毕业设计（论文）-加油盒冲压成形数值模拟及模具设计.doc

宁波理工学院 毕业设计（论文） 题 目 加油盒冲压成形数值模拟及模具设计 numerical simulation and design ofbox filler stamping姓 名 学 号 专业班级 07机制2班 指导教师 分 院 机电与能源工程分院 完成日期 2011年5月30日 摘要本文主要介绍了有限元分析法，通过使用有限元分析软件dynaform对非轴对称零件汽车加油盒冲压成形进行数值模拟。通过对照模拟结果，用正交试验法分析并总结出压延筋、压边力和摩擦系数对成形的影响规律。分析试验表明，压边力对于汽车加油盒的成形影响最大，压延筋其次，摩擦系数最弱。通过对汽车加油盒单因素影响分析，可以得出：当压边力、压延筋和摩擦系数参数值分别为20000n、设置压延筋和0.1时，零件最终成形的效果最好。最后参考理论计算以及分析试验的结果，设计出模具，绘制出装配图，为汽车加油盒工业生产做理论基础。关键词：有限元分析法，汽车加油盒，板料成形，数值模拟，工艺参数影响规律abstractthis research introduced fem, and used fem software dynaform to finish numerical simulation of box filler stamping. controlling the result of numerical simulation, i used orthogonal test to analysis them, and summary the law which draw bead, bhf and friction coefficient affect box filler stamping. in the end, i referenced result of research to design the mould for box filler production.key words: fem, box filler, sheet metal forming, numerical simulation, process optimization目录1绪论61.1板料成形的模拟技术61.1.1有限元分析法61.1.2有限元分析法在不同条件下的分析情况61.1.3dynaform在冲压成形中的应用81.2汽车加油盒拉深成形研究现状91.2.1加油盒零件研究进展情况101.2.2加油盒在加工中存在的问题101.3研究内容111.4课题研究目的及意义122板料拉深成形数值模拟理论基础132.1拉深成形工艺参数的确定132.2有限元数值模拟132.2.1几何模型132.2.2材料参数142.2.3网格划分142.2.4单元类型选择152.2.5接触条件和加载162.2.6定义求解时间和输出文件步长173加油盒一次拉深预试验183.1加油盒拉深成形计算183.1.1拉深系数及次数计算183.1.2压边力计算183.1.3圆角半径和拉深模间隙计算193.2预试验前的准备193.3加油盒一次拉深正交试验设计203.4本章小结224加油盒零件两次拉深成形数值模拟234.1加油盒第一次拉深成形数值模拟234.1.1一次拉深工序件建模234.1.2模拟试验条件244.1.3试验结果分析244.2加油盒二次拉深试验第二次拉深成形264.3本章小结265加油盒拉深成形影响因数分析及模具设计285.1压延筋对加油盒拉深成形的影响285.2压边力对加油盒拉深成形的影响315.3摩擦系数对加油盒拉深成形的影响335.4加油盒冲压成形模具设计345.5本章小结376结论与展望386.1结论386.2展望387参考文献391 绪论1.1 板料成形的模拟技术1.1.1 有限元分析法有限元分析（finite element analysis-fea）诞生于二十世纪六十年代的，它是一种预测结构的偏移与其它应力影响的过程，有限元建模（fem）将这个结构分割成单元网格以形成实际结构的模型，每个单元具有简单形态（如正方形或三角形），有限元程序将这些单个单元的刚度矩阵组合起来以形成整个模型的总刚度矩阵，并给予已知力和边界条件来求解该刚度矩阵以得出未知位移，从节点上位移的变化就可以计算出每个单元中的应力。在有限元的理论和算法不断完善下以及计算机技术普及和计算速度的不断提高，有限元分析在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源、科学研究等各个领域都被广泛地使用，而且已使设计水平发生了质的飞跃，主要表现为这几个方面：（1） 增加产品和工程的可靠性； （2） 在产品的设计阶段发现潜在的问题（3） 经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本（4） 缩短产品投向市场的时间（5） 模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费1.1.2 有限元分析法在不同条件下的分析情况有限元分析方法是目前金属模拟成形方法中最为广泛的分析方法。