毕业设计（论文）-U形件冲压成形的回弹机理分析研究及有限元分析.doc

毕业设计说明书（论文）中文摘要近年来由于高强度薄钢板和铝合金板材的大量使用，冲压成形过程中回弹问题更为突出，成为汽车和飞机等工业领域关注的热点问题。本课题首先通过对u形件冲压成形的回弹机理进行分析研究，然后，运用pro/e建模和dynaform进行回弹仿真限元建模，通过有限元模拟分析了各因素对变薄率、变厚率、回弹角、压变和成形效果的影响。探讨了不同板料、摩擦系数、板厚、压边力等参数对u形件回弹的影响，得出较优的组合方案，为实际加工提供理论帮助。关键词: 冲压,u形件,回弹,有限元分析毕业设计说明书（论文）外文摘要titleanalysis and research of springback of u-shaped stampingbased on finite element analysisabstractin recent years, the springback during forming process is more prominent due to the high strength steel sheet and aluminum sheet are widely used, and becomes a hot issue in automobile and aircraft industry. firstly, the mechanism of springback of u-shaped pieces of metal forming is analyzed. then finite element analysis of springback is simulated and modeled by pro/e and dynaform. the influences of different sheet metal, friction coefficient, thickness, blank holder force and other parameters on the springback are investigated. a better parameter combined is gotten. theoretical support for the actual processing is provided.keywords：stamping;u-shaped pieces；springback; finite element analysis目 次1 绪论11.1 选题背景11.2 u形件冲压回弹技术研究现状11.3 主要研究目标及内容31.4 论文的组织结构42 u形件冲压回弹理论分析52.1 回弹的表现形式52.2 影响回弹的主要因素63 u形件有限元建模方法73.1 u形件冲压成形回弹数值模拟软件73.2 u形件回弹数值模拟过程84 u形件冲压回弹有限元分析124.1 不同材料下的回弹模拟124.2 不同摩擦系数的回弹模拟154.3 不同板材厚度的回弹模拟194.4 不同压边力的回弹模拟214.5 不同凸凹模圆角的回弹模拟254.6 不同拉延筋的回弹模拟27结 论32致 谢33参 考 文 献34 本科毕业设计说明书（论文） 第 19 页 共 19 页1 绪论1.1 选题背景汽车覆盖件及其他许多零部件都是弯曲成形件，对于零件的弯曲，必须要考虑到回弹的问题。回弹是弯曲成形中一个普遍的现象，回弹的存在将降低零件的几何精度、影响后续的装配、增加试修模以及成形后校形的工作量，延长了产品开发的周期，因此，对回弹的研究有着重要的意义。在弯曲成形中一般只涉及较为简单的几何形状和边界条件，人们对回弹的研究往往首先从弯曲入手1。本课题针对冲压的回弹现象，以简单的u形件为研究对象，首先分析确定影响冲压成形的主要因素：材料性能、压边力、板料厚度、摩擦系数等；继而运用dynaform对u形件进行简单的有限元仿真分析，找出这些因素对u形件冲压成形回弹的影响。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 u形件冲压回弹技术研究现状u形件的弯曲过程如图1.1所示。当凸模下降并与凸模上的板料接触时，板料即开始产生弯曲变形。图1.1a所示的弯曲开始阶段，凸、凹模圆角共同向板料施加力的作用。随着凸模的继续下行，板料中心部分便与凸模工作端面脱离而呈现图1.1b所示的弓形，而两侧外端部分在与凸模侧面接触后出现反弯曲。这属于弯曲的中间阶图1.1 u形件弯曲过程 板料成形中的回弹现象是成形过程中的常见缺陷，对零件的尺寸精度和生产效率造成极大的影响。