（材料加工工程专业论文）照相机前盖板工艺方案优化及模具设计.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 照相机外形的美观性、流线型、轻量化、微型化等的综合性高品质要求已经成 为产品占领市场一个重要方面。照相机前盖板是照相机外壳的重要组成部分，要求 零件表面平整光滑，无翘曲、皱折、裂纹等缺陷，周口部高度差不可过大，以保证 与后盖及机身的严密配合。实际上零件的曲面较为复杂，在整个表面有很多孔形分 布，尺寸及位置精度很高。零件的这些特点就决定了其成形过程的复杂性和工艺方 案的多样性。 依靠传统的设计方法，对于处理这类复杂问题已经显得无能为力。随着金属塑 性成形技术的发展，计算机模拟技术已成为改造传统的塑性成形工艺、提高模具设 计能力的有力工具和关键技术。数值模拟技术可以预先了解金属在成形过程时的流 动情况，预测缺陷产生的临界条件，优化工艺方案及工艺参数，可以降低或消除缺 陷出现的可能性，达到保证产品质量、缩短产品开发周期的目的。 本文采用有限元数值模拟仿真软件d y n a f o r m ，根据弹塑性有限元的基本理论及 处理方法，采用数值模拟和经验设计相结合的方法，对照相机前盖板成形工艺进行 了研究。在对零件冲压工艺性分析的基础上，对各工序可能出现的工艺方案进行对 比分析，初步确定了可行工艺方案，对于不确定的因素，通过数值模拟予以进一步 的确定，最终得出最优工艺方案用以指导实际生产。在确定工艺方案的同时，通过 数值模拟分析了金属在成形过程中各种场变量的变化，预测了金属流动的趋势，分 析了不同的模具间隙、凹模圆角对照相机前盖板成形的影响规律，确定了最优的工 艺参数。由于毛坯外形对零件的成形质量影响很大，本文还分析了毛坯圆角对零件 成形的影响，最终确定了合理的毛坯形状和尺寸。根据所确定的工艺方案对各工序 模具进行设计，并介绍了成形模和修边侧冲孔模的模具结构以及关键零件的设计。 最终通过实际生产得出了模拟分析和实验结果相致的结论。 本文所作出的研究结果，可以为同类零件的成形工艺提供参考，具有一定的推 广意义。 关键词：照相机前盖板，数值模拟，工艺方案，工艺参数，模具设计 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h ed e m a n df o rh i g hq u a l i t yo f t h ec o m b i n a t i o no f ac a m e r a sb e a u t i f i c a t i o n , t r e a m l i n e _ ， l i h t e n i n ga n dm a c r o m a f i o ne t c ，h a sa l r e a d yb e c o m ea ni m p o m m tp a r tf o rt h ep r o d u c tt o c a p t u r em a r k e tt h e f r o n tc o v e ri sa ne s s e n d mp i e c eo f t h ec a m e ms h e l l i n0 r d e rt oe n s u r ea f i g h tm a t eo ft h ef r o n tc o v e ra n dt h ec a m e r ab o d y , i td e m a n d st h a tt h ep i e c eb ef l a ta n d s m o o t h , n od e f e c to f w a r p , w l 面k l ea n dc r a c ke r e ，a n dt h a tt h et i i g h 1 0 wd e f l e c t i o no f i t s p e r i p h e r yn o t t o ob i g i nf a c t ；t h es 1 1 i - 盘c eo f t h ep i e c ei sm o r ec o m p l e xa n d t h e r ea r em a n y h o l e so f h i g hp r e c i s i o ni nd i m e n s i o na n dp o s i t i o no f fi tt h e s ef e a t u r e so f t h ep i e c em a k et h e f o r m i n gp r o c e s sc o m p l i c a t e da n dt h ep r o c e s s i n gp l a nv a r i o u s a c c o r d i n gt ot r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d , i t $ e d l l si n c a p a b l et 0d e a lw i t ht h i sk i n do f c o m p l e xp r o b l e m w i t ht h ed e v d o p m e n to fm e t a lp l a s t i c i t yf o r m i n gt e