有限元分析法功能强大在于它可以用不同形状、不同大小、不同类型的单元来描述任意形状的物体。自有限元分析诞生以来，不断地被研究人员用于研究成形技术中，其中金属成形数值模拟就是一个方面。就金属成形而言，有限元法可以分为固体型塑性有限元（solid formulation）和流动型塑性有限元（flow formulation）两类，其中固体型塑性有限元包含了弹塑性有限元和弹粘性有限元，而流动型塑性有限元包含了刚塑性有限元和刚粘性有限元。一般情况下，弹塑性有限元适用于分析板料成形如拉延、弯曲、缩口等工艺，刚塑性、刚粘塑性有限元适用于分析挤压、锻造、压印、轧制等大变形的体积成形问题。关于不同的分析方法、不同的材料模型、模拟零件形状等条件，研究人员做了不同的模拟研究：（1） 关于弹塑性有限元法1976年，wifi用弹塑性有限元法模拟了圆形板料在半球形凸模作用下的胀形和拉延过程，1978年，wang基于非线性薄壳理论采用弹塑性全lagrange格式对一般形状的冲压成形问题进行了分析。1985年，makinouchi用弹塑性有限元法分析了弯曲和修边过程。1988年，nakamachi用弹塑性有限元法对方盒形拉延件进行分析，取得了和试验相一致的结果。1989年，nonecker用显式分析方法模拟了加油盒的成形过程。在这之前，研究人员使用的计算方法还普遍是隐式分析，之后，显式分析法被逐渐广泛使用。（2） 关于刚塑性有限元法1973年，kabayashi采用刚塑性有限元法模拟了板料冲压成形过程。1980年，oh.s.i.和kabayashi用刚塑性有限元法对成形中的拉弯过程进行分析。1984年，wang用刚塑性有限元法对速率敏感材料的成形问题进行了分析。1985年，toh和kabayashi采用板壳单元，刚塑性有限元法分析了三维方盒形件的深拉延过程。（3） 关于轴对称形状的零件件轴对称零件，形状左右对称，如圆筒形件、方盒形件等。1978年，onate和zienkiewicz基于非牛顿流体的流动理论，用粘塑性有限元法分析了轴对称情形下的胀形和拉延过程。2002年，哈尔滨工业大学的张凯峰采用刚粘塑性本构关系，开发了粘塑性板壳成形有限元分析程序，并对方盒的超塑成形进行了分析；李顺平采用刚塑性本构关系，对方盒形件的拉延成形过程进行了数值模拟。（4） 关于非轴对称形状的零件非轴对称零件的种类非常的多，汽车零件大部分都属于非对称零件。随着汽车制造业地不断发展，人们碰到的问题越来越多，虽然问题都逐渐被一一解决，但是，由于汽车零件种类繁多，有些相对来说不太重要的零件还存在着许多问题还没有解决，研究领域还是存在部分的空白，比如像汽车加油盒。1.1.3 dynaform在冲压成形中的应用有限元分析软件正普遍地被用于各学校、研究所以及企业之中，目前在金属塑性材料成形分析领域中被广泛应用的有限元分析软件主要有：美国eta公司的eta/dynaform、msc公司的msc.marc、美国ansys公司的ansys、德国autoform工程有限公司的auto form、法国esi集团的pam系列软件等。而本次模拟研究试验所使用的有限元模拟软件是美国eta公司和lstc公司联合开发的用于板料成形数值模拟的专用软件dynaform来进行对加油盒零件模拟成形。dynaform是ls-dyna求解器与eta/femb前后处理器的完美结合，具有操作简单，运算速度快，后处理模块功能强大（如图11所示。）等多个特点，是当今流行的板料成形与模具设计的cae工具之一。图11基于dynaform后处理中网格筋壳片成形毛坯受应力情况dynaform主要模块：（1） 基本模块：dynaform中的基本模块提供了良好的与cad软件的iges、vda、dxf、ug和catia等的接口，以及与nastran、ideas、 moldflow等cae软件的专用接口，以及方便的几何模型修补功能。（2） bse（板料尺寸计算）模块：其模块功能主要是采用一步法求解器，可以方便地将产品展开，从而得到合理的落料尺寸。（3） dfe（模面设计）模块：dynaform的dfe模块可以从零件的几何形状进行模具设计，包括压料面与工艺补充。dfe模块中包含了一系列基于曲面的自动工具，如冲裁填补功能、冲压方向调整功能以及压料面与工艺补充生成功能等，可以帮助模具设计工程师进行模具设计。