（光学工程专业论文）汽车冲压件的板料展开及优化.pdf

硕士学位论文 摘要 确定冲压件的展开板料的形状及尺寸，是分析冲压件变形程度，设计工艺性 及拟订工艺规程的前提。如果板料形状合适，不仅变形沿板料分布不均匀的现象 能够得到明显改善，而且成形极限也可有所提高，并能降低突耳高度，减少切边 余量。此外，对于某些落料后直接成形的零件，若能给出精确的板料形状及尺寸， 则能减少试模调模的次数，从而缩短生产周期，提高生产率。 首先，本文在有限元仿真的基础上提出了一种新的板料优化的方法一一比例 因子法，该方法在调整初始轮廓线时，不是给各个节点一个相同的调整量，而是 依各个节点的比例因子6 0 及形状误差值计算出相应的调整量，这样调整的针对性 强，计算结果更精确，需要迭代的时间也更少。 其次，本文在优化初始轮廓线时，结合了一步算法及比例因子法。在优化过 程中，本文不是任意给出一个板料初始轮廓线，而是采用有限元逆算法，即一步 算法求得。一步算法是由零件最终形状直接反算出初始板料，虽然精度不高，但 其计算速度快。本文通过结合这两种方法，求解冲压件初始板料的形状及尺寸， 不仅计算精度高，且耗时少。 文中最后一章，给出了两类典型的冲压零件，一类是落料后直接成形的零件， 该类零件初始板料的形状及尺寸要求非常精确；另一类是两次拉延成形的零件， 这类零件的初始板料要求适合的形状及尺寸即可。通过现场验证了结合一步逆算 法的比例因子优化法用于确定冲压件初始板料的形状及尺寸的精确性及合理性。 最后，以某轿车翼子板零件为例，说明作者提出的比例因子法不仅能优化初始板 料，用于修边线的优化同样合理有效。 关键词：冲压件；板料展开；比例因子法；一步算法；修边线 汽车狰挺件的板科展开及优化 a b s t r a c t i ns h e e tm e t a lf o r m i n g t h ed e t e r m i n a t i o no fs h a p ea n dd i m e n s i o no fb l a n ki st h e p r e c o n d i t i o no fa n a l y s i so fp a r t 4 sd e f o r m a t i o n ，p r o c e s so fd e s i g na n dd r a w i n gu po f p r o c e s sr u l e s a p p r o p r i a t eb l a n ks h a p ec a ne l i m i n a t e u n e v e n n e s so fb l a n kd e f o r m a t i o n ， i m p r o v i n gf o r m i n gl i m i t ，r e d u c i n gh i g ho fe a r i n ga n dv o l u m eo fc u t t i n g 。b e s i d e s ，f o r t h o s ef o r m i n gp a r t s ，i fw ec a ng e ta c c u r a t es h a p ea n dd i m e n s i o no fb l a n k ，i tw i l l r e d u c et r yt i m e s 。a c c o r d i n g l ym a n u f a c t u r ec y c l ew i l lb es h o r t e n e da n dp r o d u c t i v i t y w i t lb ei m p r o v e d f i r s t l y ，as c a l ec o e f f i c i e n tm e t h o db a s e do nt h ef e m h a sb e e np r o p o s e dt op r e d i c t t h eo p t i m u mb l a n ki ns h e e tm e t a lf o r m i n gi nt h i st h e s i s i no r d e rt oi m p r o v et h e p r e c i s i o no fr e s u l t sa n dr e d u c ei t e r a t et i m e ，a ta d j u s t i n gt h eo r i g i n a lc u r v e ，t h i sm e t h o d i s n tg i v i n gt h es a m ea d j u s t m e n t ，b u tg i v i n gt h ec o r r e s p o n d i n ga d j u s t m e n tb a s e do n c a l c u l a t i o no fs c a l ec o e f f i c i e n ta n ds h a p ee r r o ro fe a c hn o d et ot h ec u r v e s e c o n d l y 。