为提高冲压件的产品质量，缩短新产品开发周期，必须对回弹进行准确的预测和有效的控制。工程中通常基于经验和反复试验来减小或消除回弹的影响，这样既花费大量时间，又耗费大量财力6。上世纪90年代，有限元仿真技术开始广泛应用于板料成形的回弹模拟中，基于有限元模拟技术，实现板料成形过程的工艺仿真，对回弹现象进行定量的数值计算，同时对模具形状不断修正使回弹后工件的实际形状和尺寸恰好满足设计形状要求。这样不仅节约了大量的人力物力，而且缩短了设计生产时间。这项技术在ansys、dynaform、deform、autoform等商品化板料分析软件中得到了广泛应用，取得了良好的效果7。 近年来，遗传算法也多被运用到板料冲压成形的回弹模拟中。 1.3 主要研究目标及内容本课题以u形件的板料弯曲作为研究对象，结合数值模拟技术对该类零件的成形回弹规律展开研究。研究手段如下：（1） 分析研究影响u形件冲压回弹机理，确定影响冲压成形的主要因素：材料性能、压边力、板料厚度、摩擦系数等。（2）分析研究u形件冲压回弹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u形件冲压回弹的具体仿真试验方案。（3）选择板料及模具的参数，使用pro/e建立模型，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。（4）采用不同的材料、压边力、板料厚度等参数进行回弹模拟，分析研究它们对回弹的影响，得出较优的组合方案。（5）对研究成果进一步分析，总结整个研究。1.4 论文的组织结构本文以冲压成形中比较有代表意义的u形件为主要研究对象，从理论上分析和研究其冲压成型后的回弹，并用板料成形模拟仿真专用软件dynafrom对u形件回弹进行仿真和分析。全文分为四章，各章内容如下：第1章：简要介绍了课题研究的背景和意义，分析了国内外冲压回弹技术的研究现状，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：分析回弹的理论基础、回弹的表现形式、影响回弹的主要因素，建立试验研究的理论基础，并简要分析了板料成形过程中回弹的评价标准。第3章：熟悉dynaform的回弹模拟流程；建立试验使用的材料、模具模型。第4章：用dynaform对u形件冲压回弹进行有限元分析，在不同条件下进行u形件回弹试验。并结合各试验数据，得到较优的组合方案。2 u形件冲压回弹理论分析 塑性弯曲和任何一种塑性变形一样，在外力下毛坯产生的变形由塑性变形和弹性变形两部分组成。当外力去除后，弹性变形会完全消失，而塑性变形保留下来。因此工件的弯曲角及内弯半径与冲模工作部分的角度及圆角半径不完全一致，这种现象称为回弹（或称弹复、回跳)11。 产生回弹的原因主要由两个：2.1 回弹的表现形式弯曲回弹表现形式有两个方面：（1）弯曲半径增大 13（2）制件角增大2.2 影响回弹的主要因素 影响回弹的因素有很多，本文主要就以下6个方面进行讨论14-19：（1）材料的力学性能（2）摩擦 。（3）板厚（4）压边力 压边力的改变就是改变板的进模阻力。随着压边力的增大，刚开始使弹性变形的比例增大，回弹角增大；然后塑性变形的比例增大，回弹角减小。（5）凹凸模圆角 （6）拉延筋 拉延筋对成形效果有很大影响，增加材料进入凹模的阻力，对零件弹性和塑性变形的比例有影响。3 u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u形件的加工方法冲压成形过程进行动态模拟。通过在不同条件下的回弹模拟，可以观察板料在冲压成形过程中的变形状态、应变分布、壁厚变化和冲压后的回弹。分析这些条件对回弹的影响，综合各种因素，获得最优的方案。3.1 u形件冲压成形回弹数值模拟软件 目前大多数冲压成形回弹的仿真都采用有限元分析软件。这些软件虽然功能很强，但由于没有考虑薄板冲压成形的特点，使用起来不方便，对不熟悉有限元方法的模具设计师更是如此。最近美国eta公司推出了eta/dynaform，在一定程度上考虑了薄板冲压成形的特点。但eta/dynaform是以ls-dynabd为直接服务对象的，薄板冲压成形的特点利用的不充分20。 eta dynaform软件有限元模拟板材冲压回弹过程如图3.1所示。图3.1 冲压回弹流程图3.2 u形件回弹数值模拟过程 u形件回弹数值模拟过程是在考虑到冲压件受工件几何参数、模具几何参数、材料性能、摩擦系数、材料厚度、冲压力、拉深极限、变压边力等因素的影响，因此要获得良好的试验效果，首先应建立合理工艺模型，步骤如下：（1）确定u形件的尺寸； 在pro/e中建立凸模、凹模、板料的模型，在草绘状态下绘制凸模、凹模、板料的尺寸。