板材成形试验模具设计及仿真.doc

北京航空航天大学毕业设计（论文） 第 91 页 板材成形试验模具设计及仿真分析 摘要金属薄板成形性能是金属板对于冲压成形的适应能力，一般分为胀形性能、拉深性能、扩孔性能、弯曲性能及复合成形性能等几个方面。其试验方法分别是测定胀形性能指标杯突值、拉深性能指标极限拉深比或载荷极限拉深比、扩孔性能指标扩孔率、弯曲性能指标最小相对弯曲半径及“拉深+胀形”复合成形性能指标锥杯值等。由于现今金属板的塑性成形在各行业里都占着很重要的地位，所以其的模具设计则显得更为重要。根据国家标准金属薄板成形性能与试验方法GB/T 15825.1 GB/T 15825.8-1995， 对金属薄板成形性能试验所需的模具进行分析，再利用Solid Works三维软件进行设计，建立三维模型，然后进行装配及运动仿真。并针对几种典型材料（45#钢、10#钢等）的板料成形试验进行了力学性能分析，最后是对试验机的主体以及模具进行了相应的强度和刚度校核，完成了模具的整个设计工作。关键字 板材成形试验 模具 建模 仿真 强度校核AbstractSheet metal forming properties of sheet metal stamping for the adaptation, generally consists of bulging performance, drawing performance, expanding properties, bending properties and forming composite performance aspects. The test methods are measured as bulging performance punch values IE,Drawing performance indicators LDR or load LDR(T), reaming performance reaming rate, bending performance relative minimum bending radius Rmin/t and Drawing + bulging Composite cone forming Cup performance Value (CCV). Due to the current sheet metal forming take a very important position in all sectors, its mold design is much more important. According to the national standard sheet metal forming properties and test methods GB / T 15825.1-GB / T 158 25.8-1995, the sheet metal forming properties necessary for the tests die analysis re-using Solid Works software to design and build three-dimensional model, then the assembly and movement simulation. And some typical materials (steel 45 #, 10 # steel, etc.) Sheet Metal Forming a test mechanical analysis, the last is the main testing machine and die for the corresponding strength and stiffness of the coupling, completed the mold of the entire design. Keywords: sheet metal forming; die Modeling; Simulation; Test Strength Check 第一章 绪论6第一章 绪论61、课题背景及目的62、计算机技术在模具设计中的应用领域63、板料成形试验过程的运动仿真74、课题的研究方法75、论文构成及研究内容8第二章、成形试验模具设计91、拉深试验91.1 拉深凹模的高度101.2 