c h n o l o g y , t h e t e c h n o l o g yo fc o m p u t e rs i m u l a t i o nh a sb e c o m et 0r e b u i l d i n gt r a d i t i o n a lp l a s t i c i t yf o r m i n g p r o c e s s p o w e r f u lt o o l o fe n h a n c i n gc a p a b i l i t yo fm o l 】1 dd e s i g na n dk e yt e c h n o l o g y n u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a nk o w nm e t a lf l o w i n g p r o c e s si nt h ef o r m i n gp r o c e s si na d v a n c e , f o r e c a s t i n gt h ec r i t i c a lc o n d i t i o no ff a i l u r ep r o d u c i n ga n do p t i m i z ep r o c e s sp r o j e c ta n d p r o c e s gp a r a m e t e r , d e c r e a s ee v e ne l i m i n a t ef a i l u r ea n ds a t i s f yt h ep u r p o s eo fa s s u r i n g p r o d u c tq u a l i t ya n ds h o r t e n i n gt h ep r o d u c td e v e l o p i n gp e r i o d i nt h i sp a p e r , u s i n gf i n i t ee l e m e n tm m a e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ed y n a f o r m , a c c o r d i n gt 0t h eb a s i ct h e o r ya n dm e t h o do fe l a s t i cp l a s t i cf i n i t ee l e m e n t , a d o p t i n gt h e a p p m a d bo fc o n n e c t i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t he x p e r i e n c e d e s i g n , t h ef o r m i n gp r o c e s s o ft h ef r o n tc o v e i sr e s e a r c h e d i na d d i t i o n , o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ep u n c h m a n u f a c t u r a b i l i t yo ft h ep i e c e ，t h ep o s s i b l ep r o c e s s e si ne v e r yw o r k i n gp r o c e d u r ea r e c o m p a r e da n da r l a l y z e d , a n dt h ef e a s i b l ep r o c e s s e sa r et e n t a t i v e l yd e t e r m i n e d ；a sf o r u n c e r t a i nf a c t o r s ，t 1 1 e ya r ef h 。c h e rd e c i d e dt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n f i n a l l y , t h eb e s t p r o c e s si sw o r k e do u ta n du s e dt od i r e c tp r a c t i c a lp r o d u c t i o n a tt h es a m et i m e t h e i r a n s f o r m a f i o n so f t h ef i e l dv a r i a b l ed u r i n gt h ep r o c e s so f m e t a lf o r m i n gi si n v e s t i g a t e db y n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h et e n d e n c yo f m e t a lf l o wi sf o r e c a s t e d , a n dt h em l e sh o wd i f f e r e n t m o d dc