頂蓋工藝建模及CAE分析(共46頁(yè))

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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 題 目: 頂蓋工藝建模及CAE分析 學(xué)院(直屬系): 材料科學(xué)與工程學(xué)院 年級(jí)、 專(zhuān)業(yè): 材料成型及控制工程 姓 名: 張 亮 學(xué) 號(hào): 2232 指 導(dǎo) 教 師: 查五生 完 成 時(shí) 間: 2012年6月1日 目 錄

2、 摘 要 本設(shè)計(jì)為頂蓋工藝建模及CAE分析。在設(shè)計(jì)中，對(duì)此工件主要進(jìn)行了拉深工藝分析，其外形、尺寸、材料等均符合沖壓模具的工藝要求。通過(guò)拉深工藝分析，并在CAD/CAE軟件中進(jìn)行工藝補(bǔ)充，構(gòu)建工藝補(bǔ)充面。然后對(duì)該數(shù)模進(jìn)行拉深定義，選擇了模具類(lèi)型及結(jié)構(gòu)，沖壓中心，坯料尺寸，在DYNAFORM軟件中模擬拉深過(guò)程,了解可能出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題-起皺和開(kāi)裂，并尋求解決方法。最后用計(jì)算機(jī)繪制了工件的二維圖和三維圖并編寫(xiě)了設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 關(guān)鍵詞：工藝設(shè)計(jì)；構(gòu)建工藝補(bǔ)充面；頂蓋；CAE分析 Abstract The design in this paper is copin

3、g＇s craftwork modeling and CAE analysis. In the design, the process of the drawing craftwork is analyzed. Its shape, size precision, material and so on accord with the pressing process requirements. Through analyzing the craftwork of drawing, supplement of craftwork is processed in CAD/CAE software.

4、 Then, defining the drawing of the model, choosing mould type and structure, pressing center, blank size, the drawing process is simulated in DYNAFORM software. Then the general three-dimensional drawings and detail drawings of coping are drawn by CATIA and auto-CAD, the specification of press proce

5、ss and die has been finished. Key words: craftwork design; addendum design; coping; CAE analysis 前 言 目前國(guó)內(nèi)眾多的汽車(chē)生產(chǎn)廠家。對(duì)汽車(chē)覆蓋件(頂蓋板等零件) 的生產(chǎn)模具，甚至是產(chǎn)品，大部分是從國(guó)外直接引進(jìn)由此耗費(fèi)了大量的資金和外匯，且直接影響到汽車(chē)的銷(xiāo)售價(jià)格。眾所周知，汽車(chē)沖壓件中頂蓋是最大的沖壓件，頂蓋質(zhì)量的好壞直接影響整車(chē)的外觀和質(zhì)量。同時(shí)影響著前風(fēng)擋玻璃、前后車(chē)門(mén)、前后門(mén)柱、后圍等幾個(gè)較大的沖壓件的裝配質(zhì)量[1]。因此，頂蓋是一個(gè)在工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)以及制造等方面都具有較大難度

6、和較高要求的沖壓件。如何利用自有的技術(shù)，設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出不僅要性能可靠，結(jié)構(gòu)先進(jìn)合理，而且對(duì)外觀、質(zhì)量也有很高要求的覆蓋件模具產(chǎn)品，一直是國(guó)內(nèi)模具技術(shù)人員急需解決的課題。 隨著非線性理論、板料成形有限元理論的完善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,薄板沖壓成形的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)日漸成熟,使零件在批量生產(chǎn)前,對(duì)其成形過(guò)程進(jìn)行模擬成為了可能,并在制定工藝和模具設(shè)計(jì)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。沖壓成形有限元模擬技術(shù)已經(jīng)成為覆蓋件沖壓工藝設(shè)計(jì)的重要輔助手段。冷沖模的設(shè)計(jì)CAD/CAM與CAE分析的結(jié)合正在改變傳統(tǒng)工藝試制模具的方式，通過(guò)對(duì)板料變形全過(guò)程的數(shù)值模擬,判斷模具設(shè)計(jì)和工藝方案的合理性,每次仿真模擬就相當(dāng)于一次試模