拉深模的圆角半径对拉深过程的影响121.2.1 凹模圆角半径对拉深过程的影响121.2.2 凸模圆角半径对拉深过程的影响121.3 拉深间隙122、扩孔试验133、锥杯试验154、凸耳试验175、成形极限试验195.1 凹模215.2 压边圈215.3 成形极限试验中的压延22第三章 板材成形试验机及运动仿真241、试验机工作平台的设计及建模242、试验机工作平台的装配273、装配274运动仿真28第四章 板料成形试验的力学极限分析与计算331、板金成形的主要限制332、拉深试验的力学极限分析332.1 突缘变形区分析342.2 筒壁传力区分析393 成形极限试验的力学极限分析423.1 成形高度424、计算实例454.1 中厚板的力学极限计算464.1.1 45#钢464.1.1.1拉深试验464.1.1.2 成形极限试验504.1.2 10#钢514.1.2.1拉深试验514.1.2.2 成形极限试验554.2 船用板的力学性能极限计算564.2.1 1.5Ni564.2.1.1 拉深试验574.2.1.2 成形极限试验594.2.2 360A604.2.2.1 拉深试验604.2.2.2 成形极限试验634.3 汽车板的力学性能极限计算644.3.1 BZJ 311644.3.1.1拉深试验644.3.1.2 成形极限试验69第五章 模具的强度校核711、分析711.1 凸模抗压强度校核711.2 凸模抗压失稳校核712、模具强度、刚度校核722.1 成形极限试验722.1.1凸模抗压强度校核722.1.2凸模抗压失稳校核722.2 拉深试验722.2.1凸模抗压强度校核722.2.2凸模抗压失稳校核722.3 凸耳试验732.3.1凸模抗压强度校核732.3.2凸模抗压失稳校核732.4 扩孔试验732.4.1凸模抗压强度校核732.4.2凸模抗压失稳校核742.5 锥杯试验742.5.1 对于钢球有742.5.2 对凸模762.5.2.1 凸模抗压强度校核762.5.2.2 凸模抗压失稳校核77第六章 试验机主体强度校核791、四承力柱的强度校核792、上下工作台的弯曲强度校核79第七章 结论82致谢83附录84附录A 拉深试验模具84附录B 扩孔试验模具85附录C 锥杯试验模具86附录D 凸耳试验模具87附录E 成形极限图试验模具88参考文献89 第一章 绪论1、课题背景及目的金属塑性加工不但在飞行器制造业中占据着极其重要的地位，在其他各行业中也是很有分量的，板料冷压成形是最常用也是研究最深入的一类成形方式。而模具的设计则是板料冷压成形的必要过程。长期以来，成形工艺和模具的设计以及工艺过程分析主要的依据是积累的实际经验、行业标准和传统理论。但由于实际经验的非确定性、行业标准的实效性，以及传统理论对变形条件和变形过程进行了简化，因此，对复杂的模具设计往往不容易获得满意的结果，使得调试模具的时间长，次数多，甚至导致模具的报废。通常情况下，为了保证工艺和模具的可靠与安全，多采用保守的设计方案，造成工序的增多，模具结构尺寸的加大。现代成形加工与模具正朝着高效率、高速度、高精度、高性能、低成本、节省资源等方向发展，因此传统的设计方式已远远无法满足要求。计算机技术的出现和发展以及工程实践中对数值分析要求的日益增长。现代模具设计多是用UG、PRO/E、CAXA、Solid Works等三维软件进行。模具是一种技术密集、资金密集型产品，在我国国民经济的地位也非常重要。模具工业已被我国正式确定为基础产业，并在“十五”中列为重点扶持产业。本文就是利用Solid Works来为成形试验的模具进行设计及建模2。2、计算机技术在模具设计中的应用领域产品从设计到成型生产是一个十分复杂的过程，它包括制品设计、模具结构设计、模具加工制造和制品的生产等几个工要方面。它需要产品设计师、模具设计师、模具加工工艺师及熟练操作工人协同努力来完成，它是一个设计、修改、再设计的反复迭代、不断优化的过程。传统的手工设计已越来越难以满足市场激烈竞争的需要。计算机技术的运用，正在各方面取代传统的手工设计方式，并取得了显著的经济效益。计算机技术在模具中的应用主要表现在以下几个方面： (1) 制品的设计：基于特征的三维造型软件为设计者提供了方便的设计平台，而且制品的质量、体积等各种物理参数为后续的模具设计和分析打下了良好的基础。 (2) 结构分析：利用有限元分析软件可以对制品的强度、应力等进行分析，改善制品的结构设计。