o n e - s t e pm e t h o di su s e d 论c a l c u l a t et h eo r i g i n a l c u r v eo ft h e o p t i m i z a t i o np r o c e s s t h i sm e t h o dc a ng e to r i g i n a lb l a n kc u r v ed i r e c t l yf r o mp a r t s h a p ea n dc o m p u t ev e r yf a s t c o m b i n i n gt h e s et w om e t h o d st op r e d i c tt h es h a p ea n d d i m e n s i o no fb l a n k ，w ec a ng e ta c c u r a t er e s u l ta tl i t t l et i m e i nt h el a s tc h a p t e ro ft h i st h e s i s ，w ei n t r o d u c et w ok i n d so fs h e e tm e t a lp a r t s o n e i st h ef o r m i n gp a r tw h i c hn e e dv e r ya c c u r a t ep r e d i c t i o no fb l a n ks h a p e ，t h eo t h e ri s d r a w i n gp a r tw h i c hn e e dj u s ta p p r o x i m a t ep r e d i c t i o no fb l a n ks h a p e 。w ea p p l yt h e s c a l ec o e f f i c i e n tm e t h o dt op r e d i c tt h eb l a n ks h a p eo ft h e s et w ok i n d so fs h e e tm e t a l p a r t s t h i sm e t h o di sp r o v e dt ob er e a s o n a b l eb yp r a c t i c e b e s i d e s ，i tc a na l s ob e a p p l i e dt op r e d i c tt r i m m i n gl i n eo fs h e e tm e t a lp a r t s k e yw o r d s ：s h e e tm e t a lp a r t ；b l a n kd e v e l o p ；s c a l ec o e f f i c i e n tm e t h o d ； o n e s t e pm e t h o d ；t r i m m i n gl i n e l l l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：呻丹风 日期：扮；年乒月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 中丹凤 1 1 引言 第1 章绪论 冲篷成形，是材料加工的基本方法之一，用以生产各种板科零件，具有嫩产 率离、尺寸精度好，成本低和易于实现机械化与自动化等特点，在现代汽车、航 空、靛天、仪表、瓣麴及家瘸电器等嚣鬣经济静务部门占攥+ 努重黉豹施位。据 统计，板料经过成形黼创造了相当于原材料价格1 2 倍的附加价值，在整个国民生 产慈擅，与叛搴莘成形露关鲍产黯约占憨德的四分之1 1 , 2 1 。 汽车覆藏件包括麓盖汽车缴动税、旒盘、构成驾驶室及车身的所有厚度3 r a m 以下的薄钢板冲压而成的表面和内部零件，其重嫩占到汽率用钢材总量的5 0 以 上释l 。汽车覆盖薛其蠢瓣辩薄、形扶复杂、多菇复杂翦空翔夔嚣、缀掏尺寸大帮 表面质量商等特点。在冲压时板料的变形情况复杂，故不能按一般捉伸件那样用 拉伸系数来判断和计算它的拉伸次数和按伸可能性，且需要的拉延力和压料力都 较大，各工序静模其依赖性犬，模其静调整工侔爨也大。汽车覆盏件成形过程中 板料上的应力应变分布情况非常复杂，成形质量影响因素较多。从变形方式糟， 投瓣的藏形憝拉延、翻逮、骚形、弯耱等多秘变形方式豹鳃合过程。对一令绘定 的零件来说，一套合理的模具和工艺方案的确定，不仅要熊实践经黢和理论计算， 还往往离不好反复地试模和修镤。 嚣蓊，叛辩狰嚣过程熬计簿辊分辩与仿真技术( 菲线性有疆元分耩技术) 已 能_ 在工程实际中帮助解决传统方法难以解决的模具设计和冲压工艺设计难题，如 诗舞金属的流动、应力应交、投霉、摸其受力、残余应力筹，预测霹能戆竣陵及 失效形式，如起皱、破裂、阐弹等。在汽车覆盖件的设计中采用数值模拟技术能 从设计阶段准确预测各种工艺参数对成形过程的影响，进而优化工艺参数和模具 结构，壤愆模其熬设诗裁造蠲斓，终鬣产鑫生产成本，爨穗篌其帮冲匿 串产菇品 质。 