dynaform主要应用范围：（1） 冲裁、压边、拉延、弯曲、翻边、回弹、多工步成形等典型板金成形；（2） 液压成形、辊弯成形；（3） 零件模具型面设计；（4） 压机负载分析等。dynaform能够帮助工程技术人员减少冲压产品开发周期，解决模具设计中所关心的可成形性、起皱、回弹、压痕以及压力机吨位预测等问题，是高效的板金成形仿真工具。与其他有限元分析软件相比较，dynaform具有模拟结果精确、环境单一、自动化、兼有显示求解法与隐式求解法，能无缝转换等优点。其前处理和后处理等模块功能强大，操作简单，受力和应力情况清晰易懂，而且可以直接导入绝大部分主流cad、cae数据格式，如ies、stl、u、catia、pro/e、autocad等，鉴于以上优点，选择dynaform作为本次研究实验所用的软件。1.2 汽车加油盒拉深成形研究现状汽车加油盒（如图12所示）是一种曲面非轴对称的高拉延件，属于深拉成形件，其成形高度尺寸大于宽度尺寸，毛坯周边的变形分布极不均匀，材料的流动特点与直壁盒形件等对称零件存在很大的差别。单边拉深高度很大，因此在拉深过程中，变薄率对加油盒零件来说很重要，而且当变薄率过大时，容易造成加油盒零件破裂的情况。在工业生产中，汽车加油盒零件的生产与研发往往只是通过工人师傅的经验来进行工艺参数的选定，而这样会消耗大量的人力、物力和时间，使得生产研发事倍功半。图12 汽车加油盒实体零件近些年来，随着cad/cae/cam技术的不断进步发展，冲压模具及其工艺设计已经突破并逐渐取代了传统的设计方法。采用计算机模拟，对板料冲裁成型的工艺过程进行有限元分析，可以推测出金属的流动趋势、模具受力情况、应力应变分布等，还可以预测出板料成形过程中，发生的起皱、破裂及成形后的回弹。这大大的提高了生产效率，保证了工件的质量，减少了耗材，缩短了产品周期，对模具行业有非常重要的意义。1.21.2.1 加油盒零件研究进展情况最近几十年来，随着国内有限元分析技术不断地提高，国内研究人员知识水平地提高，逐渐在非轴对称件上开始了实验研究。1985年，北京工业大学锻压教研室的丛元、孙政元、黄乃强、朱永豪等人首次利用了弹塑性有限元分析法对非轴对称拉延过程进行了分析。在计算中他们选用了考虑横向剪切影响的曲壳单元，提出了对板料随位置和加载变化而改变的边界条件的处理办法，得到了拉延过程中板料凸绿部分金属流动规律、工件剖面的几何形状，应变分布曲线等等，并找出所研究的盒形件最容易发生破裂的地方是在转角部分靠近凸模圆角处，为以后的研究人员们做加油盒的研究奠定了技术基础。2007年，重庆大学机械工程学院的李红对汽车加油盒成形进行了实验研究。他采用有限元分析软件dynaform对该零件的成形过程进行计算机数值模拟，预测可能出现的问题或缺陷，然后通过修改和优化工艺及模具参数，得到适用于生产的加工模型，并实用于工业生产中。 尽管如此，国内对汽车加油盒的研究还是比较的少，而且比较简单，很多成形参数和工艺参数分别对成形的具体影响方面，还是需要我们去研究去探索。1.2.2 加油盒在加工中存在的问题加油盒在工业生产过程中，往往只是靠着工人师傅的经验来完成对加油盒生产的参数设置，没有具体的数值规律使得零件在生产和更新中浪费了时间，同时也浪费了财力和物力。而且，在有限元的使用逐渐普遍的情况下，对加油盒零件的模拟分析比较少也不够全面，希望能通过本次试验研究，为加油盒模拟研究进一份微薄之力。在加油盒拉深成形过程中，最主要的两个问题就是起皱和破裂（如图13和图14所示）。这两种都属于质量缺陷，一旦出现，就会使得零件无法使用。因此，必须通过试验分析，找出各工艺参数对于成形的影响，找出最佳值，总结出规律，为加油盒零件在工业生产中增加效率。图13 加油盒起皱实体图图14 加油盒破裂实体图1.3 研究内容本课题名称为加油盒冲压成形数值模拟及模具设计，主要内容就是通过采用塑性有限元法（fem），利用先进成熟的美国eta 公司的dynaform 软件对汽车加油盒冲压成形进行计算机数值模拟，在不发生质量缺陷的情况下，探究各拉深成形工艺参数对于汽车加油盒零件冲压成形结果的影响，找出并总结具体影响的规律，绘制出曲线图，并同时参考理论计算以及试验分析结果设计出该模具。具体内容如下：（1） 基于正交试验的汽车加油盒成形工艺优化；（2） 汽车加油盒成形质量影响因素分析；（3） 汽车加油盒零件冲压模具设计。1.4 课题研究目的及意义此次研究试验的结果将会对汽车加油盒的工业生产有很大的帮助，在汽车加油盒以及其他复杂零件的生产中，对这些零件的工艺设计仍然采用类比方法，依靠定性分析、物理模拟加实验验证，理论分析严重滞后。