(3) 模具结构设计：根据制品的形状、精度、大小、工艺要求和生产批量，模具设计软件会提供相应的设计步骤、参数选择计算公式以及标准模架等，最后给出全套模具结构设计图。(4) 模具运动仿真：运用CAD技术可对模具开模、合模以及制品被推出的全过程进行仿真，从而检查出模具结构设计的不合理处，并及时更正，以减少修模时间。(5) 工作过程数值分析：采用CAE方法可以模拟板料在模具的运动过程中的受力状态，其结果对改进模具形状及调整工艺参数有着重要的指导意义，同时还可检验模具的刚度和强度、制品的翘曲性等。(6) 数控加工：利用数控编程软件可模拟刀具在三维曲面上的实时加工过程并显示有关曲面的形状数据，同时还可自动生成数控线切割指令、曲面的三轴，五轴数控铣削刀具轨迹等。目前，国际上占主流地位的模具设计CAD软件有Pro/E、I-DEAS、UG、Solid Works等；结构分析软件有MSC、Analysis等；工作过程数值分析软件有MoldFlow等；数控加工软件有MasterCAM、Cimatron等3。3、板料成形试验过程的运动仿真板料冲压仿真分析CAE是CAE大家族中应用非常广泛的一个分支，它包括塑性成形CAE、铸造成形AE、塑料注射成形CAE等， 应用于工程实际，可以帮助确定毛坯几何形状尺寸，预测零件成形过程中的破裂、起皱及回弹等成形缺陷，还可以分析零件的冲压成形性能，对工艺方案和工艺参数进行优化等4 。由于时间的限制，在本文里没有进行材料性能的仿真，只是就模具的运动过程，进行了运动仿真。4、课题的研究方法本次毕业设计的课题是是一个工程实际问题。研究方法拟通过对金属薄板成形性能试验的分析，利用SolidWorks三维造型软件设计金属薄板成形性能试验所需要的模具，设计板材成形试验机的工作台，进行三维装配，并仿真其工作过程。本文还就几种板料在用这些模具中的一些力学性能进行了一些分析，最后对成形试验机的主体以及模具的进行强度及刚度校核。5、论文构成及研究内容本论文由绪论、模具设计、板料成形性分析、模具强度校核、试验机主体强度校核、结论、致谢以及参考文献组成。首先根据国家标准金属薄板成形性能与试验方法GB/T 15825.1GB/T 15825.8-1995了解各试验的实验原理及注意事项，对各试验所需的模具进行分析，再利用SolidWorks三维软件进行设计，建立三维模型，然后进行工作台及模具的装配，并对其进行运动仿真。并针对几种典型材料（45#钢、10#钢等）的板料成形试验进行了力学性能极限分析、计算，最后对试验机的主体以及模具进行相应的强度和刚度校核，完成了模具的整个设计工作。第二章、成形试验模具设计根据国家标准金属薄板成形性能与试验方法GB/T 15825.1GB/T 15825.8-1995的要求，对金属薄板成形性能试验-拉深试验、扩孔试验、锥杯试验、凸耳试验及成形极限图（FLD）试验进行综合分析，发现这些试验的模具尺寸相差不大，为了方便进行通用的试验机设计，需要对模具的安装进行总体协调。通过对成形试验机的结构进行分析可知成形试验机法兰的尺寸是固定的，因此一个小尺寸的模具就有可能会有一个很大的法兰，这里为了能节约材料把法兰与模具做成分体的，本文采用了阶梯的方式来连接模具与法兰安装盘。使得一套模具都能使用同一个法兰安装盘，且尺寸相近的模具也可以使用一个法兰安装盘。这样就既能节约材料又简化了模具的制造过程。法兰盘设计：采用法兰盘与模具本身分开的设计方法，利用台阶来进行连接和定位。如图2.1所示： 图2.11、拉深试验拉深是利用拉深模将板料冲压成各种空心件的一种加工方法，使冲压生产中应用最广泛的工序之一。拉深成形时主要考虑的问题是，位于凸缘部分的财力材料因切向压缩极易起皱；处于凸模圆角区的材料因受到径向强烈拉伸而严重变薄，甚至断裂。材料的种类、零件的结构形状、模具结构及工作部分的表面质量对拉深成形能否顺利进行都有重要的影响。根据国家标准金属薄板成形性能与试验方法拉深与拉深载荷试验GB/T 15825.3-1995中的试验原理：试验时，将圆片试样压置于凹模与压边圈之间，通过凸模对其进行拉深试验（见图2.2）。本试验需要采用不同直径的式样，并按照逐级增大直径的操作程序进行拉深试验 ，以测定拉深杯体底部圆角附近的壁部不产生破裂时允许使用的最大试件直径（D0）max，试验结束后用（D0）max计算极限拉深比LDR。每组试样进行6次有效重复试验，并记录破裂与未破裂试样的个数。