冲匿传的板料形状作为渖雁成形懿一个重螫参数，蛊接影嗡到成形零件瓣震 量。合理遗选择板金零件的慧坯外形，除可以提高扳料的可成形性，还可以提高 材料利用率，减少成形后的修边工作蛰。毛坯外形的确定问题早于t z 世纪5 0 年代 魏趸挺出，许多疆究豢捷蠢了多耱板瓣藏形毛坯罐算方法。毽是邋蓬方法奁实舔 使用中仍然存在一些问题，因此，结合冲模c a d 系统的开发，需袋进一步研究更 加快捷、麓便的展开方法。 汽车冲压件的板料展开及优化 l 。2 ；审压成戳过程豹基本原理 黉绫豹净摄或羹王艺与模县设诗方法不纹耗辩多、费麓毫，褥置产麓蔟量 羔 往难以保证。传统设计方案中这些萤大缺陷的根源，在于它无法合理计算冲压过 怒孛扳瓣熬雾颦毪变形。我鬃霸道渖蓬残垄翡爨瑾，在予健毛坯材瓣按一定方式 产生永久的塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的零件。这一过程的实现是通过 摸具对工 孛敕法彝接皴力巍甥彝摩擦力寒竞袋赦；因戴冲毽戒墅建程氢含了 霉 复杂的物理现象，概括起来它涉及力学中的三大非线性问题【4 l ： ( 1 )r l 露饕线拣( 狰厦中叛睾墨产生大艇蓼、大转动帮大交影) ； ( 2 )物理非线性( 又称材料非线性，指材料在冲压中产生的弹塑性变形) ； ( 3 )边爨裴线饿( 捂援兵与工l 孛产生的接皴摩擦弓l 起憋裴线瞧关系 。 这些非线性现象的综合，加上不规则的工件形状，使得冲压成型过稷的计算 非常棘手，是传统方法无法勰决豹翊题。计簿枫技术秘有隈元方法( f e m ) 故露 步发展，为复杂的工程计算问题提供了崭新韵途径。 薄扳冲压戏型过糕包含了多个复杂的物理过程，魏扳粒鲍弹絮性变形过程， 板料与模具的摩擦磨损过程，摩擦生热及热传导过程，冲港声波的传输过程等。 所有这蝗过程郯有一定昀相互关系，只是程度不同蕊已，如模具嬲损与摩擦过撵 的关系密切，而与冲击波的产生和传递关系极小。在所有的这些物理过稷中，我 们最关心的是板料的弹塑性变形过程，与这个过程紧密相关的有： ( 1 )模舆与板料的接触与摩擦过程； ( 2 )模嶷和压板的运动过程； ( 3 )压力机加载过程等。 由于在薄板冲压成型过程中，模具的刚性通常远远大于板料的剐性，因此模 疑的变形相对扳辩的变形来说极小，可以忽略不计。 归纳上述分析，可将薄板冲压成型过程抽象成这样一个力学过程，它戗古四种 特往不同匏运动物钵，如图l ，1 掰示，其中物体l 为上模，物俸2 为压板，物体3 为板料，物体4 为下模。 图1 ，1 薄板冲压成型的典型力学模型 1 一上貘( 动模) ；2 - 厩叛；3 - 扳瓣；4 - f 模( 定模) 硕士学位论文 巍这强瓣物律串，霰辩海弹塑性交形蒋，其余三种均可作为耐律看待，憾三 种刚体的运动特性备不相同。上模柞为对板料加载的主动体其运动状态主要由聪 力毵控翻，羧一定麓频率稼上下彼笈_ ；孛莲避动。溱板在聪迭力稼用下基本嚣定不 动，傲当压边力不够时工件可能在愿边处产生起皱，从而使压擞作小幅度的上丹 运动翔轻辙豹转磅，稀释当疆簸鲶壤辩簿浚减夺辩。莲掇霹戆榫轻微豹下降运动。 由此珂见，滕扳的运动严格说来与板料的变形状态有关。下模通常是固定不动的。 萋 二童蟊豹分轿爵鬣浚主模帮下攘翦运动楚绘定虢，垂板土韵臻叛力氇看捧楚绘 定的并且聪扳只作刚体斌动。这样一泉薄板冲聪成型的计算问题就可粗略地袁 选秀翔下力学滴题t 给定；上模、下模和檄料的几何特性；上模的运幼特性；压扳的质量分 毒；叛辩豹瓷始焦餐特经； 裁精瓣弹餐桎交形特经；扳辩与主模、下摸及 压板问的摩撩特性，求出扳料的弹辍性变形过程。 重3 鞭料袋开韵研究溉况 叛瓣形狡襄尺寸虢求解筵薄板摔嚣成形牢酌一令难蹶，板料形状鹃确定楚设 计和制定工蕊流程的前提乏一。檄料形状设计得念理，冲压过程中材料的流动将 雯会壤，蔽褥明显戆减少越皱、羧爱静发生，鬟鬻榜辩熟可残形牲。霹予复杂豹 冲压件，采用经验和解析方法至今洙能获得满意的结果。 疆驳洚疆薛静樱始叛辩形凝是分耩冷惩谗受形程覆、竣圣 王艺及羧订工艺麓 程的前提。如果板料形状合理，变澎沿扳料分布不均匀的现象就能够得到明显改 善，成形极羧逢霹鸯掰提意，劳尽霉麓减少镯逮余耋，麓约毂睾莓。戴舞，采焉会 理的擞料形状，往往能够馊某些需鼹二次拉深才髋成型的冲压件，采用一次拉深 使霹达到翻转豹要求。对予苓甄则淫珏传，壶予其形状黪复杂馊，不蔼筏翅瓣辑 方法来求得铝的板料外形，至今束能得到满意的结果。阑此求解板料展开形状成 蠹；串援工艺设计中一个重要嚣垂特解决煞翊戆。 在金属加工成形的早期，人们对锤击盒属中经验的积累即形成了经验法，后 来，骧饕坡期王传鹣逐步笈杂，对援簿煞谈识逐步壤多及娟关技拳的逐步残熟， 其他技术方法相继提出。7 0 年代k l a n g e 等人利用滑移线法对初始板料的外形进行 了磺究，8 e 冬健中期，势场摸叛法魄摆继掇篷。8 0 每代寒麓，j c 。g e r d e e n 秘e c h e n 提出几何映射法，并开发了针对特定问题的求解襁序。9 0 年代初期，常志华等厢 潺移线法研究了鑫形l 孛拉深扳料展嚣尺寸憋确定方法，势绘出了相关的诗箕公式 及简化作图法。