从生产中积累的经验知识存在不直观、不系统的缺陷，而成形数值模拟研究可得到直观的动态成形效果显示，其计算结果可指导实际生产，减少生产研发的周期，降低零件废品率，提高模具使用寿命，节约了人力、物力和财力，因此对这类零件进行系统的有限元数值模拟研究具有理论和实践上的双重价值，同时还为非轴对称高拉延件的有限元分析研究提供一些理论的基础。 2 板料拉深成形数值模拟理论基础22.1 拉深成形工艺参数的确定在板料拉深成形过程中要想得到变薄率较小符合工业生产要求，没有缺陷的理想制品，必须确定出拉深成形主要工艺参数的合理取值范围。拉深成形的主要工艺参数包括拉深次数、压边力以及摩擦系数等等。由于加油盒零件不属于规则零件，一般的公式无法适用于它，因此，本节通过参考相关文献以及工业生产中的实际情况给出各个参数恰当的加载范围，也为后期优化这些工艺参数提供了合理的变量取值区间。各参数加载范围如表21 各参数加载范围所示。表21 各参数加载范围参数摩擦系数压边力拉深次数冲压速度数值范围0.1-0.1510kn-30kn2-38m/s2.2 有限元数值模拟22.12.22.2.1 几何模型数值模拟中的加油盒零件属于曲面模型，而毛坯属于平面图形，通过对加油盒零件实体临摹，并在三维软件solidworks中进行建模，将模型导成所需曲面模型的iges交换格式文件，然后读入到数值模拟软件中。模具cad模型如图21 通过solidworks对加油盒进行建模所示。图21 通过solidworks对加油盒进行建模2.2.2 材料参数加油盒零件所选用的材料为不锈钢304，其材料物理性能参数如表22 不锈钢304的物理性能所示。表22 不锈钢304的物理性能参数抗拉强度b/ mpa屈服强度/mpa伸长率断面收缩率硬度/hb指标5202054060187参数密度g/后向异性指数指标7.90.92.2.3 网格划分有限元网格划分的质量对后续成形计算分析的结果有很大的影响。划分的有限元网格应该尽可能的保证反映出原曲面模型的形状特征，单元的数目必须控制在一定的范围内，因为单元数目过多会造成计算时间过长和效率降低。总之要精度和效率兼顾。图22 加油盒零件网格划分结果是板坯模型曲面在dynaform 中有限元网格划分的结果，模具因为是刚体不会产生变形为主动面，网格划分疏密程度较粗，板坯为成形分析对象为从动面，因此网格疏密程度相对模具要高。具体的各个模型的节点和单元的统计列表如表23 各模型节点和单元统计列表所示。图22 加油盒零件网格划分结果表23 各模型节点和单元统计列表统计指标dieblankpunch节点数658133774270总单元数669133084381四边形单元数538226933687三角形单元数1017615694三角形单元所占比例18.9%18.8%18.8%2.2.4 单元类型选择用于板料成形分析的有限元类型有膜元、壳元、实体元等。薄膜单元忽略了弯曲对变形的影响，应力、应变被认为是沿厚度均匀分布的，单元构造简单，在早期的冲压成形模拟中被较多的使用，它只适应于胀形这类弯曲效应不明显的成形计算，不能模拟弯曲效应引起的回弹和起皱现象。能模拟弯曲效应的只有壳元和实体元，但实体单元由于板厚小易引起刚度矩阵的奇异，往往要求单元划分较密，导致计算量过大，所以目前广泛采用壳单元。应用于板料成形的壳单元可分为二类：一类是基于kirchhoff板壳理论的薄壳单元，另一类是基于mindlin理论的壳单元。kirchhoff壳单元需要构造c1连续的插值函数，对于三维问题，单元构造困难，格式复杂，它忽略了横向剪切变形的影响，对中厚壳的计算误差较大。基于mindlin理论的壳单元，采用结点位移和转动各自独立插值的形式，它和实体元一样是c0型单元，构造简单，计算效率高，不仅适用于薄壳分析，也适用中厚壳的分析。目前最常用的是四节点四边形薄壳单元，其算法有两种，即 huhes-liu 算法和belytschko-tsay算法。在有限元计算过程中对壳单元选择的基本要求是简单、经济、可靠。基于mindlin板壳理论的 huhes-liu 单元(hl 单元)和belytschko-tsay单元(bt 单元)，由于在单元节点上存在独立的转动自由度，单元构造比较容易，而且可以很好地分析成形过程中的弯曲、起皱及回弹问题，所以是目前使用的最为普遍和成功的两种壳单元。hl 单元是从三维实体单元退化而来，这种单元的特点是：可以适应任意复杂变形，具有较高的计算精度，但是单元公式比较复杂，计算量较大，在求解大型复杂成形问题时需要较长的计算时间。bt单元是对 hl 单元计算效率的一种修正，它由于采用了基于随动坐标系的应力计算方法，有很高的计算效率。特点是：采用单点积分，使得计算过程相当简单，不必计算费时的jaumann应力，有很高的计算效率，目前成为显式有限元分析的最有效的单元，但是计算过程中可能会有零能模式出现，称为“砂漏”。所以需在每个单元节点上施加砂漏控制力，在一般情况下能得到与 hl 单元较为一致的计算结果。