一方面，当破裂位置不在杯体底部圆角附近的壁部或者杯体形状明显不对称，两个对象凸耳的峰高之差大于2mm时试验无效；另一方面，当一组试样中，3个试样破裂，3个试样未破裂或者当某一级试样的破裂个数小于3，而直径增大一级后，试样破裂的个数等于或大于4时结束试验。图2.2 拉深试验原理凸模和凹模的工作尺寸按表2.1所示。 表2.1 凸模、凹模的工作尺寸 mm 板料基本厚度t0凸模直径dp凸模圆角半径rp凹模内径Dd凹模圆角半径rd0.450.645.00.151.80+0.056.40.100.640.9152.560+0.059.10.100.911.3053.640+0.0513.00.151.301.8655.200-0.0518.640.151.862.5057.000-0.0525.00.151.1 拉深凹模的高度拉深凹模的高度h对拉深成形的次数和成形质量都有重要的影响。常见零件的一次拉深成形的高度一般近似为5：无凸缘筒形件：，d为拉深件壁厚中径；带凸缘筒形件：当时，为拉深件凸缘直径；盒形件：当时，r为盒形件长、短边间的圆角半径，B为盒形件的短边长度因此，拉深凹模的高度设计为：台阶高8mm 凹模高35mm（如图2.3）。图2.3 拉深凹模图2.4所示为凹模内径为57mm时的模具图2.4 拉深模装配1.2 拉深模的圆角半径对拉深过程的影响1.2.1 凹模圆角半径对拉深过程的影响拉深凹模的圆角半径对拉深过程有很大的影响，毛坯进入凹模内要经过弯曲和重新有被拉直的过程，若凹模圆角过小，将增加弯曲抗力而导致破裂的可能；若凹模圆角过大，将会因毛坯在压边圈下面积的减小和毛坯外缘过早离开压边圈而产生皱折，当这皱部分进入凸凹模的间隙，就会造成毛坯的破裂。凹模圆角半径的平均值rd可按下式6 （2.1）式中：K系数； D毛坯或前一次拉深直径（mm）； d凹模内径（mm）； t材料厚度（mm）。表2.2 计算凹模圆角半径时的K值材料厚度0.60.611224466101.00.90.850.80.70.61.2.2 凸模圆角半径对拉深过程的影响凸模圆角半径的影响不似凹模圆角半径那样显著，如过小则会降低邻近直壁与底交接部分的强度，多次拉深时会在制件侧壁上留下弯曲的环形圈痕迹，影响制件的外观质量；如过大，由于拉深初始阶段不与模具表面接触的毛坯宽度加大，这部分毛坯就易起皱。一般首次拉深取： rp=(0.71.0)rd （2.2）多次拉深的以后各次： rpn-1=(dn-1-dn-2t)/2 （2.3）式中：dn-1，dn前后工序中毛坯的过渡直径（mm）。拉深凸模圆角半径不得小于（23）t，如制件上有要求，则应最后通过整形获得。1.3 拉深间隙拉深间隙是指单边间隙，即凹模与凸模直径之差的一半。拉深间隙的大小对拉深力、制件质量和模具寿命都有影响。间隙过大，容易起皱；过小则筒壁变薄严重，甚至拉断，同时也降低模具寿命。确定间隙时需考虑板料本身公差，圆筒形件口部的增厚及拉深件的精度要求。2、扩孔试验根据国家标准金属薄板成形性能与试验方法扩孔试验GB/T 15825.4-1995中的试验原理：试验时，将中心带有预制圆孔的试样置于凹模与压边圈之间压紧，通过凸模将其下部的试样材料压入凹模，迫使预制圆孔直径不断扩大（见图2.5），直至孔缘局部发生开裂停止凸模运动测量试样孔径的最大值和最小值，用它们计算扩孔率作为金属板料的扩孔性能指标。将试样通过预制圆孔和导销套放在凸模顶端，施加压力后启动凸模运动进行扩孔试验，至试样孔缘上任意一个局部开始破裂时立即停机，取出试样。测量试样孔径时，应避开孔缘上的局部裂纹，分别测出空径的最大值dfmax和最小值dfmin，测量精确到0.05mm。对同种材料进行10次有效重复试验，当预制圆孔胀大后，明显偏离试样中心；试样起皱或孔缘裂纹沿试样边缘缺陷或伤痕方想发展时试验无效。图2.5 扩孔试验原理凸模、凹模及试样的尺寸见表2.3。 表2.3 凸、凹模及试样尺寸 mm 板料基本厚度t0凸模凹模预制圆孔初始直径d0导销直径d0圆形试样直径D0方形试样边长l0直径dp圆角半径rp内径Dd圆角半径rd0.201.00250-0.0530.1270+0.0510.17.050+0.056.250+0.055.000+0.057.50-0.056.250-0.055.000-0.0545701.002.00400-0.0550.1440+0.0510.112.00+0.0510.00+0.058.00+0.0512.00-0.0510.00-0.058.00-0.05701002.004.00550-0.0580.1630+0.0510.116.50+0.0516.50-0.05100扩孔试验，本着节约材料的原则，对同一凸模尺寸中不同导销直径的，我在这用了个台阶轴来接决这个问题，就是我在凸模上开一个直径是该凸模直径中导销直径最大的孔，再做一个由该直径凸模倒销直径的台阶轴，在台阶轴的底部来一个M3的螺纹孔，用来控制台阶轴在凸模孔中的深度。