7、過(guò)程。這種技術(shù)的結(jié)合能夠大大降低設(shè)計(jì)的成本，改變傳統(tǒng)的浪費(fèi)時(shí)間成本的“設(shè)計(jì)——試制——發(fā)現(xiàn)問(wèn)題——再設(shè)計(jì)——再試制——再發(fā)現(xiàn)問(wèn)題”的生產(chǎn)方式，可以在設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，提高設(shè)計(jì)生產(chǎn)的效率，有效縮短模具設(shè)計(jì)及生產(chǎn)周期。 當(dāng)今世界汽車(chē)行業(yè)普遍認(rèn)為，汽車(chē)車(chē)身沖壓成形技術(shù)是汽車(chē)制造技術(shù)的重要組成部分，每次汽車(chē)車(chē)身的更新?lián)Q代都需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)專(zhuān)用模具和增加必要的生產(chǎn)線。因此在沖壓生產(chǎn)中，如何提高沖壓生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，正確選取和采用新設(shè)備、新材料、新工藝等是沖壓技術(shù)中的主要課題。 眾所周知，車(chē)身的金屬件幾乎全部為沖壓件，而且汽車(chē)車(chē)身的更新?lián)Q代速度快。這就決定了沖壓成形技術(shù)在汽

8、車(chē)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中不僅影響制造周期，還直接影響成本和產(chǎn)品品質(zhì)。汽車(chē)車(chē)身沖壓成形技術(shù)的關(guān)鍵是沖壓工藝與模具技術(shù)。沖壓工藝的合理與否決定了模具調(diào)試的難易程度；模具設(shè)計(jì)決定了模具制造的難易程度及制造管理過(guò)程，因而直接影響模具制造成本和周期。汽車(chē)工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，也是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的象征[2]。其中汽車(chē)沖壓模具設(shè)計(jì)制造是一個(gè)關(guān)鍵。它代表了一個(gè)企業(yè)開(kāi)發(fā)和制造能力。車(chē)身覆蓋件模具的開(kāi)發(fā)對(duì)車(chē)身開(kāi)發(fā)的影響最大，其工作量要占車(chē)身開(kāi)發(fā)工作量的近70%。模具開(kāi)發(fā)的時(shí)間一般為8-12個(gè)月，也是影響車(chē)身開(kāi)發(fā)周期的最大因素。模具開(kāi)發(fā)的費(fèi)用也是一個(gè)大項(xiàng)。近年的國(guó)際形勢(shì)表明，沒(méi)有自主的研發(fā)能力，企業(yè)就不可能在激烈的市場(chǎng)

9、競(jìng)爭(zhēng)中生存下去。因此，必須提高自身的研發(fā)能力，以提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 盡管?chē)?guó)內(nèi)外已通過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，形成了較系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造規(guī)則和方法，但新技術(shù)的出現(xiàn)仍可能為沖壓工藝和模具技術(shù)的重大變革帶來(lái)機(jī)遇。特別指出的是，以CAD/CAE/CAM為特征的計(jì)算機(jī)技術(shù)在沖壓成形中的應(yīng)用不僅能引起傳統(tǒng)工藝流程在周期、成本和品質(zhì)方面的變化，而且使一些以前難以實(shí)現(xiàn)的工藝設(shè)想可能成為現(xiàn)實(shí)。 1計(jì)算機(jī)模擬沖壓成形理論 用于板料成形數(shù)值模擬的有限元方法分為彈(粘)塑性有限元法和剛(粘)塑性有限元法:粘塑性有限元法主要應(yīng)用于熱加工,而剛塑性有限元法在板料成形中