因此，基于以上分析，本文所进行的拉深成形的有限元分析都是基于bt壳单元进行的。2.2.5 接触条件和加载dynaform 中有 9 种不同的接触类型，要选择合适的接触类型来描述实际的物理系统，为了选择合适的接触类型，往往需要对接触方式和算法有深入的理解。模具通常定义为目标面，而工件则定义为接触面。在这些接触类型中，模具无需网格贯通，因此减小了接触定义的复杂性，但模具网格的方向必须一致，在接触分析中，由于问题的复杂性，判断接触发生的方向有时是很困难的，因此分析中应尽量使用自动接触。自动接触与普通接触的区别在于对壳单元接触力的处理方式不同，自动接触考虑壳的厚度，接触在壳单元的两侧都发生。若为普通接触，接触只在壳单元的法向方向发生。在壳单元中，接触通过法向投影中面的 1/2 接触厚度（contact thickness）来确定接触面，接触厚度可以在接触的定义中明确指定。在主、从面被确定后需要考虑合适的接触搜索方式，接触搜索方式中按检查节点对面的穿透方式分为单向接触和双向接触，由于在单向接触中，仅有从节点被检查是否穿透主面，而不考虑主节点，双向接触既检查从节点对主面的穿透，又检查主节点对从面的穿透，代价是两倍左右的计算时间。因此，单向接触要比双向接触运行速度快得多，因此被广泛应用。因此，模具与管坯之间的接触参数设置选用auto_one_way_s_to_s（自动单向面到面）。2.2.6 定义求解时间和输出文件步长定义合适的求解时间对内高压成形模拟十分重要，求解时间越长（即越接近实际的成形时间）模拟结果就越接近实际结果。但是定义较长的求解时间，模拟时间也会很长（相同的条件下，模拟运算时间和定义的求解时间成正比）考虑以上因素及计算机配置，为了提高计算速度和精度，同时也要满足动力显式算法对时间步长的要求，模拟过程的时间要远远小于实际的时间，因此可以通过放大速率来实现，其中速率放大了1000倍。本文定义求解时间为0.011秒。输出文件步数多少影响运算时间和后处理的操作，特别是模拟有较大变形的情况，步数多有利于后处理中的显示和对各个时刻变形的研究分析。本文设置的输出文件步数为60步。3 加油盒一次拉深预试验根据参考相关文献以及实际生产中的经验，拉深成形需要两次拉深，为了合理设置工序件的形状，基于dynaform进行拉深预实验模拟，通过一次拉深成形正交试验法分析零件出现质量问题的关键部位，为两次拉深设计做铺垫。33.1 加油盒拉深成形计算在对加油盒零件做拉深成形试验之前，先对其工艺参数进行理论的计算，为试验做好理论参考。但是，具体参数选择必须结合实际成形的结果。33.13.1.1 拉深系数及次数计算加油盒零件毛坯厚度t=1mm，毛坯直径d320mm，则 其毛坯相对厚度td=0.58，查极限拉深系数表得：m1=0.55-0.58m2=0.78-0.79m3=0.8-0.81加油盒零件直径d150mm，毛坯直径d320mm ，则预算各次拉深直径为：d1=0.57320=184.2mmd2=0.78184.2=143.6mm d2=143.6mm150mm（工件直径），说明允许的变形过程为用足。将上面的各次拉深直径向大的方向圆整，取d1=186mm、d2=146mm。验算实际拉深系数m1=0.581、m2=0.794，可以看出它们均大于相应的极限拉深系数，说明可行。因此，拉深次数为两次。3.1.2 压边力计算压边力的计算公式如下 （式 1）： （式 1） 式中压边圈面积，mm2； p单位压边力，mpa。对于钢材料，通常p的值可取为2.5-3mpa，而压边圈面积为8976mm2，则3.1.3 圆角半径和拉深模间隙计算根据查拉深模圆角半径表，可以得出当材料为钢，厚度小于3mm时，r凹=0.6t=6mm，而凸模圆角半径r凸=5mm。拉深模间隙公式如下 （式 2）： （式 2） 选取时，第一次拉深取1.1t即1.1mm，第二次拉深取1t即1mm。123.2 预试验前的准备正交试验法是研究多因素多水平的又一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，正交试验设计是分式析因设计的主要方法。正交试验法大大地减少了试验的次数，可以科学的、效率的得出想要的试验结果。由于每模拟一次要花费很长的计算时间，而且实验次数会很多，因此，为了能提高效率，决定使用正交试验法来分析结果。（1） 加油盒工艺参数：在模拟成形中，其工艺参数的选择如表 31 加油盒拉深成形工艺参数所示。表 31 加油盒拉深成形工艺参数工艺条件摩擦系数压边力压延筋数值0.1-0.1510kn-30kn有-无（2） 毛坯尺寸计算：基于solidworks建立加油盒零件的三维模型，通过转化为igs格式的文件，并导入dynaform后通过bse功能展开求得毛坯，并加宽毛坯外边缘宽度10mm，如图 31所示。