板长80mm，宽30mm，厚度在试验方案中；凹模长20mm，宽30mm，深度20mm；凸模尺寸在试验方案中确定。（2）将*.igs数据导入dynaform并对模型进行单元网格化处理。打开dynaform软件，在文件中选择导入项，找到刚才保存的*igs文件，依次将凸模、板料、凹模导入，凹模导入两次，因为要将其中一个凹模文件做成压边圈。在零件层中选择编辑，在编辑零件层窗口为导入文件重新命名。在前处理中选择曲面对导入的模型进行处理，删除不必要的表面，在曲面窗口中选中不需要的表面，删去相应的表面即可22。 单元网格化处理，在前处理中选择element，分别对凸模、凹模、压边圈进行网格化。对如板料的网格化选择选项，选择曲面，选中板料，在mesh size窗口，tool radius为0.5，板料单元网格化完成。网格化后的模型如图3.2所示：图3.2 网格化后的模型（3）定义板料的材料与属性，模具间距23板料的材料和属性设定，在工具中选择定义毛坯，添加添加板料b为毛坯，然后进入材料库窗口选择ddq，type37所对应的材料。如下图所示，相应的中文参数如下表。表3.1 ddq材料性能参数厚度t/ mm宽度l/ mm屈服极限强度系数k/ mpa厚向异性指数r280176.1524.61.79在属性窗口中新建板料属性，uniform thickness（板厚为2mm）为2.000000e+000。定义模具，在工具选择定义工具，选中用户自定义工具，并在包含零件层列表中选择相应的模型件。其中a对应凹模，y对应压边圈，b对应板料，t对应凸模。定义模具间的距离，选择要移动的模具，在距离中输入移动距离，移动方向为z translation。使得t在z方向移动1mm，y在z方向移动1mm,a在z方向移动-1mm24。（4）定义凸模的运动和压边力在工具中选择用户自定义工具，然后定义载荷曲线按钮，曲线类型中选择运动，z方向，选择死亡时间,定义凸模的运动、速度3000、冲压行程-20，负号表示z的负方向。定义压边力，选中y，定义载荷曲线，曲线类型选择作用力，z方向，选择死亡时间,选择自动,定义作用在压边圈上的压边力，作用力输入压边力的大小。（5）对模型进行有限元计算25在分析中选择ls_dyna，重力载荷、dynain输出，文件、指定工具和标题中的内容要相同。分析类型下拉菜单选择full run dyna。 然后即可进行有限元的计算。 （6）进行回弹模拟 在文件中选择导入dynain文件（*dynain*），然后设置回弹。 图3.3 回弹的参数设置 在blank中选择零件，在none中添加板材的材料；然后选择3个点进行约束，如图3.6所示。图3.6 约束的点在弹出的分析类型对话框将仅定义工具、制定工程和标题中的内容填写为相同的代码；选择下拉菜单中的full run dyna，即可进行分析了。4 u形件冲压回弹有限元分析 对于冲压模拟参数的选择，首先从材料入手，选择一些常见材料（如ddq、bh180、aa6009、dp600、ss409ni)、改变材料的摩擦系数、板厚进行模拟试验；然后是对凹凸模的相关参数进行模拟分析，如压边力、凹凸模圆角半径、拉延筋。通过这些模拟，综合板料厚薄变化、应变和成型效果的分析研究，得出较优的组合方案。4.1 不同材料下的回弹模拟 要合理制定冲压工艺，首先要了解被加工材料的力学性能，材料的力学性能是进行工艺计算的主要依据。试验方案如下： 1）凸、凹模的间隙为1.1t，底边圆角2mm； 2）材料参数如表3.1，摩擦系数0.125； 3）冲压距离20mm，冲压速度3000mm/s，压边力10000n；根据上述的参数设定在dynaform中进行分析，分别采用不同的材料进行模拟，模拟试验结果如下：表4.1 不同材料下的回弹模拟数据材料ddqbh180aa6009dp600ss409ni最大变薄率%6.124.898.732.183.14最大变厚率%0.01450.01110.009720.1030.0510回弹角0.1030.1970.0980.1630.221 最大应变0.06530.05740.1010.02600.0354最小应变-0.0348-0.0272-0.0267-0.0119-0.0162图4.1不同材料下的最大变薄率、变厚率图4.2 不同材料下的回弹角图4.3 不同材料下的应变变化 （a） ddq （b）bh180 （c）aa6009图4.4 不同材料下的极限应力 （a）ddq (b)bh180 (c)aa6009 (d)dp600 (e)ss409ni图4.5不同材料下的回弹角结果分析如下： （1）由图4.1、4.3可知：材料的变化对板料厚薄率变化和应变的影响是相对应的。