如图2.6所示。扩孔试验凹模见图2.7所示图2.6 扩孔凸模（凸模直径为40mm） （a）凹模内径为63mm （b）凹模内径为44mm图2.7 扩孔凹模扩孔模具装配见图2.8 图2.8扩孔模装配（凹模尺寸为44mm）3、锥杯试验根据国家标准金属薄板成形性能与试验方法锥杯试验GB/T 15825.6-1995中的试验原理：试验时，圆盘片试样平放在锥形凹模孔内，通过钢球对试验进行“拉深+胀形”符合成形，即锥杯成形（见图2.9），直到杯底侧壁发生破裂时停机，然后测量锥杯口部的最大外径Dmax和最小外径Dmin，并用它们计算锥杯值CCV（或相对锥杯值）作为金属板的“拉深+胀形”复合成形性能指标。将试样平放在凹模孔内，启动试验装置进行锥杯成形，直至杯体侧壁发生破裂为止，对同种材料进行6次有效重复试验。当锥杯形状明显不对称，锥杯口部起皱或锥杯底度进入凹模直端部分时仍未发生破裂时试验无效。以锥杯口处相对的两个凸耳峰点为基准测量锥杯口的最大外径Dmax；以锥杯口处相对的两个凸耳谷点为基准测量锥杯口的最小外径Dmin；测量精度不低于0.05mm。图2.9 锥杯试验原理模具的工最尺寸见表2.4表2.4 模具工作尺寸名称板料基本厚度0.500.800.801.001.001.301.301.60钢球直径Dp12.717.4620.6426.99凸模直径dp=Dp=Dp=Dp=Dp试样直径D0360.02500.02600.02780.02凹模孔直端直径Dd14.600.0219.950.0224.400.0232.000.02凹模孔圆角半径rd3.04.06.08.0凹模孔锥角600.05600.05600.05600.05凹模孔直端有效高度hd20202525凹模孔直端开口高度hd5555在锥杯试验中，首先是了解保平块的形状及作用使保平块的倒角与凸模上锥形凹定的角度一致。在根据凸模直径与钢球的直径确定保平块的两个内径。还有就是凹模口直端开口的高度也需要注意。图2.10 为锥杯试验的凹模图2.10 锥杯试验凹模（凹模孔之端直径为32mm）锥杯试验模具装配如图2.11所示图2.11 锥杯试验模具装配（凹模孔直端直径为14.6mm）4、凸耳试验根据国家标准金属薄板成形性能与试验方法凸耳试验GB/T 15825.7-1995中的试验原理：试验时，将圆片试样压置于凹模与压边圈之间，同过凸模对试样进行拉深，将其成形为一个空心圆柱形杯体（见图2.12），试验结束后，测定杯口处凸耳的各项特性指标，并计算凸耳率作为评定金属薄板塑性平面各项向异性程度的指标。对同种材料应进行3次以上的有效重复试验，当试样法甚破裂，杯体形状明显不对称，两个对向凸耳的峰高之差大于2mm或者杯体口部或外表面具有影响测量凸耳特性指标的皱褶时试验无效。图2.12 凸耳试验原理凸、凹模的工作尺寸见表2.5表2.5 凸、凹模的工作尺寸板料基本厚度t0凸模直径dp凸模圆角半径rp0.05凹模内径Dd0+0.05凹模圆角半径rd0.050.100.110.120.140.150.170.180.200.210.240.250.290.300.350.360.400.410.450.460.50320-0.052.532.2832.3532.4332.5032.6032.7532.9033.0533.2033.352.53.04.00.510.600.610.700.710.804.033.5033.8034.105.06.00.811.001.011.201.211.406.034.5035.0035.607.01.411.701.712.008.036.037.008.02.012.502.513.009.038.5039.809.0对于凸耳试验，这个试验的模具没有什么特别的要求，但是因为这个试验的模具数量很多，所以即使这些模具的外形尺寸与扩孔等的相差不是很大，但还是得单独用一个法兰。