图 31 加油盒毛坯形状（3） 网格划分：通过dynaform软件中自带的自适应网格划分功能，以最大单元尺寸5为单位和最小单元尺寸为0.5单元，划分结果为正方形网格数量为5382，三角形网格数量为1017。3.3 加油盒一次拉深正交试验设计完成试验前准备后，开始设计正交试验，并实施试验记录数据。考虑到压边力、摩擦系数和压延筋将会对加油盒成形产生影响，因此设三个因素分别为压边力f、摩擦系数、压延筋y，三水平f为10000n、20000n和30000n，为0.1、 0.125和0.15，两水平压延筋y为有和无，试验指标为加油盒最大变薄率。因素水平表和混合正交试验表l6223如表 32 水平因素表所示。表 32 水平因素表因素压延筋 压边力n 摩擦系数符号y f 水平123有无100002000030000 0.1 0.125 0.15记录下试验数据，对这些结果进行极差分析，如表 33 极差分析表所示。表 33 极差分析表列号j1 2 3 4因素fy试验号12345611223312121212233170.5%62%72.1%66.7%66.3%67.7%132.5%208.9%138.2%k=405.3%k=67.55%138.8%201%134.1%134%133%k232/ k66.25%69.6%69%/k69.4%67%67.05%/k67%66.5%d(极差)3.15%2.6%2.5%从极差分析可以看出，压边力对拉深变薄率的影响最大，压延筋和摩擦系数对拉深变薄率的影响稍弱。从实验可以看出，最佳的实验组合是第二组，即有压延筋，压边力为，摩擦力为，变薄率最小。当采用压延筋、压边力为20000n以及摩擦系数为0.1时，其成形极限图和厚度变化图如图 32 成形极限图(红色为破裂危险区)和图 33 厚度变化图所示。图 32 成形极限图(红色为破裂危险区)图 33 厚度变化图从成形极限图可以看出，即使采用最优的参数组合，拉深时依然存在劈裂，主要发身在零件底部的4个尖角处，这主要是因为加油盒零件局部拉深高度太大，材料变薄严重造成的。对比其它部位，材料厚度最大减薄处厚度为0.658383，变薄率35%，大于工程需要的30%，变薄率太大，因此，该零件采用一次拉深成形很难满足要求，故该零件考虑采用二次拉深成形。3.4 本章小结通过本次正交试验的分析后，找出了对加油盒零件最佳的模拟参数，并且发现加油盒拉深成形中的几个危险尖角。变薄率也超出标准不多，因此用二次拉深来模拟成形，就可以达到工程的需要了，并且同时一定要注意几个危险尖角。4 加油盒零件两次拉深成形数值模拟从预实验模拟结果可以看出，零件危险点上的零件变薄率为50%以上，可以看出，可以通过两次拉深就可以缓解危险点处的应力和变薄问题。两次拉深成形是指在第一次拉深一部分，并将第一次拉深成形的毛坯进行退火等热处理工艺，消除应力，使得拉深高度较高的零件不容易破裂。两次拉深中，第二次拉深成形所使用的板料选用第一次拉深成形的凹模，利用solidworks绘制出第一次成形的凹模，基于一次拉深成形的凹模模型，将拉深高度减少40%，并将一次拉深成形中的四个危险尖角的高度较少60%，以确保第二次拉深成形能够安全完成。工序图如图41 加油盒零件拉深工序图所示。（a）毛坯 （b）一次拉深工序件 （c）最终零件图41 加油盒零件拉深工序图44.1 加油盒第一次拉深成形数值模拟44.14.1.1 一次拉深工序件建模通过三维软件solidworks对第一次拉伸的模型进行建模，模型如图 42 第二次拉深成形坯料模型所示。图 42 第二次拉深成形坯料模型4.1.2 模拟试验条件加油盒零件第一次拉深成形凹模网格划分，以最大单元尺寸5为单位和最小单元尺寸为0.5单元，总节点数为5829，单元总数为5996，四边形单元为5106，三角形单元为890，划分结果如图43 第一次拉深网格划分结果所示。图43 第一次拉深网格划分结果加油盒零件第一次拉深模拟试验工艺参数如所示。表41 加油盒零件第一次拉深模拟试验工艺参数表工艺条件摩擦系数压边力压延筋数值0.120000n有4.1.3 试验结果分析第一次拉深成形的成形极限图和厚度变化图如图44 成形极限图和图45 厚度变化图所示。图44 成形极限图图45 厚度变化图通过观察成形极限图，可以看的出来，板料不存在危险的区域，而且没有破裂，说明以这个工艺参数，可以顺利完成加油盒零件的第一次拉深成形。而通过厚度变化图中的数值可以看出，最大变薄处的厚度为0.871182，变薄率为13%，远远小于工程生产中的30%，因此可以推断出，按照最佳组合参数，可以使加油盒零件第一次拉深成形安全顺利的完成，并为第二次拉深成形做好基础。