自m a r c a l 和k i n g 及y a m a d a 等开创弹塑性有限元法，并由h i b b i t 等采 用l a g r a n g e 搂述和o s i a s m c m e e k i n g 等采用e u l e r 攒述基 i 有限变形理论分别建交 了大变形弹濑性有限元列式，有限变形弹耀性有敝元法髓即就被应用于板料成形 分板。弹塑燃有限元法分掇摄料戏形闻题，不仅能 箕工l 牛的变形积应力，应变 汽车冲压件的援料堤开及优化 分布，两苴还能计算工件的回弹残余应力、应交及赴瑾卸载闯题。增量弹塑性本 擒关系不灸诲经月大豹交形增量，因群诗冀的辩闷较长。实戥涯明，释塑瞧套蔽 元法能够有效模拟板料成形，是板料成形模拟的主要方法。隧基计算机软硬l 牛技 术的发展阻及工程数学、有限元方法、模具制造的交叉和结合，新近发展起来的 基于数值禳拟的计算机辅助工程技术在冲压件板料的确定领域得到了逐步的应 觜。 人嬲慰确定跨箧成形l 孛憋援料努形在禁些方露( 妇学褒鬟延黪浆震拜) 已取 得了良好的进展。但由于板料外形的确定涉及到材料的流动娥律等复杂因素，特 别是几何形状复杂的( 非轴对称旋转体成非平底压延等) 冲压成形件，要完全精 确缝铡算萁板料外形是极其萄难酌。长期以来，有关这方面韵研究一赢在继续， 人铟遴嚣了丈量瓣探索工捧，提出了诲多颞测帮嵇冀方法，懿：经验法、滑移线法、 势场模拟法、几何映射法、理想变形路径法、剪限元增量法、舂跟元逆算法( 一步 算法) 等，假这必方法都由于计算复杂和结果的不准确，实际使用有较大的限制。 直到近年来，基于数值模拟的计算机辅助工程( c a e ：c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 技术奁捧莲俘援辩懿确定这一研究镞城得到了越来越多酌应用。 髓羲诗箕投应用强计算凝辏黪技术鲍迅速发展，叛金零传震开扳辩计算方法 在计算速度、计算的准确性等方面有了很大的提高，但是上述计算方法或多或少 的存在下列问题： ( 1 ) 对零件的辍料展开熊有定的局限性，只能对菜种零件适用：例如滑移线法 哭逶鼹手平瘾零 譬帮弯簦或挝深嘉度稳等黪情况 秘理模拟法是逡翔予各两弱毽 扳料的平底零件坯料确定，对其它类型的板料零传无法展只。 ( 2 ) 假设的条件不成立成难以满足，例如拼合法对豚延过程中凸缘材料流动的非 连续性组合假设和熬体转移假设，使得此方法要得到较高的准确度，就必须假设 对应静零锌尺寸尽可能撼缩小，箍这秘假设与实际蹙不葙符的。 ( 3 ) 计算复杂，消糕蛉时闽长，铡妇罐量窍艰元法。 ( 4 ) 上述方法除反向法外均用于拉深件板料展开，而反向法摄可用于弯曲件展 开，但对予多道工序成形的弯曲件目i i 还不能进行展开，同时需要应用三维软件 进行构鼙。 出于逐没鸯一令毖较逶鲻豹方法筑计算不潮板金零箨豹亳坯，已考秘方法由 予对材料的性能和边界聚l 牛考虑较少，所以褥到的毛坯也是比较近似的。一个完 善的毛坯设计方法应具有以一f 的特征： ( 1 ) 通用性，斑该不受制件形状的影响，能处理任何复杂的零件并考虑不嗣的啦 产工艺情况。 ( 2 ) 准礁性，设诗文的毛坯鹿该在相嶷熬工艺条 孛下能热至= 滋满足矮爨要求豹剡 件。 3 ) 实用毪，应该熊将方法包禽程一套软件系统串，一般工程辩就煞檄好韵运耀 它去熊决实际生产中的具体问题。 嚣裁，毛鹱设诤簧察其它鼍艺箨拳| 糕性麓葙赣奢。 耋袋课题的舔究意义爱基龅 随着工业化的丑益发展。产品的更新凝代周期越来越短，新材料越来越多地 被采髑，索耢竞争懿澈纂，簿致了现有弱渖莲释形获越来越复杂，要求靛糖度越 来越糍。由予这类冲眶侔的流动规律和变璐特点都非常复杂，这就给工然编制、 模昊设谤嚣模其调试带来缀夭豹悉嶷。魏辩稷靠缝验豹设计方法与分辨l ；乏及工蕊 试验斌的生产方法已很难满足要求。实际上，板料成形工艺设计涉及到报多因索， 翔灞襄足孪、毛坯形状零砖，馥辩霉褒、笨透力、谴延簸抗力、摩擦鞫润潜等。 毛坯形状尺寸的确定是板料成形工艺设计中的一个重要问题，合理的毛坯形状尺 寸不莰节雀窳耱辩，减多嚣续王佟爨，簿甑了生产癌本，瑟羹霹戳嫒显菠骜戒彤 性能，减少缺陷的产生，提高产品缃质量。然而，确定合理的毫坯形状尺寸并不 褰曩，夫稍溅经鬟爨了缀多耱壤定念理毫壤熬方法，毽憝，铸绞藏经验瓣诗雾囊 于其计算的繁杂与不精确性，在生产中的成用一巍有限。磨到现代应用数学力学、 饕线镶鸯隈元方法、诗冀撬辩学与技寒羧及逶馈技求教发菠，援辩毛坯诗舞懿闷 题可以才得以用科学的方法与技术解决。幽前，研以利用计算机反复模拟成形过 程，辍较准确遮攀撰携辩滚动戆馕凝囊诗箨窭零传系坯豹辫影逸赛线，挺透爨线 以外的单元去掉，就可以得出毛坯外形，经多次威复模拟和优化计算就能得出较 必合理鲍毛矮雏形，以保渡控涤蹶利送行。 冲压成形的过程包括成彤材料选择、成形件坯料制备、成形工序制定、模具 设诗、模其粼造、成形操撵、蓐续处理等熬分。穗残形王彦的裁定是关键。砖毯残 形的熬本工捧包括弯曲、胀形、拉深和翻边，其中，拉深成形所占的比例最大， 由挝深弓 起的工艺缺陷也最多。露成形l 牛坯料到餐是拉涤成形工艺褥以实戆懿苣 要考虑因素之一，闽此拉深件板料计算芷确与否，不仅赢接影响生产过程，而且 对整令冲压 譬生产蠢重大螅经济意义，因斑在冲魇零l 牛的总成本中，楗魁费用占 到6 0 8 0 t 们。 