l e r a n c ea n dd i ef i l l e ta f f e c tt h ec a n l e r af o r m i n g , t h e nt h em o s tr e a s o n a b l ep r o c e s s p a r a m e t e r sa r ed e c i d e d b e c a u s et h eb l a n ks h a p ea f f e c tt h eq u a l i t yo f p i e c e f o r m i n gg r e a t l y , h e r et h ei n f l u e n c eo f b l a n kf i l l e to np i e c , ef o r m i n gi sa l s om a a l y z e d t h es u i t a b l eb l a n ks h a p e a n dd i m e n s i o na r ef i n a l l yg a i n e d m o u l d so f e a c hp r o c e s si sd e s i g n e di nl i g h to f t h ep r o c e s s o p t i m i z e d , a n di n t r o d u c i n gt h em o d ds l r u c t m eo f t h ef o r m i n gm o u l da n ds i d ep u n c hm o u l d i i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 f o rt r i m m i n g , a n dt h ed e s i g no f k e y p i e c e s a tl a s t , t h ec o n c l u s i o nf i o mp r a c t i c a lp r o d u c t i o n p r o v e st h ec o h e r e n c eb e t w e e ns i m u l a t i o na n a l y s i sa n de x p e r i m e n tr e s u l t t h er 嚣u l to ft h er e s e a r c hh e r ec a r lp r o v i d er e f e r e n c ef o rp i e c e so ft h es f l l l 1 ek i n do n f o r m i n gp r o c e s s i th a sp o p u l a r i z e d v a l u e k e yw o r d s ：f r o n tc o v e ro f c a m e r a , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , p r o c e s s i n gp l a n , p r o c e s sp a r a m e t e r , m o u l dd e s i g n i i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 本课题所研究的对象是照相机前盖板的成形工艺，该项目是深圳怡景有限公司 与重庆大学合作共同完成的科研项目。 照相机前盖板是照相机的重要组成部分，不仅要具有设计所规定的使用功能，而 且在很大程度上要体现整个相机的艺术性、个性风格，所以在质量要求( 如尺寸精 度要求、形状精度要求、刚度要求等) 、冲压成形工艺、冲压模具以及材料等方面都 有其与一般冲压零件不同的特点。 板材成形过程一般要经过复杂的变形，影响其成形的因素很多，如：模具的形状、 材料性能、毛坯形状和尺寸、边界条件、模具和板材之间的摩擦和润滑、凸凹模间 隙等。传统的设计方法依赖干经验和直觉，很多因素是通过生产中的多次反复试验 来调整的，结果很难达到缩短产品开发周期、降低成本的目的，同时，产品的质量 也不易保证。因此，如何对金属板材成形中涉及到的复杂物理现象和模具形状进行 精确分析，从而及时准确地评价工艺与模具设计的可行性，以保证生产出合格的产 品，还没有得到很好的解决。随着计算机技术的不断进步以及有限元技术的不断发 展，近年来发展了用有限元法对板材成形过程进行计算机模拟和分析的新技术“1 。 随着计算机技术迅速发展和有限元方法的不断成熟、以及塑性计算力学的发展， 设计人员开始更多地采用数值模拟方法来研究板金成形过程中的各种物理现象，以 便更为准确地了解成形过程。目前在板材成形数值模拟中应用最广的是弹塑性有限 元法，它能准确地模拟实际的板材成形过程，可以预测复杂板材成形过程中的应力、 应变分布、成形过程所需要的载荷：可以模拟成形过程中发生的起皱与破裂以及成 形后的回弹等；可以计算工件的回弹残余应力；可以比较准确地分析各种工艺参数 对成形过程的影响。板料成形数值模拟技术的发展已经能够很好的辅助设计人员解 诀传统方法难以解决的模具设计和冲压工艺难题“。 冲压成形过程的计算机数值模拟实质上就是利用数字模拟技术分析给定模具和 工艺方案所冲压的零件变形的全过程，从而判断模具和工艺方案的合理性。