见图2.13所示图2.13 凸耳试验模具装配（凹模直径为37mm）5、成形极限试验根据国家标准金属薄板成形性能与试验方法成形极限试验图（FLD）试验GB/T 15825.8-1995中的试验原理：（1）在试验条件下测定成形极限试验图时，通常采用刚性凸模对试样进行胀形的方法，必要时可以辅以拉伸试验和液压胀形试验。（2）刚性凸模胀形试验时，将一侧表面制有网格圆的试样置于凹模与压边圈之间，利用压边力压紧拉深筋以外的试样材料，试样中部在凸模里作用下产生胀形变形并形成凸包（见图2.14），其表面上的网格圆发生畸变，当凸包上某个局部产生缩颈或破裂时，停止试验，测量缩颈区（或缩颈区附近）或破裂区附近的网格圆长轴或短轴尺寸，由此计算金属薄板允许的局部保面极限主应变量（e1、e2）或（1、2）。注：表面应变指平行于板料平面的二维应变，金属薄板成形性能与试验方法成形极限试验图（FLD）试验GB/T 15825.8-1995中的（e1、e2）表示表面工程极限主应变量；（1、2）表示表面真实极限主应变量。（3）使用下述两种方法可以获得不同应变路径下的表面极限主应变量。改变试样与凸模接触面间润滑条件主要用来测定成形极限图的有半部分（双拉变形区，即e10、e20或10、220），如果在试样与凸模之间加衬合适厚度的橡胶（或橡皮）薄垫，可以比较方便地获得接近于等双拉应变状态（e1=e2或1=2）下的表面极限应变量，通常，不同的润滑条件选择地越多，试验确定的成形极限图越可靠。采用不同宽度的试样主要用来测定成形极限图的左半部分（拉-压变形区，即e10、e20或10、220），如果试样宽度选择地合适，可以获得接近于单向拉伸应变状态（e1=-2e2或1=-22）和平面应变状态（e2=0或22=0）下的表面极限应变量，通常，试样的宽度规格越多，试样确定的成形极限图越可靠。注：试样长宽尺寸接近时，极限应变量也有可能位于成形极限图的右半边部双拉变形区内。图2.14 刚性凸模胀形试验原理成形极限试验，因为这个试验没有给定凸凹模的直径，所以就都得自己设计，在这里就得考虑板料厚度对凸凹模的间隙的影响，这里把板料的厚度分成两个阶段来进行设计，首先是板料厚度小于2mm的板料，根据经验值，凹模圆角为r5，用两个压延筋来压住材料，第一个是锥形的，第二个是矩形的，且让第一个压延筋接近凹模口来压住材料。其次是板料厚度大于2小于4mm的板料。凹模圆角为r10，也是用两个压延筋来压住板料，得一个压延筋接近凹模口，所不同的就是，这里的两个压延筋的形状都是采用矩形的。5.1 凹模（1） 板料厚度为0t2,凹模圆角r=5mm。凹模见图2.15所示图2.15 成形极限凹模（2）板料厚度为2t4,凹模圆角r=10mm。凹模见图2.16所示图2.16成形极限凹模5.2 压边圈（1） 板料厚度为0t2时的压边圈，见图2.17所示图2.17 压边圈（2） 板料厚度为0t2时的压边圈，,见图2.18所示图2.18压边圈5.3 成形极限试验中的压延形极限试验中的压延凹模的间隙的影响，这里我得自己设计，在这里我如图2.19所示，tl，这里不是利用A、C环处的摩擦力来防止板料的流动，而是用B环处的摩擦与A、C处的拉力来防止板料的流动的。图2.20成形极限模具的三维图形。图2.19 成形极限模具图2.20成形极限模具装配第三章 板材成形试验机及运动仿真1、试验机工作平台的设计及建模图3.1是在这次毕业设计中成形性能试验所用的试验机，这里要做的就是通过SolidWorks三维造型软件设计该试验机的工作平台。图3.1 成形性能试验机根据所给的试验机相关尺寸，SolidWorks建模后的试验机工作平台如图3.2所示（a）上工作台（b）下工作台（c）上横梁（d）下横梁图3.2 试验机工作平台2、试验机工作平台的装配图3.2 试验机工作平台图3.3试验工作平台安装图3、装配工作台大体的装配过程既是：下横梁下工作台上工作台导柱上横梁承力柱。4、运动仿真模具的运动仿真过程如下图所示：(a) 模具开始运动时(b) 模具运动时(c) 模具运动终了时图3.4 拉深模的运动仿真过程（凹模直径为57mm）（a）试验开始时（b）试验过程中（c）实验结束时图2.5 拉深成形试验工作过程的运动仿真图3.6是在锥杯试验模具在成形试验机工作台上的运动仿真过程（a）开始运动时（b）运动过程中（c）运动过程中（d）运动结束时图3.6 锥杯试验在成形工作台上的仿真过程第四章 板料成形试验的力学极限分析与计算1、板金成形的主要限制在金属板料成形过程中板金成形的主要限制有以下几个方面7：（1）成形力的限制：以所用冲压设备的能力和模具的强度作为成形力的上限。