动拉延模的压边圈由气垫通过顶杆顶出产生压边力，拉延工件时，压料面与凹模压紧板料，为拉延成形提供阻力，并与凸模的成形力共同提供板料的变形力，使板料产生充分的塑性变形。工作时，压边圈受到较大的载荷，压边圈要有一定的厚度以满足强度和刚度的要求。同时考虑到导板空间，本设计压边圈高度为170185mm。压边圈宽度根据压料面单边加宽100120mm，留出足够的空间设置合模限位块。同时考虑导板空间，压边圈长度为1500mm ，宽度为660mm。压边圈重量估算：按总长、总宽、总高相乘再乘于0.35的系数计算体积，则压边圈重量约为450kg。为方便运输，在压边圈四角设置四根起重棒，起重棒直径为40mm，单根最大承重0.7吨，满足起重要求。起重棒材料为45，锻件，调质处理，硬度为28