4.2 加油盒二次拉深试验第二次拉深成形加油盒第二次拉深成形所选择的工艺参数跟第一次拉深成形所选择的一样：使用压延筋、压边力为20000n以及摩擦系数为0.1。分析计算后，观察成形极限图以及厚度变化图，如图 46 第二次拉深成形极限图和图 47 第二次拉深成形厚度变化图所示。图 46 第二次拉深成形极限图图 47 第二次拉深成形厚度变化图从成形极限图可以看出，即采用最优的参数组合，拉深时已经不存在劈裂的情况了，由于拉深高度变小了，所有部分的材料都在安全的区域。而从厚度变化图中可以看出，对比其它部位，材料厚度最大减薄处厚度为0.770280，变薄率为23%，小于工程生产中要求的30%，因此，该零件采用二次拉深成形可以满足要求。4.3 本章小结本章针对了加油盒一次拉深成形时，出现的几个危险尖角，通过降低危险尖角处的拉深高度，使加油盒安全成形。通过对加油盒零件两次拉深成形数值模拟，并分析结果，证实了最佳参数能够使得加油盒零件安全成形，而且使成形结果满足要求。5 加油盒拉深成形影响因数分析及模具设计加油盒拉深成形的三个影响加油盒成形的工艺参数压延筋、压边力和摩擦系数之间会互相影响，为了找出单因素对加油盒成形的影响，本章采用了使一个参数变化同时固定另外两个参数的值的方法，并根据结果绘制曲线图。 23455.1 压延筋对加油盒拉深成形的影响压延筋对于加油盒的拉深成形有很大的影响，在正交试验分析中，推断出压延筋对于成形的影响是最大的，在此，通过固定其他两个因素的水平，同时改变压延筋的水平，试验条件如表51试验条件表 所示。表51试验条件表工艺条件数值摩擦系数0.10.1压边力20000n20000n压延筋有无加油盒零件虚拟压延筋布置位置如图51 压延筋布置位置所示。图51 压延筋布置位置模拟成形计算结束后，对照试验结果，成形极限图和厚度变化图如图 52 不设置压延筋和设置压延筋的成形极限图对比和图 53不设置压延筋和设置压延筋的厚度变化图对比所示。 无压延筋 有压延筋图 52 不设置压延筋和设置压延筋的成形极限图对比无压延筋 有压延筋图 53不设置压延筋和设置压延筋的厚度变化图对比通过观察分析以上两个对比图，绘制压延筋对拉深成形厚度变化率的影响条形图，如图 54 压延筋对拉深成形变薄率影响条形图所示。 有压延筋 无压延筋图 54 压延筋对拉深成形变薄率影响条形图从图 53不设置压延筋和设置压延筋的厚度变化图对比 和图 54 压延筋对拉深成形变薄率影响条形图中可以看出，在其他参数条件不变的情况下，压延筋的存在对变薄率影响并不大，但是，从图 52 不设置压延筋和设置压延筋的成形极限图对比中很明显的可以看出，相对于设置压延筋来看，没有设置压延筋会导致很重的起皱。由于压延筋的作用是增加材料流动的阻力，降低材料在切向压应力作用下失稳的可能，从而减少起皱的出现。起皱的出现直接导致零件不合格，因此，为了防止起皱的出现，压延筋是必须要放置的。5.2 压边力对加油盒拉深成形的影响压边圈对于加油盒拉深成形有着较大的影响，其作用有两个是方面，一方面是为前次拉深后的毛坯精确定位，而另一方面是限制材料流动的速度，防止起皱。当压边力过小时，零件就容易起皱。而当压边力过大时，会导致压边圈与坯料之间的摩擦力增大，影响材料流动性，使零件产生破裂，因此，通过单独对压边力进行变量试验，可以找出成形的最佳值。通过固定另外两因素的参数，改变压边力的参数，将其变化范围定在12000-30000n分析成进型结果，并绘制曲线图。试验条件如表52试验条件表 所示。表52试验条件表工艺条件数值摩擦系数0.10.10.10.10.1压边力12000n14000n16000n18000n20000n压延筋有有有有有摩擦系数0.10.10.10.10.1压边力22000n24000n26000n28000n30000n压延筋有有有有有压延筋对拉深成形厚度变化率的影响曲线图如图55 压延筋对拉深成形厚度变化率的影响曲线图所示。图55 压延筋对拉深成形厚度变化率的影响曲线图压边力参数以及零件变薄率变化具体数据如表 53 压边力以及零件变薄率变化范围 所示。表 53 压边力以及零件变薄率变化范围压边力/n1200014000160001800020000变薄率/%35%34%31%28%23%有无质量缺陷起皱起皱起皱无无压边力/n2200024000260002800030000变薄率/%25.5%26%28%30.5%35%有无质量缺陷无无破裂破裂破裂通过曲线图可以看出来，呈对称的趋势，说明将曲线的最低点做为加油盒拉深成形的最佳点比较准确，而且零件变薄率随着压边力的增大先降低后增大。当零件的变薄率在压边力为20000n的情况下最低，其最低点的数值为23%。