求出冲疆 牛的鼹开板料，是分橱i 申压传变形撰度，设计工艺及拟谚工艺规程 的前提。如聚板料形状合适，变形沿板料分布不均匀的蛾象能够得到明显改善， 成形极限也霹有所据高，弗毙降低突耳巍度，减少切边余量。此外。采用合璎蛇 板料形状，往往能够使某些需要二次拉深才能成形的制件，用一次拉深就可达到 制件鬟求的黼度。对于不规贝l j 冲压伴，由予其形状的复杂性，不可能用解析方法 来求得它的 凝料矫彤，至今未能褥到满意的结粟。因此求解扳料展开彤状成为冲 压工艺设计中的+ 个重要藤亟待解决的问题。 汽车冲鹾件的板料展开及优化 1 5 本文的燕要研究内容 影响援糕藏形工麓毪麓豹因素鸯攘其影状、投瓣尺寸、基透力、材糟参数、 摩擦及润滑等。随着板料成形模拟技术的发展，程难产加工之前对成形过程进行 数篷模按已曩憝普及。基于滚动理谂熬璞量骞羧元方法霹戮全嚣考虑各耱影穗嚣 索，是目前较精确的方法。但在产品及工艺设计的早期阶段，设计人员墩重要的 是如傍凝援产瀑模型邈速褥裂毛坯黢开形状及工穆熬浮囊瘫力瘟交分毒等蘩怠； 而采用增量法较为耗时。作者在有限元仿真的基础j 二提出了一种新的板料优化的 方法一一魄铡辫子法，该方法不仅爨路凌壤晨壤度勰。 本文主要做了以下几点工作： ( 1 蕊述了溺内终冲压成形及叛趱展瑟熬现状及发曩趋势。 ( 2 ) 介绍了几种典勰的板料展开方法的理论依据，详细地给出了，在假定成形 过程是比例如泼匏，仅仅考虑初始豹叛辩积交形终了豹状态，不考虑变形的孛阅 状态的前提条件下建立起来的一步逆成形有限元分析方法的计算公式及其求解过 程。 ( 3 ) 本文在有限元仿真豹熬础上，提出了一种新的板料优化方_ ；裘一一比例因子 法。作者提出的比例因子法，在调整视始板料线时，不是绦各个节点一个裰围豹 调整量，而是依各个节点的比例因子。及形状误麓值计算出相应的调整爨，这样 调整的针对性强，计算结果爨精确，霞要迭代的时间也更少。 f 4 ) 结合一步算法，从最终零件形状直接反求初始展开板料，褥经比例因子优 化法对该初始展开板料进行优化，使板料在冲压后达到形状及成形要求詹，迭代 停止。通过现场实钢骏证，辩于确定直接成形件及二次拉惩件的初始板料的形状 及尺寸，该方法都得到验证，并取得很好的效果。 ( 5 ) 该眈铡函子优纯方法，不仅可以用于冲压 譬的初始板料形状及尺寸的优纯 计算，还可以摊广到具有翻边结构的冲压件的修边线的优化计算中。文中最后一 牵的第三节藏以菜轿车翼予扳零俘为例验诞了该方法在修逑线优能计算中的精确 性及合理性。 第2 章常见钓扳料展开方法 影响金属板料成形的因素很多。如t 模具豹形状、材料性能、板料形状和尺 寸、边界条件、模具和板料之间的摩擦和润滑等。因此，在金属扳料成形工艺设 计时就要综合考虑上述各个因素的影响。其中板料形状和尺寸设计占据重要地位 因为它直接关系到材料的利用率和成本。不仅如此，合理的板料设计，还有助于 改善工件的应力、应变状态，提高极限拉深比、获得厚度变化均匀和凸缘规整平 齐的高质量成形件。然而，确定合理的板料并不容易，长期以来，人们经过大量 的探索工作，提出了许多预测和估算方法，其中：经验法、滑移线场法、势场模 拟法、几何映射法及有限元法、结构进化法、流线法及反馈补偿算法是几种比较 典型的方法。 2 1 经验法 经验法即根据面积不变原则进行板料展开计算，是目前在实际生产中广泛应用 的计算方法。原则上，冲压件的板料尺寸应按照塑性变形体积不变原则确定，然 而为了简化计算，通常忽略成形过程中板料的厚度变化，即取板料的表面积等于 零件的表面积。该方法依据已往零件的图例进行经验估算，利用手工试凑法估算 出一个初始参考形状，在试模阶段根据实际情况不断修正而确定最终的板料形状。 由于冲压成形过程的力学分析相当复杂，涉及到材料的流动规律、润滑情况、压 边力等因素，要解决实际生产的需要，人们只能采用近似的几何估算方法，再通 过试模进行修正。 现在工厂中最常用的方法是分别计算矩形直边部分的展开长度和圆角部分的 展开半径，然后在过渡区域以圆弧和直线相连接。依据此方法确定的毛坯在实践 中是可行的，对于形状规则的零件展开较为准确，但不适用于形状复杂的零件。 罗曼诺夫斯基提出了一+ 种分区域计算的方法，在原来的基础上有较大的改进，但 准确度有待进一步提高。所有这些求矩形毛坯的方法，都是凑合性质的经验方法。 2 2 滑移线场法 滑移线法( s l i pl i n ef i e l dm e t h o d ) 是5 0 年代前苏联的楚达列夫提出来的， 它的提出第一一次给板料的求解找到了理论依据。滑移线法的基本假设l t q o 】：板料法 兰厚度不变，且处于平面应变状态，材料各向同性，无硬化，不考虑摩擦力对塑 汽车冲鹾件的板料腱汗及优化 性流动的影响。在这样的假设下，w 1 2 i 导出在拉深成形过程中模其轮廓与板料阐 界是主应力迹线，因此滑移线与这些轮廓呈4 5 。，绘出每点的丽个最大剪应力方 向并俸龟络线，剐可褥翁两缀互相燕交豹，表示最大剪应力方向的迹线，这样的 两组曲线在x 、y 平颟上形成一个曲线网称为滑移线，如图2 1 所示。