每一次 模拟就相当于一次试模的过程。因此成熟的仿真技术不仅可以减少试模次数，在一 定条件下还可使模具和工艺设计次合格从而避免修模。仿真技术的应用可大大缩 短新产品开发周期，降低开发成本，提高产品品质和市场竞争力。目前板材有限元 仿真技术广泛应用干家用电器、汽车和钢铁等诸多领域。 本课题采用经验设计和数值模拟相结合的方法对照相机前盖板的成形工艺过程 进行研究，目的就是为了缩短该产品的开发周期、降低试验费用，提高企业的市场 重庆大学硕士学位论文1 绪论 竞争力。 1 2 国内外研究现状 随着计算机软硬件技术的发展，众多融合了计算机图形学、有限元技术和塑性成 形理论的模拟软件开始出现，例如d y n a f o 蹦、p a | ； 一s t a m p 、l s d y n a 3 d 、a u t o f o r m 、 o f r r r i s 、a 队q u s e x p l i c i t 等，得到了许多工业部门上的重视和应用。美国的g m 、 f o r d 、c h r y s l e r ，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， 已开始应用这类软件指导板料成形件的开发和生产，产生了良好的经济效益”。数值 分析技术以其高效率、低成本的优势在薄板冲压成形领域中得到了广泛的应用。美 国、日本等世界一流的科学研究中心采用有限元数值模拟和网格技对对零件、模具、 冲压工艺和材料性能之间的相互适应性进行了三维动态仿真分析”，涉及领域之广 泛、研究成果之显著，引人瞩目。 我国在板料成形数值模拟方面起步较晚，较发达国家( 美、日等) 晚了十几年。 经过多年的发展，我国在板料成形数值模拟方面已经取得了很大进展，但主要集中在 部分高校里，华中理工大学阿针对不完全对称盒形件的成形特点，开发了有限变形弹塑 性薄膜有限元程序对其进行分析研究。吉林工业大学采用更新的l a g r a n g e 法以及有限 元变形虚功率增量型原理的弹塑性大变形有限元法，研究了金属板料成形的塑性流动 规律以及成形过程中发生的起皱、裂纹等现象。”，首次提出了多点成形时非连续接触 边界约束的处理方法，建立了基于m i n d l i n 壳理论三维金属板料成形过程分析的有限元 模型，编制了用于板料多点成形分析的有限元专用软件，成功分析了多点成形时的金 属流动规律“。哈尔滨工业大学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，并对方盒件的成形过程进行了分析“”；对板料粘性介质胀形过程中的应 变速率变化也进行了模拟研究“8 。北京航空航天大学“州“对板料成形过程中的接触摩 擦和悬空区起皱进行数值模拟。上海铁道学院的李尧臣“。用有限元法模拟了金属板材 的冲压成形过程，分析了金属板材在冲压过程中的屈曲现象，建立了增量形式的变分 原理，跟踪了板料起皱的发展、折叠、衰减的全过程。上海交通大学“7 1 对板料成形的 回弹进行了较为系统的研究，提出在板料回弹模拟中采用修正的拉格朗日法较为合适。 板料成形数值模拟技术的一个突出成就是实现了汽车覆盖件的成形模拟，通过 对板料成形过程进行高精度数值模拟，可以观察冲压速度、模具间隙、摩擦因素等 对成形性能的影响。在汽车覆盖件模拟方面，f o r d 公司的s c t a n g 作了长期的卓有 成效的研究，早在1 9 8 0 年就用小变形有限元程序分析了当汽车车身零件成形中采用 曲面压料面时，压边圈夹紧阶段工件的变形。8 。c q d u 等还对轿车顶弧( r o o f b o w ) 、 后加强板( r a i lr e i n f o r c e m e n t ) 、轮毂( d i s kw h e e l ) 成形时的回弹问题进行了 模拟研究。，日本的板料成形研究协会更是开发了模拟软件r o b u s t o “，该软件与 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 m i t s u b is h i c d a c a m 系统连接后设计出来的覆盖件模具，已初步在生产实际中得到验 证。m a z d am o t o r 用p a m s t a m p 分析了边框外覆盖件。我国对复杂汽车覆盖件成形 过程的数值模拟技术也进行了探索，林忠钦等运用有限元软件a u t o f o r m 和 l s d y n a 3 d 对s a n t a n a 2 0 0 0 的外侧板的成形过程进行了模拟，包向军。等运用 l s - d y n a 3 d ，在综合考虑了毛坯尺寸、压边力、拉延筋的布置等因素的情况下，实现 了汽车内门板的优化设计。 国内学者和技术人员在运用有限元数值模拟方法来解决生产实际问题方面，虽 然有了很大的进步，但与国外不论在规模上，还是问题复杂程度方面都有相当的差 距，要缩短这一差距，甚至超越发达国家，还有很长的一段路要走。 1 3 研究的内容 本文将对照相机前盖板形成形技术的几个关键问题：成形过程变形规律分析、 工艺方案确定及优化和模具设计等方面进行深入的理论和试验研究。 1 3 1 成形过程变形规律分析 本课题利用板料有限元数值模拟软件d y n a f o r m 对照象机前盖板成形过程进行 数值模拟，全面分析了照相机前盖板成形过程的金属流动及应力应变分布规律。