而通过观察压边力以及零件变薄率变化范围表，可以看出来，当压边力大于26000n时，加油盒零件出现破裂情况，当压边力小于16000n时，加油盒零件出现起皱情况，而当压边力为18000-24000n之间时，加油盒零件安全无任何质量缺陷。综合变薄率和质量缺陷两个因素，可以推断出压边力为20000n是最佳的参数。5.3 摩擦系数对加油盒拉深成形的影响摩擦系数对于加油盒拉深成形也有着较大的影响，一方面，当摩擦系数过大的时候，由于压边力的作用下，使得坯料与压边圈接触的地方出现很大的摩擦力，从而使得材料流动受阻，容易造成零件破裂；另一方面，当摩擦系数过小的时候，由于压边力的作用下，产生的摩擦力比较小，容易引起起皱现象。因此，通过单独对摩擦系数进行变量试验，可以找出成形的最佳值。通过固定两因素的水平，将摩擦系数的参数值变化范围定于0.075-0.15之间，分析成形结果并绘制曲线图。试验条件如表54试验条件表 所示。表54试验条件表工艺条件数值摩擦系数0.0750.08750.10.11250.125压边力20000n20000n20000n20000n20000n压延筋有有有有有摩擦系数0.13750.15 压边力20000n20000n压延筋有有摩擦系数对拉深成形厚度变化率的影响曲线图如图56 摩擦系数对拉深成形厚度变化率的影响曲线图所示。图56 摩擦系数对拉深成形厚度变化率的影响曲线图摩擦系数参数以及零件变薄率变化具体数据如表55摩擦系数以及零件变薄率变化范围所示。表55摩擦系数以及零件变薄率变化范围摩擦系数/0.0750.08750.10.11250.125变薄率/%32.5%30.5%23%28%30%有无质量缺陷起皱无无无无摩擦系数/0.13750.15变薄率/%30.5%31.5%有无质量缺陷破裂破裂通过对曲线图的观察，可以看出曲线较光滑，也趋向于对称，因此摩擦系数选为曲线的最低点是比较准确的。从表中可以看出来，当摩擦系数0.075的时候，零件出现了起皱现象，当摩擦系数0.1375的时候，零件则出现了破裂的质量缺陷。在无质量缺陷的0.0875-0.125之中，摩擦系数为0.1的时候，其零件变薄率为最小，为23%，因此，综合变薄率和质量缺陷两个因素，可以推断出摩擦系数选0.1为最佳值。5.4 加油盒冲压成形模具设计通过第三章的拉深计算所得出的数据结合本章对加油盒两次拉深成形影响因素分析结果，表明之前所设定的参数确实可行，结合实际生产中的情况，在三维建模软件solidworks中，将模具绘制出来。模具参数如表56模具设计参数所示。表56模具设计参数参数数值拉深系数2次凹模圆角半径6mm凸模圆角半径5mm拉深模间隙1mm该模具为正装式带压边圈的简单拉深模，由于模具结构较大，模座采用正方形带四根导柱以确保上模能够准确定位，在凸模下行时，压力机通过模柄向上模座提供压边力，压边圈通过弹簧固定于凸模固定板上，在压边圈接触到板料时提供压边力，在凸模上行时，压边圈还能起到卸料的作用。模具总装图和部分重要零部件图如图57加油盒零件冲压模具、图511 模具凸模和图512 模具凹模所示。图57加油盒零件冲压模具总装配图图58加油盒零件冲压模具总装主视图 图59加油盒零件冲压模具总装左视图本模具总共零部件有13种，具体种类、材质以及选择标准如图510模具零部件明细图所示。图510模具零部件明细图图511 模具凸模图512 模具凹模以及主视图、左视图本模具所使用的模架为滑动导向四导柱模架，上模座和下模座分别标准为gb/t 2855.13-90和gb/t 2855.14-90，材料为ht200，标准为gb 9436-88。模具具体尺寸参数如后附工程图所示。5.5 本章小结通过本章分别单独对三个参数进行分析，得出了对加油盒拉深成形相对来说最合适的参数，并且通过曲线图给出三个参数的影响规律。最后一节通过结合第三章的理论计算和本章的参数影响分析，总结出合适的模具参数，基于solidworks绘制出模具，并得出工程图。得到规律、曲线图和模具之后，分析和设计阶段就到此结束了。6 结论与展望66.1 结论通过本次加油盒零件数值模拟试验，可以得出以下几个结论：（1） 加油盒零件需要至少两次以上拉深，才可以满足要求，为了能提高效率并且降低成本，使用两次拉深成形最好。（2） 工艺参数压边力对于加油盒零件成形影响最大，而压延筋和摩擦系数较弱。（3） 压边力和摩擦系数对变薄率的影响规律都是随着压边力和摩擦系数的增大，变薄率先降低再增大。其最佳参数为压边力20000n、摩擦系数0.1以及设置压延筋。6.2 展望本次研究试验就到此结束了，衷心地希望自己的研究结果能够对汽车加油盒的工业生产以及其他学者对板料成形的研究能够有所帮助。虽然此次研究试验做出了压延筋、压边力和摩擦系数对汽车加油盒零件的成形影响，但是影响汽车加油盒零件的工艺参数还有许多，因此，在此希望每一个有能力的学者都能尽自己的力量，好好地利