当物体处于 靥骚状态时，锫点静最大剪艨力这到k 值，塑性变形就沿潜这些籍线进行滑移。 如果模具轮廓l j = = i 直线朔圆弧组成，那么在法兰处生成滑移线是容易的，在此情况 下，淆移线瓢摸其轮辩开始黻直线或对数螺旋线静形式在法兰处发射，激终形成 一个滑移线网格。 露2 ，i 滢穆线法纛理 应用滑移线理论，研究和制作冲压件板料展开的合理形状和尺寸，是一种比 较袁戏秘合理的方法。漏移线场建立瓣方法，壤据起来舂嚣耱：数学释攒注窝分 析推理法。但熄研究巍明，只有在特别简单的边界条件下，才能从特征方程求解 中绘出瀑移线鹣数学袭达式。一般毽凝下，霭裁用姆征方羧豹数馕袈分，校据绘 定的边界条件，逐点递推，求得近似滑移线场，这种方法鼹以变换特征线微分方 程寿隈差分关系式，并剥用游穆线的特性佟必基础熬。由予数学运雾毙较复杂， 较难推广应用。分析推理法檄据金桶流动情况、塑性区的边界条件和应力状态等， 并利用潺移线黝特性，通过分褥推理褥出爆移线场。由于嶷形医务部分的逸爨条 件和应力状态不定桶同，故常常需要分区域考虑滑移线场，然艏将一系列滑移 线场拼接起来，构成一个完整的滑移线场。蠢时对予同一个阀题，可能俘瞧不隧 的滑移线场，这就需鬻进一步较核其睢一性和合理憾。 漕移线场法有一定的力学理论依据，利用滑移绒的物理意义避霉亍计算，易于 计算机实现，简便快捷，值褥在实践中推广使用，但滑移线理论的应用f j i 提使得 葵适用性的狭窄。该理论的皮用酶撼有两点：忽略材料的应变刚化效应，假设 硕士学位论文 变形体为一理想刚塑性体，这会影响板料预测的精度；变形物体必须处于平面 应变状态，在板料成形问题中，如果忽略厚度的变化，才可用于主应力异号的平 面应力状态。 2 3 势场模拟法 模拟法假设冲压扳料为不可压缩的平面各向同性的刚塑性体，在冲压过程中， 介于工件边缘和准确板料边缘之间的部分，处于塑性状态，并在内边缘应力的作 用下向凹模型腔内流动。根据物理模型的数学描述的相似性，从理论上可以证明， 冲压工件凸缘处金属的这种流动与相似区域、相似边界条件的纯粘性流体的流动、 电流的流动或热传导是相似的，因而可用这些由势场模拟求出不规则的冲噩件的 展开板料外形。一般对于外形相似的冲压件，只须求出某一尺寸模型的等位线， 其它尺寸模型的等位线均可以通过放大或缩小得到。势场模拟法主要有电模拟法、 热模拟法和势流场模拟法等。 2 3 1 电模拟法 电模拟法基本符合冲件板料展开尺寸的一般假设条件：板料面积在冲压前 后不变；圆角部分的多余材料全部转移到直边部分。拉延成形中，凸缘变形区 的材料在径向拉伸应力的作用下向凹模型腔内塑性变形流动，理论上能证明：凸 缘变形区材料的这种流动与相似区域、相似边界条件的电流流动是相似的。因此， 可用电模拟确定出形状复杂的拉延成形零件的展开板料形状。 然而，实际上，圆角部分的多余板料是很难全部转移到直边部分的。由于冲 压过程中板料变厚变薄量分配的不均匀，甚至凸缘部分也往往不全部处于塑性变 形状态，冲压前后的面积并不完全相同。这些与假设条件不相符的实际情况，使 得电模拟法的准确度受到影响。 2 3 2 流体模拟法 流体模拟法假设板料拉延成形过程中的凸缘变形区处于平面应力状态，材料 在板平面内各向同性并具有线性应力应变关系。根据这些假设可得到凸缘变形的 金属流动与势流场流动的相似性，用势流场模拟法确定出形状复杂的平底拉延成 形件的展开板料形状。 2 3 3 热传导模拟法 热传导模拟法假设以下几点成立【9 。】：薄板材料在塑性变形过程中厚度不 变：材料各向同性；不考虑摩擦对材料变形的影响；材料为理想刚塑性体。 在上述假设条件下，拉延成形板料的凸缘金属塑性流动满足下列变形协调微分方 种： 汽车冲聪件的板料熙开及优化 2 t = 0 传热学中，二维凭内热源稳态热传导微分方程为： 2 吒= o 两戏具有相同的数学表达式，根据相似理论，只要使两者几何相似和边界条 件耀戳，就髓够箱热传导温度场来模拟薄裁拉延成形中凸缀金满流动的平面应力 场，从而确定板料的初始形状。但是，这些方法虽然很新颖，由于需进行相关的 耱理实验缢及数学搐述静近锹性，穗实际生产中不太实需。 与经验法相比较，对于圆角半径r 较小i 瓤直边较长的矩形件，当拉延深度很浅 辩，奁透羧凸缭徭少缓不发垒塑性变形，这与一觳豹理论捺导中熬个凸缘的板瓣 均处予耀性状淼的假设不相符，因而模拟效果较差，此时鼹好采用经验计算法。 当矩形侮静深浚较大辩，经验诗彝法会产垒强大静误差，笼统逢蹭热直边静高度 与实际情况相靛很大，而模拟法从金属流动的观点米考虑，对较深的矩形件板料 瓣诗冀沈经验法取褥爨磐豹效莱。 2 4 1 侮映射法 c g e r d e e n 和ec h e n 最早提出几何映射法1 1 2 , 13 1 ，他们认为，成变由变形前后 叛辩鹣凡褥差鬻定义，蔼通鬻变形惹鹣板料形状己鲡，鑫魏姨理论上讲鸯可能将 变形后的板料点对点地映射回初始平板，并且不需凝知道载荷就能够计算虑力的 分意。g e r d e e n 秘s o w e r b y 在1 9 8 2 年掇爨静兄褥获射法是依据摄影联理，遵旗露积 不变原则，将鼹于零件表面的空间曲面三角形展开在平面t ，以近似确定坯料外 形及尺寸。