与材料的密度有很大关系，密度越小，变薄变厚、应变越大。铝的密度最小，所以铝的变薄变厚、应变最大。（2）由图4.2可知，材料的回弹角与材料屈服点与弹性模量e之比成正比例关系。越大，则材料越难变形，材料越难进入塑性变形区，当冲压结束后，材料主要是弹性变形，所以回弹会比较大。由上述分析可知，材料的变化对回弹角的影响比较大。aa6009和ddq的材料屈服点与弹性模量之比较小，所以回弹角比较小。因为铝材aa6009的变薄变厚率、应变较大，对成形效果有影响，且钢材是现阶段应用最多、最广泛的材料，所以下面的试验主要采用ddq作为研究对象。4.2 不同摩擦系数的回弹模拟 摩擦首先影响到的应该是成型效果，所以对不同摩擦系数的分析，一定要综合各种因素考虑。试验方案如下： 1）凸、凹模的间隙为t，板厚mm，底边圆角mm； 2）材料ddq，摩擦系数; 3）冲压距离mm，冲压速度mm/s，压边力n；根据上述的参数设定在dynaform中进行分析，分别采用不同的材料进行模拟，模拟试验结果如下：表4.2 不同摩擦系数下的回弹模拟数据图4.6 不同摩擦系数下的最大变薄率、增厚率图4.7 不同摩擦系数下的回弹角图4.8不同摩擦系数下的应变 (a)f=0.05 (b)f=0.5图4.9 不同摩擦系数下的极限应力图图4.10 不同摩擦系数下的回弹角结果分析如下： （1） （2） （3） 通过上面的分析可知，随着摩擦系数的增加，材料的减薄率、应变的绝对值。综上所述，选择摩擦系数为宜。4.3 不同板材厚度的回弹模拟改变板材厚度，间接等于改变凹凸模间隙。因为改变板厚与改变间隙相比，制作模型简单且效果是一样的，所以选择改变板厚。凸凹模单边间隙对回弹角有很大影响。试验方案如下： 1）凸、凹模的间隙为t，底边圆角mm； 2）材料ddq，摩擦系数 3）冲压距离mm，冲压速度mm/s，压边力n；根据上述的参数设定在dynaform中进行分析，分别采用不同的材料进行模拟，模拟试验结果如下：表4.3 不同板厚下的回弹模拟数据图4.11 不同板厚下的最大变薄率、变厚率图4.12 不同板厚下的回弹角图4.13 不同板厚下的应变变化 图4.14 不同板厚下的极限应力图 图4.15 不同板厚下的回弹角结果分析如下：（1）由图4.11、4.13可知（2） 由图4.12可知，（3）由图4.14可知， 由图表可知，。所以板厚应。4.4 不同压边力的回弹模拟 为了防止在冲压过程中，工件的边壁或凸缘起皱，应使毛坯（或半成品）被拉入凹模圆角以前，保持稳定状态，故要设压边圈。试验方案如下： 1）板厚mm，凸、凹模的间隙为t，底边圆角mm； 2）材料ddq，摩擦系数 3）冲压距离mm，冲压速度mm/s，压边力n；根据上述的参数设定，分别采用不同的压边力在dynaform中进行模拟分析，模拟试验结果如下： 表4.4 不同压边力的回弹模拟数据图4.16 不同压边力下的最大变薄率、变厚率 图4.17 不同压边力下的回弹角变化图4.18 不同压边力下的应变变化图4.19 不同压边力下的极限应力图 图4.20 不同压边力下的回弹角结果分析如下： (1)从图4.16不同压边力的厚度变化可以看出，。(2)由图4.17可以看出，。(3)由图4.19不同压边力下的极限应力图可以看出：。由上述可知，.，但综合考虑，压边力。4.5 不同凸凹模圆角的回弹模拟4.6 不同拉延筋的回弹模拟冲压成形生产中，往往会因为零件几何型面的不对称，使得板坯在成形时各处材料沿凹模口的流动速度不均衡，造成冲压后的工件，局部减薄量大出现颈缩或者破裂，而有些部位出现起皱、波纹等质量缺陷。为了改善这种状况，需要在压料面上控制对工件不同部位提供的进料阻力(毛坯在进入凹模前遇到的阻力)，即在需要材料多的部位相应的进料阻力小，而在需要材料少的部位相应的进料阻力大，从而平衡坯料在凹模口部的流动速度差异，提高零件成形质量。拉延筋布置原则如下：增加进料阻力，放整圈的或间断的1条拉延槛或1-3条拉延筋；增加径向拉应力，降低切向压应力，防止毛坯起皱，在容易起皱的部位设置局部的短筋；调整进料阻力和进料量，拉延深度大的直线部分，放下3条拉延筋；拉延深度大的圆弧部分，不放拉延筋；拉延深度相差较大时，在深的部位不设拉延筋，浅的部位设拉延筋。 设置方案如下图：图4.26 拉延筋布置图试验方案如下： 1）凸、凹模的间隙为1.1t，板厚1mm，底边圆角1mm； 2）材料aa6009，摩擦系数0.125； 3）冲压距离20mm，冲压速度3000mm/s，压边力10000n； 4）凹模为正方形，尺寸66mm，凸模为圆弧形；根据上述的