通 过数值模拟，预测了成形过程中可能出现的缺陷，达到优化工艺参数，消除成形缺 陷的目的，具体内容是： ( 1 ) 确定最佳毛坯几何形状尺寸。通过选择不同形状尺寸毛坯进行数值模拟试 验，确定出最佳毛坯几何形状尺寸，降低金属流动不均匀性，使产品顺利成形。此 法可大大节省试验用材料、缩短试验周期。 ( 2 ) 确定合理的模具间隙。通过模拟结果，分析模具间隙对成形的影晌，并对 其进行优化设计。 1 3 2 工艺方案确定及优化 照相机前盖板形状复杂，可能的工艺方案较多，工艺方案的优劣直接影响到产 品质量、生产成本以及生产效率。本文在对零件冲压工艺性进行分析的基础上，确 定并优化了工艺方案。具体内容如下： ( 1 ) 对零件冲压工艺性进行分析，对可能的工艺方案进行比较分析，初步得出可能 的工艺方案以及其可行的条件。 ( 2 ) 根据数值模拟结果，确定工艺方案。 ( 3 ) 通过实际生产对其正确性和有效性进行实践检验。 1 。3 3 模具设计 ( 1 ) 模具结构分析和确定 针对照相机前盖板尺寸小，精度高的特点，根据工艺方案和零件的形状特点、精 3 重庆大学硕士学位论文l 绪论 度要求、生产批量、模具加工条件、操作方便与安全的要求，分别对各工序的模具 进行分析，确定各工序模具的合理结构。 ( 2 ) 冲模主要零部件的结构设计 根据模具结构型式和特点，确定模具工作、定位压料和卸料、导向以及固定等 确定模具主要零件的形式以及尺寸。 1 4 研究的目的及意义 电器产品是人们日常生活必不可少的生活用品，人们对电器产品的要求从实用 性、可靠性已经提高到对舒适性、美观性、安全性、实用经济性等方面的要求，从 而对电器产品也提出了许多新的要求。对电器产品的这种不断提出的新要求，促使 电器产品的外形不断的改进，外形零件的冲压成形技术也不断得到新的发展，使电 器产品外壳零件冲压成形技术在冲压成形领域中占有越来越重要的地位。目前，电 器产品的外形设计及加工技术日益受到了国内外的高度重视，德国、美国、日本等 发达国家在这方面的研究已经取得相当的进展。他们的电器产品外观美观，让人赏 心悦目，而且设计高效快捷，产品更新换代加快。如日本c a n o n 公司，其数码相机 不到每半年就有新款推出“。 目前，国内在电器产品外观零件设计制造方面的研究还处于初级阶段，与发达 国家的差距很大。由于电器产品美观性的要求，零件外形多为复杂曲面，传统的设 计方法在对零件成形过程分析以及对产品存在缺陷的处理方面显得无能为力，产品 成形过程数值模拟技术跟不上的现状已经成为制约产品开发和生产的一个瓶颈”2 ”。 面对日益激烈的国际竞争，必须紧跟国际先进水平，不断提高电器产品外观零件的 质量，降低设计和生产成本。因而，照相机前盖板成形技术的研究与开发具有相当 重要的理论意义和实用价值。以此作为一个突破口，带动和促进相关电器产品外观 零件冲压成形技术的发展和技术创新8 “。 本论文将经验设计和有限元数值模拟技术相结合并通过生产实际来验证的方法， 分析照相机前盖板的成形工艺，确定优化工艺参数，寻找出最佳的工艺方案并设计 了合理的模具结构。有利于提高照相机前盖板零件质量和降低生产成本，有利于加 快新产品的开发周期、减少工程技术人员的工作量，有利于减少前期生产及工艺探 索的工作量、降低其工作难度，有利于提高新产品的市场竞争力。另外，通过对照 相机前盖板成形过程的分析，获得的该类零件成形规律，可以推广到其它同类产品的 设计和生产上，具有较高的实用值。 1 5 研究的可行性 重庆大学模具技术及模具c a d 中心为本论文的研究提供了良好的软件、硬件环 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 境。模具技术及模具c a d 中心拥有国际上先进的美国e t a 公司推出的新一代有限元 分析系统d y n a f o r m 、造型软件u g n x i 0 以及高档微型计算机以及利用d y n a f o r m 软件 对嘉陵1 0 5 型摩托车后挡泥板以及建筑用脚手架固定扣等零件成形过程的成功分析 经验，都为本论文的顺利完成提供足够的物质上和技术上的条件。 5 重庆大学硕士学位论文 2 照相机前盖板零件冲压工艺性分析 2 照相机前盖板零件冲压工艺性分析 2 1 照像机前盖板零件形状 照相机前盖板是不规则形状的盒形件，本课题所研究的零件形状及与其它零 件的装配关系如图2 1 所示。 ( a ) o a ) 图2 1 照相机前盖板三维模型图 f i 妒1t h ef r o n tc o v e ro f c a m e r a3 dm o u l dd i a g r a m 6 重庆大学硕士学位论文2 照相机前盖板零件冲压工艺性分析 2 2 照像机前盖板所用材料 照相机前盖板所用材料为铝台金1 0 5 0 。铝合金1 0 5 0 的化学成分及机械性能如 表2 1 及表2 2 所示。 