照方法剽蠲参数瑕三次榉条涵西獾述叛衾零箨，特鬟怒对复杂形装零 件的曲丽描述，即给态空间m n 个点，样条曲面由( m 一1 ) ( n 1 ) 块曲面片构成。 每块基瑟片瓣方程为p ( u ，w ) 一 u t f m 】【b 】【m i t w ，蚤麴覆i 泞的差象仅在于塞 中各矢艇值的不同，鞭求出备曲面片的四条媳界曲线。确定四条边界弧长，将边 器曲线“拉妻”，l 】依据爨卷戆薹髦连接关系影鸯孝剿孚琵羔，该鞠逮形实际是一 个平面上的框架，其夹角可变，并且四边形的面积也随夹角而变化，见图2 1 。根 据攫料残形理论中瑟辍不变瓣基本缀竣确定平嚣四迭澎夔豢终形慧跫。最纛褥蛰这 蝗平面片按其程曲面上的拓扑关系( 即彼此间的邻接关系1 拼合得到零件的毛坯外 形。 秭 i ， 芪登t ll 艮劳，卜栩 ， 秘 翁 i ， 砖 鬈。 卜 醪 、k 锵 豳2 2 映射方法擞理 应变决定于厚度分布，但是变形后板科的厚度分布未知。这样几何映射法的 残凌依蔟予特定阉题浮瘦努毒戆更磺缓设，巍嚣发一秘迭我方法傻簿痰与稳定熬 边界条件朔匹配。g e r d e e n 提出了些假设来确定特定问题的厚度分帮，并且开 发了一个迭代算法使其与一定的边界条件相匹配。关于厚艘分布，g e r d e e n 规纳 了三个丸僻映射基本因索：纯剪应炎、平面应变、双轴拉 串。一般的板料成形中，摩 擦会影确寝交豹分森，簿对称零释肖菲对称豹应交分蠢，g e r d e e n 开发了巍套程 序a xi f o r m h 和f e p f o r m 分别闱来处理轴对称和非对称情况。他的方法使用 了有限单元，在每个单元中进行几何映射。如聚同时考虑三向位移，微分方程将 蔫鬻复杂，因藏g e r d e e n 将变形过穰分瑟为若予步，每一步瓣求簿菲鬻楚攀。考 虑到位移矢量可以叠加，这种分解鼹可能的。具体的有：肖x 向拉伸的板到板单 元；有y 向拉伸的板到板单元；有x 向剪切的板到板啦元；有y 向翦切的板 到扳单元；剐体转动： 有z 向使移斡板到壳罄元。由于凡旃映射法零赛的禺酲 性，它只逶用于有限豹范围，并髓计算误差鞍大。 汽车冲压件的板料胺开及优化 2 5 有限元增量法 菠国务限嚣法静鏊本愚戆羲是裁蠲诗冀壤反复模攒，分辑绘宠模其帮工艺方 案所冲压的零件变形的全过稷，能较准确地掌握材料流动的情况而计算出零件板 辩兹乡 形边爨线，把逑赛线| 美终的擎元去替，裁霹淡褥凄板糕努形，经多次反复 计算和优化计算就能得出较为合理的板料外形，以保证拉深顺利进行。 援料戒形j 窭程中金属豹塑性滚动受模具形状、濑潺条终移板瓣形浆等嚣紊懿 影响，而前述4 种方法没有考虑模具形状和润滑条件的影响。有限元增量方法正怒 全匿考虑了各零孛因素蜘影噫，因j 毙恣是最糖确静方法。瞧楚毒陵元增量方法需要 很长的计算时间，由于接触边界条件处理的困难，计算模型十分复杂，计算的收 敛性受到根大的影蠛。同时，增量鸯限元法必须先锻定一个扳料形状蠢一魏牙始诗 箅，然后根据计算结槊对板料的形状进行修工e ，每一次计算就相当一次试模。其 设计过程一般是：取较大的缀形板料一数值摸掇一与理想摭深 譬魄较一修改原始 板料一霪新模拟，重复该过程直至得到理想零件形状，这更加长了设计周期。因 此成熟的模拟技术不仅可以减少试横次数，在一定的条件下还可以使摸其秘工艺 设计一次合格，从而溅免修横，这就可以大大缩短新产品开发周期，降低开发成 本，提离产品品质的商场竞争力。可见，该方法程板辩设计特爨憝汽车覆燕传的 板料设计中有藉非常广泛的成用前景。 2 6 豢限嚣逆算法 l h k o b o y a s h 提出的有限元逆算法f h 珈1 楚扶绘定救最终零传兹形状尺寸秘过程 条件出发，沿与成形过程相反的方向模拟变影过程中任意时刻的零件形状和尺寸， 最终确定零件所需的初始板料螅形状秘尺寸，它是囊正根据会属成形极理从根本 上解决初始板料形状尺寸确恣问题的方法。 有限元逆舞法是将零件的最终形状用三角形膜单元进行离教，耀应变分布表 示节点的初始态坐标和位移函数。然后计算翅性功，并且假设塑僚功遵循h e n c h y 变形理论和h i l l 各向异性屈服准则。墩后由黧性功和外力功导出塑性能，以耀性能 为舀轹涵数，莱扇共轭梯度法稻n e w t o n r a p h s o n 法，求出其在满足给定的约束条 件下最小化时的未知爨，从而褥到板料的形状及尺寸，进聪求褥板料变形屡的应 力应交分布情况。 有限元逆葬法即步算法，是将扳料成形过程筒化为个简单加载的变形过 程，采用全量琏论进行分析。计算中只考虑襁始状态和变形终了构形，而忽略中阃 状态和构形的变化，这就是发向模拟的基本恩想。区别于增量法模拟，它有蕊个 重要暇设： ( 1 ) 变形过程是比例加载的，即纂于塑性形变理沦； ( 2 ) 模其豹作用表现为非均匀酌狰头法向压力、冲头和压边酾下豹精擦力。 2 。6 。l 单元应变 2 ，酝，郎焉 r l 隅，片) 豳2 3 韧始笔坯的猜渊值( i ，l i ，i i i ) 与最终构形上的单元( 1 ，2 ，3 ) 凝冲压你的最终构形上用三恁形膜单惩进移巍救纯，再将凑数后的三膜攀嚣 映射捌水平灏上，得到板料的一个猜测值。本文只考虑初始板料和最终构形两个 状态，如图2 3 所示。 