（2）尺寸的限制：以所用冲压设备的大小和毛料尺寸作为成形尺寸的上限。（3）成形极限的限制包括： 拉伸失稳（颈缩）或破裂的限制：希望材料无限制地变形或承受无限大的外力都是不可能的。成形中，坯料上某一局部的应力或应变超过某一定值时就会在该处发生失稳或破裂。 压缩失稳或起皱的限制：薄板在不大的压缩力或剪切力的作用下，就会失稳起皱。故坯料上局部出现过大的压缩力或剪切力时就会产生压缩失稳，其发展结果是出现起皱。一般把毛料在拉伸或压缩失稳前能承受的最大变形程度称之为成形极限。（4）外形准确度和厚度变化率的限制：由于金属塑性变形总含有弹性变形，故加工后的零件一般不会和模具的形状完全一致。由于塑性变形体积不变，伸长类成形区厚度会变薄（t0），压缩类变形区厚度会变厚（t0），故零件上必然厚度不均。（5）表面状态的限制：与模具相接触的材料有可能产生伤痕，自由表面也有可能因塑性变形量和变形方式的不同而是表面状态发生变化。（6）零件机械性能、理论性能等要求的限制：实际使用的是零件的材料，由于已有了较大的塑性变形，零件材料和原始板料在机械、理论化性能上都已有相当大的不同。例如零件的残余应力会降低零件的使用强度及引起应力腐蚀。对此设计时应予以考虑或在成形后应予以消除。统一板料在不同应力应变状态下，其极限变形能力不同。2、拉深试验的力学极限分析如图所示拉深试验见图4.1。R0-毛料半径；r0-圆筒半径；Rt-突缘半径；R-毛料上任一点处半径；R- R点相应在突缘上的半径。图4.1 拉伸试验2.1 突缘变形区分析对图4.1拉深试验，假定毛料半径由R0变为Rt时，平板毛料上半径为R的点转移到突缘上半径为R的地方。如图4.1所示。根据体积不变条件，忽略板厚的变化，圆环R- R0的面积应与圆环R-Rt的面积相等8 。由此可以求得突缘上R处的切向应变为 （4.1）当R=Rt时，代入式（4.1）可以求得突缘边缘的切向应变为 （4.2）当R=r0时，可以求得r0处突缘的切向应变为 （4.2）图4.2中的实线所表示的即为试验求得的径向、切向何厚向的三个主应变分量r，t在突缘上的分布规律，虚线所表示的是按式（4.1）求得的的分布规律。比较虚实两线可以看出计算结果与试验结果十分相近。图4.2 径向、切向、厚向三个主应变分量在突缘上的分布规律拉深时突缘变形区处于切向受压、径向受拉的应力状态。板厚方向虽然受到压应力作用（由压边圈产生），但数值很小，可以忽略不计。从图4.1上沿着直径在突缘变形区切取张角为的一个小扇形区域。再在小扇形区域的R处切取宽为dR的扇形体，见图4.3所示，如果板厚为t、R处的切向应力为，径向应力为r。则微体四周的外力也如图4.3所示。图4.3 因为微体处于平衡状态，其径向合力为零： （4.3）当角很小时，sin/2/2,忽略微体两边厚度的变化，取dt=0，则对d(rRt)有： （4.4）把 式（4.4）代入式（4.3）得： （4.5）式（4.5）为微分平衡方程。根据密塞斯准则与屈雷斯加准则，有： （4.6）式中表示中间主应力2对于屈服条件的影响： （4.7）如果123，则-1V1。当V=1时，=1；当V=0时，=1.155。 的变化范围11.155。突缘变形区代数值最大的主应力为径向应力r。代数值最小的主应力为切向应力。根据式（4.6），并将值近似取为1.1，塑性方程为： （4.8）联立时（4.5）、式（4.8），将式（4.8）代入式（4.5）得 （4.9）再将式（4.9）代入式（4.8），即可求得切向应力为： （4.10）i可以根据实际应力曲线按最大主应变近似确定。按式（4.1），可知所以i为R的幂函数。式（4.9）积分很困难，为了简化计算，将i取为与R无关的常数。由突缘内外边缘的平均应变确定。根据式（4.2）、式（4.2）平均应变为： （4.11a）所以平均应力为： （4.11b）将代入式（4.9），即可解得径向应力r为式中c为积分常数，利用边界条件：当R=Rt时，r=0，所以。最后可得： （4.12）代入式（4.10）可以求得切向应力为： （4.13）分析式（4.12）、式（4.13）可得，在给定拉深系数m=r0/R0，给定材料牌号（即材料拉深实际应力曲线幂次式中常数k和n），给定拉深时刻（即突缘半径Rt）,以不同的R值代入式（4.12）、式（4.13）。便可得到突缘变形区拉、压应力的分布。图4.5即为r和的分布曲线。