表2 1 铝合金1 0 5 0 的化学成分 t a b l e2 1a l u m i n u ma l l o y1 0 5 0c h y m i s t r yc o m p o n e n t 兀系 c uf es i f e + s i其它杂质 含量 o 0 1 50 3 00 3 00 4 5o 0 3 ( ) 表2 2 铝合金1 0 5 0 的机械性能 t a b l e2 2a l u m i n u ma l l o yt 0 5 0m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e 材料材料状态机械性能 抗拉强度仃6 屈服点 m p a 盯o2 m p a 伸长率抗剪强 1 0 5 0h 1 4 占 度m p a ( k g f m m 2 )( k g f m m 2 ) 1 1 01 0 31 06 2 2 3 工艺难点及特征 照相机前盖板为外观件，要求零件表面平整光滑，无翘曲、皱折、裂纹等缺 陷，周口部高度差不可过大，以保证与后盖及机身的严密配合。零件的曲面较为 复杂，尺寸精度很高，由于零件底部有一近似圆盘的凸起，角部有一开口，外形 很不规则，再加上为了美观，要求棱线具有很小的过渡圆角，最小r 值为料厚的 为1 4 ，这些就造成了，成形时存在着较为严重的受力、变形不均匀，是否能拉深 成形是比较关键的问题。同时零件在整个表面有很多孔形分布，这些孔形有较高 的尺寸和位置精度，保证零件表面孔形的成形要求也是需要重点考虑的问题。对 于修边，怎样安排才能保证周口尺寸高度差的要求，并使工艺既保证修边的精度， 7 重庆大学硕士学位论文 2 照相机前盖板零件冲压工艺性分析 又使模具结构设计、制造简单，使用、操作方便也至关重要，上述均是该零件的 工艺难点。 该零件材料为铝合金1 0 5 0 ，厚度为0 8 胁，属大批量生产。图2 2 为该零件的 零件图，主要尺寸如图所示。 图2 2 照相机前盖板零件图 f i 9 2 2t h ef r o n tc o v e ro f c a m e r ap a r td r a w i n g 根据零件的技术要求，进行冲压工艺性分析，认为该零件大体上是一无凸缘 浅盒形件，拉深工艺性较好：镜头孔尺寸矿3 6 8 有较高精度，同时l c d 取景器 窗1 ：3 与镜头同轴，需以镜头孔定位，故需采用高级冲模( 即工作部分采用i t 7 级 以上制造精度) 进行冲载。前盖板周口高度尺寸7 二，这可在零件成形后通过修边 工序来将其成形，采用较高的模具制造精度较小的模具间隙同时在各个方同上冲 切来完成，可以保证该精度。侧壁上的螺钉孔及配合凹点及支架固定凸台均有位 置精度要求，上下偏差分别为+ o 0 5 和一0 0 5 ，在冲孔时尽可能一次冲出，同时要 8 重庆大学硕士学位论文2 照相机前盖板零件冲压工艺性分析 考虑定位的准确性，这样才能保证位置精度要求的。侧壁上的形状也均有位置精 度要求如尺寸：1 7 9 。，1 6 3 ：，1 6 5 ：。等，落料时将其成形，由于金属变形很可 能影响到其精度，应校核其成形后精度是否满足要求；电池匣配合部的位置在长 宽方向上距镜头孔中心的尺寸分别为：2 0 5 二。和3 1 4 ：。，同样由于金属变形很可能 影响到其精度，应校核其成形后精度是否满足要求。 综上分析，照相机前盖板冲压工艺与模具设计中需要着重解决好以下问题： 1 ) 工艺方案和模具结构应保证能达到该零件所要求的高精度； 2 ) 成形模的模具结构应能保证该零件复杂外形的成形； 3 ) 模具的制造精度和导向精度应适合零件厚度薄( t = o 8 r a m ) 、模具间隙小的 特点； 4 ) 各工序之间组合时在保证零件技术要求的前提下，尽量减少模具套数，提 高模具寿命。 2 4 分析比较工艺方案 经过零件工艺性分析，由于工序较多，可以组合的工艺方案也很多，为了分 析方便，在此先分别对落料、冲孔、成形和修边工序中可能出现的方案进行进行 分析。 2 4 1 落料工序分析 图2 3 落料方案示意图 f i 9 2 3s k e t c ho f b l a n k i n gm e t h o d 9 重庆大学硕士学位论文2 照相机前盖板零件冲压工艺性分析 通过对零件形状及工艺性分析可能的落料方案有以下四种： 方案一：直接落出矩形毛坯，如图2 3 ( a ) 所示。 方案二：冲孔落料复合( 所冲孔为镜头孔) ，毛坯外形为矩形，如图2 3 ( b ) 所 示。 方案三：落出带电池匣部缺口的毛坯外形，如图2 _ 3 ( c ) 所示。 方案四：冲孔落料复合( 所冲孔为镜头孔) ，落出带电池匣部缺口的毛坯外形，如 图2 3 ( d ) 所示。 方案一的优点是化整为零，坯料的形状简单，从而简化了模具刃口形状，使模具 制造简便；其缺点是由于电池匣部缺口在零件成形后切出，使得修边难度增大， 并且生产效率低。 方案二与方案一基本相同，差异之处在于落料时将镜头孔一起冲出。其优点是不 仅提高了生产效率，而且为成形提供了定位( 中心孔定位) 。 方案三与方案一的不同之处在于电池匣部在落料时一起冲出。其优点是提高了生 产效率，而且为成形提供定位( 侧边定位) ，同时大大简化了修边的难度。 方案四是方案二与方案三的组合，也同时具有两者的优点，生产效率在四种 方案种最高。 本零件生产批量大、精度要求高，方案一虽然能保证较高的零件精度要求， 但是生产效率不高，在此不予选用。 由零件工艺性分析可知，电池匣部缺口处位置精度较高，如果在落料时将其 形状成形，能否保证成形后仍然满足精度要求，这是一个十分关键的问题。本文 将在后续章节中通过有限元分析的方法对方案二、方案三和方案四的可行性加以 详细分析。 