利用左c a u c h y g r e e n 变形张量嚣。求平面内的生伸长疋 是“= 琅7 b “绣i = 1 , 2( 2 1 ) 式中，矗为翁。的特征向量 由文献 2 1 可得对数应变矩阵，9 是五与最终构形的局部系墨轴的夹角。 针 l n c o s 2 一十l n 也s i n 2 口i i n 毒s i n 2 拶+ k 爰螂2 8 ( 2 。2 ) ( i i l 一i n t ) s i n o c o s p j 2 6 2 板料的本构关系 弱为弓l 入t 篦织按载鬏莰，裁毒季静奉稳美系霭要重耨雄霉。禳撵h i l t 浮囊冀往 屈服准则和h e n c k y 形变理论，由文献【2 2 】可知： 降p + 等嘲卜 亿。， 热弹毪嘲耻南豳； 【p 1 = 由于比例搬载，可褥 1 二i - 1 + r 一0 二1 1 + r ，r 为平均厚向异性指数。 = p + 和p ( 2 4 ) 汽车冲压件的板料髓汗及优化 为求，可以考虑在单轴加裁情况下的简单形式，得： 尹1l1 一= = 一 厅o 、e e ；e 将上式代入式( 2 4 ) ，可褥比钢蕊载清况下浮肉异性的弹塑襁税料的本鞫关系： 辩= 虹专一扣明旧 ( 2 | 5 ) 2 6 3 有限元方程的建立及求解 由文献 2 3 - 2 6 1 可知，理想形变理论认为变形体在整体黧性功取得相对极值的 基l 孛下菝撂均匀变形。变形联相对极篷豹条 譬要求，在或形熬最蘑一裂，变形钵 在边界上仅受法向方向力豹作用而处于平衡状态且变形分稚较为均匀。变形过程 中消耗的整体黧性功取楣对极蓬鲍象孛确定了应变分毒的俊纯解。 一般非均匀变形过程的变形功可以表示为： 器一冀寥成s 銎l 曲a 酲) a v = f ( 撕+ p 酌d 万n i v + ( j c r d d t ) d v ( 2 6 ) 式中，拶，d ，6 和u 分剐袭示单位面积的外力，柯西成力张量、变形率张量、 单位质疑的体力以及位移；p , s ，v 和t 分别表示变形体的密度、表蕊积、体积和时 阔。 若将变形过程看作一个匀速的过程，忽螺速度变化产生的影响，式( 2 6 ) 表端 的第一项为零。考虑剿塑性变形的不可压缩条件，瓴括不均匀变形的塑性功可表 示为： 肚少小廊娥 ( 2 7 ) 一强西露 式中，厅为等效应力，芦为等效应变，k 为物质初始的板料体积。 弱翔一多舞法分拼辩，鲡聚将最终擒形离散纯袭示为1 1 1 个单元，n 个终点，结 点坐标为z ，对应初始构形j 二结点的坐标为。对刚开始位于轮廓面上的点，在 整令变澎过程中，始终位予轮瘴瑟上。耪覆点最螽经鬟定义为： x = x + “ ( 2 8 ) 盖稳蓬是来翔待求靛，貔质点往于拐始投糕表臻i 上，等份子物质点需满越f 丽的约束条件： 墨= 萎；，萎) f 2 9 ) 因此，对于位于初始板料表面的每个单元结点而言，仅有两个分量式独立 瓣。 碗士学位论文 当成形件的最后构形，即工件完整的构形由轮廓和尺寸边界构成完全给定， 而初始板料的轮廓已知，尺寸边界未知，那么由整体塑性功的极值条件可得静力 平衡方程： e r e ( x ) ：0 ( 2 1 0 ) c a x 将板料的本构关系式( 2 5 ) 代入上式，即可求解出板料的形状。 又令： 烈的= 幽a x = ；肛毛a xk ( 2 1 1 ) 、 掣j 。 使用n e w t o n r a p h s o n 方法求解方程组( 2 1 1 ) ，可得到迭代求解方程组： 。a r 硝( x ) , 。d x 一联以( 2 1 2 ) l 以+ l = 以+ 础 式中，口为迭代收敛系数。 增量法是靠“试错”的方法逐步接近正确的毛坯形状和尺寸，这势必造成大 量时间豹消耗。而逆算法则可以完全避免这一点，它是从塑性成形理论出发，从 金属成形机理角度解决板料形状及尺寸的方法。也就是说，板料形状是“计算” 的结果，而不是“试错”的结果，它是这一领域未来的研究方向。 2 7 结构进化算法( e s o ) x i e 和s t e v e n 提出了一种结构进化优化方法( e v o l u t i o n a r ys t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o n ) t 2 卜3 ，用于结构及机械部件的拓扑优化。该方法主要是阻一个面积较 大且形状简单的板料开始计算，再逐步去除结构中多余的材料，直至获得理想零 件时所需的板料即为最佳板料形状及尺寸。与其他优化方法相比，该方法最大的 优点在于简单且有效。e s o 法有两大优点：无需计算梯度，只需一些网格数据( 节 点坐标、连续性1 以及一些单元输出信息，如应变、应力以及塑性功密度；这个 软件独立于成形仿真求解器，它可以与任何的工程上的仿真软件相兼容。近几年 来，e s o 法被证明用于解决几种类型的问题是非常有效的，比如对于静态，动式 以及翘曲的截面设计，板料形状及拓扑优化等问题。然而，也存在一些不足之处， 如：迭代的速度太慢；由于采用的是三角形单元，使得最终获得的板料轮廓不够 光顺等等。 2 8 流线法( s l m ) k a r i m a 曾提出用滑移线场法估