图4.4 r和分布曲线如图4.4所示，突缘上径向拉应力r和切向压应力的分布是两条等距离的对数曲线，其间隔距离等于1.1i。径向拉应力r在凹模洞口（R=r0时）最大，其值为 （4.14）切向应力在突缘边缘（R=Rt时）最大，其值为 （4.15）纯剪应力状态：r、绝对值相等的点（r=|）R=0.61Rt即在突缘上0.61Rt以外以压应力为主，以内以拉应力r为主。且max与突缘起皱有关，rmax与筒壁拉裂有关。所以下面对其分别作以下分析。图4.5所示的曲线是按式（4.14）、式（4.15）求出的变化规律。图4.5随着拉深过程的不断进行，突缘变形区材料的变形程度与变形抵抗力逐渐增加，所以maxRt/R0曲线也始终上升，其变化规律与材料实际应力曲线相似。在拉深的初始阶段max的增加比较快，以后逐渐趋于平缓。由式（4.14）可见。r max的数值乃是与lnRt/r0的乘积，表示材料的变形抵抗力，随着拉深过程的进行，其值逐渐加大。lnRt/r0反映了突缘变形区的大小，随着拉深的进行，突缘变形区逐渐减小，lnRt/r0的数值也不断减小。由于以上两个相反因素相互消长的结果，凹模洞口的拉应力r max在某一阶段达到最大值，然后又逐渐下降（如图4.5所示）。又由于拉深初始阶段材料变形抵抗力的增长较快而突缘变形区的缩减较慢。以后材料变形抵抗力增长较慢而突缘变形区的缩减逐渐加快。所以一般均发生在拉深的起始阶段，即当Rt=0.800.90R0左右。由式（4.14）可知，的具体数值完全取决于板料的机械性能与拉深系数m。给定一种材料和拉深系数，即可求出相应的。经过大量的计算结果，可将确定的计算公式调整归纳成以下的形式： （4.16）式中：a、b与材料性质有关的常数。其值见表4.1表4.1j0.100.150.200.250.300.350.40a0.720.790.870.941.011.061.12b0.580.690.790.901.011.111.182.2 筒壁传力区分析凸模压力P通过筒壁传至突缘的内边沿，将突缘变形区的材料逐步拉入凹模（图4.1）。突缘材料的变形抗力（突缘在凹模洞口的径向拉应力r max）是拉深件筒壁所受拉力的主要组成部分，除此之外还有：（1） 压边力Q在突缘表面所产生的磨擦阻力。设磨擦系数为，则上下表面额度摩擦阻力合计为2Q。筒壁传递拉力的面积为dt。因此压边摩擦力在筒壁内部产生的单位拉应力m为 （4.17）（2）当突缘材料绕过凹模圆角时，还必须在凹模圆角区克服摩擦阻力。由于磨擦阻力的影响，另一端施加的拉力T必须大于W（如图4.6所示）。显然，包角越大、且摩擦系数越大，T值也就越大。由简单的关系可得如果板料在凹模圆角处的包角为，考虑上述因素，筒壁为了拖动突缘。必须传递的力显然不是r max+m。而是：图4.6（3）突缘板料流经凹模圆角时所产生的弯曲阻力w。w可作如下估算。如图4.7所示，设材料在进入圆角部分后，沿凹模圆角半径移动了长l的一段，其得到的平均身长量为使消耗于圆角部分的外力Pb和内力的弯曲功相等，即：求得附加弯曲力为：式中：d凹模口直径； 材料刚进入圆角部分时的变形抵抗力。图4.7凹模圆角部分的材料弯曲变形筒形部分对弯曲的单位抵抗力为：因为材料在最大载荷下，值相当大，为了简化计算，可设=b。这里b是假象极限强度。则 （4.18）式中：rd为凹模的圆角半径。归纳以上各项，最后可以求得筒壁为了使拉深件流入凹模所需的单位拉应力为： （4.19）在拉深的某一初始阶段，突缘的径向拉应力达到了最大值，而包角也趋近于90。这时值最大。由于e/21+/21+1.6。根据上式，筒壁所受的最大单位拉应力max可以写作： （4.20）将式（4.16）、式（4.17）、式（4.18）所表示的、m、w值代入式（4.20），可以求得max为： （4.20）最大单位拉应力max求得后，最大拉深力Fmax即可求得为： （4.21）3 成形极限试验的力学极限分析在成形极限试验中，胀形里的计算为9： （4.22） （4.23）式中：F胀形里（N）；胀形单位压力（MPa）；A胀形面积（mm2）；S胀形变形区真实应力，近似计算可取为材料的抗拉强度Rm（MPa）；D胀形最大直径（mm）；t坯料原始厚度（mm）。3.1 成形高度一般情况，先以平头凸模为例，求出成形极限试验的成形高度10。a)b) 图4.8 圆角部分材料用直线代替曲线的方法用平头凸模成形时，在接触角未达到90以前，其情形如图4.8所示。有ab和cd两个弧段、和bc直切线段。设r0、rp和r