2 4 2 冲孔工序分析 该零件表面孔形较多，可以分为两类：正面孔和侧面孔。由于侧面孔形均有 位置精度要求，如果在成形前进行冲孔，在成形后由于金属变形不均匀，金属在 侧壁高度方向上有一定的伸展，致使孔的位置发生变化，所以不宜在落料前冲侧 孔。基于以上考虑，在此着重讨论正面孔的冲压方案，侧面孔的讨论将与修边工 序一起讨论。 方案一：逐个冲出表面各孔，如图2 4 ( a ) 所示。 方案二：先冲镜头孔，再将其余各孔一次冲出，如图2 4f b ) 所示。 方案三：直接将表面各孔一次冲出( 包括镜头孔、光学取景器窗口、l c d 取 景器窗口和闪光灯窗口) ，如图2 4 ( c ) 所示。 方案一的优点是模具结构简单，凸凹模强度高，操作方便；缺点是生产效率 低，孔的位置精度低。 1 0 重庆大学硕士学位论文2 照相机前盖板零件冲压工艺性分析 囹匦 ( 1 )( 2 ) 图2 4 冲孔方案示意图 f i 9 2 4s k e t c ho f p i e r c i n g m e t h o d 方案二的优点是首先冲出的镜头孔不仅可以为成形提供定位，而且可以为其 它孔的冲裁提供定位，同时具有较高的模具强度，提高了生产效率和各孔之间的 位置精度。 方案三与方案一和方案二比较，其生产效率最高，各孔之间的位置精度也最 高。其缺点是如果在成形前将表面各孔一次冲出，由于光学取景器窗口、l c d 取 景器窗口和闪光灯窗口距侧壁距离很小，可能产生变形而达不到尺寸要求；如果 成形后一次冲出表面各孔，则不能为成形提供定位。 由图2 2 的零件尺寸可知：镜头孔距l c d 取景器窗口的距离为1 1 m m ，该距 离远小于凸凹模的最小壁厚数值( 由参考文献3 4 图2 2 9 得相应凸凹模最小壁厚为 4 ) ，故不能一次冲出。 由此可知方案三不可取，由于方案一的缺点致使其不能满足生产要求，也不 予采用。方案二为最佳方案。 2 4 3 成形工序分析 该制件可以简化为浅盒形件，考虑到该零件的r ( b h ) ( h 为计入修边余量的工 件高度，r 为壁与壁之间的圆角半径，b 为矩形件的短边宽度) 值远小于o - 2 2 ，属 于区域i i a ( 1 j d 参考文献3 图4 7 2 可知) ，其拉深特点只有微量的材料从盒形件的圆 角处转移到侧壁上去，而几乎没有增补侧壁的高度。由其拉深特点可知成形相对 重庆大学硕士学位论文 2 照相机前盖板零件冲压工艺性分析 容易，由于正面存在着与镜头孔同心的圆形凸起，增加了零件形状的复杂性，会 对成形产生一定影响。考虑可能的成形方案有如下两种： 方案一：先成形底部圆形凸起，再最终成形，如图2 5 ( a ) 所示。 方案二：一次成形最终形状，如图2 5 所示。 图2 + 5 成型方案示意图 f i 9 2 3s k e t c ho f f o r m i n gm e t h o d 方案一的优点是便于材料变形和流动，使其成形过程一分为二，减小了变形 的不均匀性；其缺点是圆形凸起成形后需要进行二次定位完成最终成形，这样使 得定位误差增大，零件精度降低，同时也降低了生产效率。 方案二一次成形，克服了方案一的重复定位所造成的误差，而且生产效率较 高。但是由于零件曲面的复杂性，材料变形很不均匀，容易出现拉裂、起皱等缺 陷。合理的工艺参数是保证一次成形的关键。 方案二的可行性将在以后章节中加以详细分析，以方案二为优先选取方案。 2 4 4 修边工序分析 零件要求周口平齐，尺寸精度较高。同时注意到侧壁上有许多小孔分布，而 且小孔的冲裁方向不一致，根据这些特点可以得出如下几种工艺方案： 方案一：依次修四个方向的侧壁，修边的同时进行冲孔，最后将支架固定凸 台，单独冲出。 方案二：先将三个圆角部分的余量分三次切除，再依次修四个方向的剩余直 壁，修边的同时进行冲孔，最后将支架固定凸台，单独冲出。 1 2 重庆大学硕士学位论文2 照相机前盖板零件冲压工艺性分析 方案三：先将三个圆角部分的余量一次性切除，再同时修三边( 包括图2 2 主视图所示的上、左、下三边) ，然后将三边孔同时冲出，最后修剩余一边( 如图 2 2 主视图所示的右边) 。 方案四：首先一次性将三个圆角部分余量切除，然后向四个方向同时冲切， 完成四个直壁的修边，然后将三边( 包括图2 2 主视图所示的上、左、下三边) 的孔同时冲出，最后将支架固定凸台，单独冲出。 方案五：首先一次性将三个圆角部分余量切除，然后向四个方向同时冲切， 完成四个直壁的修边，然后将三边( 包括图2 2 主视图所示的上、左、下三边) 的孔同时冲出( 包括支架固定凸台) 。 方案一分别修四个方向的侧壁，模具结构较为简单，冲孔便于实现，切边凸 凹模容易布置，且强度较大，所用模具套数较少( 5 套) 。但是分开修边容易产生 侧壁的高度差，使切屑相互粘连，不易脱落。 方案二也同样具有方案一的优点，而且克服了切屑相互粘连不易脱落的缺点， 但侧壁容易出现高度差的缺点没有得到改善，并且增加了模具套数( 8 套) 。 表2 3 修边工艺方案 t a b l e2 3t e c h n o l o g i c a lp r o c e s so f t r i m m i n g 序号名称示意图 切边凸模2 1 切边 j t i q , t 。= t ，于是得到形成这些子域的时刻f 。，t 1 ，f 2 ，t n 。现在假设只 需求这些离散时刻的解，而不需求整个时间域任一时刻的解。， 为求f 。时刻的解，假设f 。时刻的解为己知。只要在这个假设条件下能够求 出f 。时刻的解，任意时刻的解都能求出，因为t o = 0 时刻的解是己知的，可用来 求f ，时刻的解；时刻的解求出后又可求岛时刻的解。依此类推，如时刻的解也 就可求出了。这样采用离散处理后，接触边界的处理实际上变成了单个接触点的 处理。因此，接触边界处理中的基本问题可概括为以下几方面： ( 1 ) 接触搜寻 接触点的搜寻指通过计算找出所有离被接触块足够近而应作为己接触点处 理的节点。针对板材成形过程的特点模具固定不动或按简单规律运动，且模 具的变形很小，而工件的变形和位移很大。在接触搜寻时，无须考虑模具与模具 的接触，只需考虑模具与工件的接触以及工件间不同部位的接触。在进行接触搜 寻时，有关的节点坐标都己更新，己接触点的接触力也己更新，接触搜寻就是要 在这个条件下找出新状态下的所有己接触节点及相应的被接触点的位置。 ( 2 ) 按触力计算 当接触点找出后，就要根据物体的运动规律计算接触力。接触力的计算受 2 6 重庆大学硕士学位论文3 板料成形数值模拟理论 接触约束条件的限制，即接触点不能穿透被接触边界并且接触力不能为拉力。常 用来计算接触力的约束方法有罚函数法和拉格朗日乘子法。在罚函数法中，位于 一个接触面上的接触点允许穿透与之相接触的另一个接触面，接触力的大小与穿 透量成正比，即 工= 吨s ( 3 4 9 ) 式中，口是罚因子，s 是接触点的法向穿透量，负号表示接触力与穿透方向 相反。 在拉格朗日乘子法中，接触力是作为附加自由度来考虑的，其泛函形式除了 包含有通常的能量部分外还附加了拉格朗日乘子项 1 兀( “，n ) = 告“7 k u - u r f + ，、7 ( q u + 0d ) ( 3 5 0 ) 式中，u 结点位移向量： k 刚度矩阵； f 结点力向量； 拉格朗日乘子； d = ( q u + 0d ) 为接触点的透入量向量。 由最小能量原理可得有限元方程： k 。= e ( 3 5 1 ) 其中 心= 匿髻 疋= 尸 u = 阴 ( 3 5 2 ) ( 3 5 3 ) ( 3 5 4 ) 求解方程即可得到节点位移和拉格朗日乘子，拉格朗日乘子的分量即为接触 点处的法向接触力。 拉格朗日乘子法是在能量泛函极小的意义上满足接触点互不透入的边界条 2 7 重庆大学硕士学位论文 3 板料成形数值模拟理论 件，它增加了系统的自由度，需要采用迭代计算求解方程，一般适用于隐式算法。 在显式算法中，更常用的是罚函数法。这种方法既考虑了接触力，又不增加系统 的自由度，计算效率较高。 3 6 2 摩擦处理 摩擦是一种十分普遍和重要的物理现象，通常是指两物体表面接触时产生的 阻碍两表面作相对切向运动的一种行为。产生摩擦现象晟本质的原因是物体表面 的粗糙性，使得两种表面发生接触时，实际上只有一部分较为突出的表面真正产 生接触。 在深冲成形过程中，摩擦现象有着举足轻重的作用，有时需要加强摩擦作用， 如增大压边力，有时需要降低摩擦作用如涂润滑剂。其主要目的是控制材料在模 具中的流动。摩擦力的准确计算对板材成形非常重要。目前适用的摩擦定律仍是 库仑摩擦定律，只是作了适当修正。 由经典库仑摩擦定律可知，当两个接触物体间的切向摩擦力小于临界值f 时，两接触面间没有相对滑动。这个临界值与法向接触力e 成正比即： 鬈= ；c ( 3 ，5 5 ) 式中从表示静摩擦系数。当两接触体开始产生相对滑动时，它们间的摩擦力f 就 为临界值。 在两个物体的相对滑动中，摩擦力的大小与法向接触力成正比，其方向与切 向相对运动方向相反即： e = - h d e ( k 吲) ( 3 5 6 ) 式中胁为滑动摩擦系数，k 为相对滑动速度。 经典摩擦定律是遵循“只有当切向应力达到某一临界值时，接触表面才会产 生局部位移”这一假设的前提下应用的，一般适用于刚体的摩擦行为。但对于变 形体无论多么小的摩擦力都会产生一定的微小相对滑移。因而，经典摩擦定律修 正为非线性摩擦定律： e 2 叫只焉删a n 【志j fo57)v托kl 5 lj 式中f 摩擦力； c 正压力； 摩擦系数； r 比，r 系数，典型值为0 o 卜0 1 重庆大学硕士学位论文 3 板料成形数值模拟理论 u 相对滑动速度： f 相对滑动速度的切向量。 3 7 缺陷分析 在板料成形中，主要的成形缺陷是起皱和破裂。这两种缺陷都是由于工件的变 形失去稳定性( 即失稳) 引起的，但各自有不同的特点。起皱属于受压失稳，其变 形特点是由面内变形模式变为弯曲变形模式。受压失稳在弹性或弹塑性状态下都可 以出现，主要受刚度参数的影响。破裂属于受拉失稳，其变形特点是由均匀变形模 式变为局部化的变形模式，最终变形集中于一带状区域中，发展成为破裂。受拉失 稳发生在塑性变形阶段，主要受强度参数的影响。在复杂冲压件的成形中，这两种 缺陷可能同时出现”。 板料成形问题可抽象为弹塑性有限变形的边值问题。成形过程的稳定性可由该 边值问题的解的唯一性和稳定性来分析。 在简单的情况下，可以求得壳体结c i 构受压失稳的解析解。但是板料冲压成 形过程十分复杂，成形中的起皱有一个 产生和发展的过程。有的皱纹可以在加 工中压平消失，回弹过程中也可能出现 皱纹。因此，只能利用有限元模拟等数 值方法来追踪起皱的整个发展过程。由 于起皱要由