10、應(yīng)用有限[3]。目前,彈塑性有限元法在板料成形數(shù)值模擬中應(yīng)用較廣。用彈塑性有限元法分析板料成形問(wèn)題,不僅能計(jì)算工件的變形和應(yīng)力、應(yīng)變分布,而且還能計(jì)算工件的回彈和殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)變等。板料成形過(guò)程中由于板料與模具具有相對(duì)滑動(dòng)、粘著和脫落,所以必須控制增量步長(zhǎng)的大小,從而盡量反映真實(shí)情況。 1.1彈塑性有限元的基本理論 在塑性變形過(guò)程中,如果彈性變形不能忽略并對(duì)成形過(guò)程有較大的影響時(shí),則為彈塑性變形問(wèn)題,板料成形就屬于典型的彈塑性變形問(wèn)題。在彈塑性變形中,變形體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)較小,應(yīng)變與位移基本成線性關(guān)系時(shí),可認(rèn)為是小變形彈塑性問(wèn)題;而當(dāng)質(zhì)點(diǎn)的位移或轉(zhuǎn)動(dòng)較大,應(yīng)變與位移為非線性關(guān)系時(shí),則

11、屬于大變形彈塑性問(wèn)題;相應(yīng)地有小變形彈塑性有限元或大變形(有限變形)彈塑性有限元。 1.1.1小變形彈塑性有限元法 金屬塑性加工是不可逆的,因?yàn)樽冃喂Φ囊徊糠洲D(zhuǎn)變成熱能。材料的性質(zhì)與應(yīng)力和變形的歷史有關(guān),由加載的歷程決定的。因此,在原則上是不能用應(yīng)力應(yīng)變分量的全量形式來(lái)描述彈塑性變形的本構(gòu)關(guān)系,而應(yīng)該采用微分形式和增量理論來(lái)描述。小變形彈塑性有限元法以小變形理論為基礎(chǔ),忽略微元體的局部變形并認(rèn)為位移與應(yīng)變成線性關(guān)系,只適合分析金屬塑性成形的初期[4]。 1.1.2大變形彈性有限元法 變形體在外載荷作用下,經(jīng)變形后達(dá)到平衡,因此用現(xiàn)時(shí)位形的歐拉應(yīng)力表述平衡方程是很自然的。 1.2板料成

12、形數(shù)值模擬中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題 1.2.1材料模型 根據(jù)實(shí)際的塑性變形情況,選用相應(yīng)合理的有限元方法是至關(guān)重要的,這不僅影響模擬結(jié)果的精確度,也影響模擬的效率。對(duì)于涉及大位移的金屬成形,采用大變形彈塑性有限元法的模擬精度和效率均高于剛粘塑性有限元法。對(duì)于小位移的金屬成形,我們可以采用剛粘塑性(或剛塑性)材料模型,其模擬精度與大變形彈塑性模型基本相當(dāng),而模擬效率高于大變形彈塑性有限元法[5]。一般而言,采用彈塑性模型可以模擬金屬各類(lèi)成形方式,可以得到整個(gè)變形體內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變分布的實(shí)際情況,考察模具的受力、變形情況。而剛粘塑性(實(shí)際上也包括剛塑性)模型得到的應(yīng)力、應(yīng)變分布不全面,對(duì)剛性區(qū)的處理方式

13、不夠科學(xué)〕。 1.2.2單元模型 金屬板料的板厚與產(chǎn)品的曲面曲率相比往往很小。若采用實(shí)體單元,則為了獲得合理的結(jié)果,單元各邊的長(zhǎng)度應(yīng)與板料為同一量級(jí),單元總數(shù)很大。而采用殼體單元?jiǎng)t板面內(nèi)的單元可以不受板厚的限制,從而可減少單元數(shù)量。板和殼都是用來(lái)描述薄結(jié)構(gòu),只是板的中面是平面,而殼的中面可以是任意的曲面。在板料成形過(guò)程模擬,為了改善計(jì)算精度,通常采用殼理論進(jìn)行公式化,可將板看作殼的一種特殊情況。 1.2.3等效拉延筋模型 在板料拉深過(guò)程中,拉深件的質(zhì)量在很大程度上受到材料流動(dòng)控制的影響,為防止拉深件出現(xiàn)起皺縮頸等缺陷,常在模具上設(shè)置拉延筋來(lái)控制材料流動(dòng)。板料成形數(shù)值模擬中精確模擬拉延筋

14、的影響還是比較困難的,主要是因?yàn)槔咏畛叽巛^小,形狀復(fù)雜,要精確考慮板料與拉延筋的接觸,則必須將拉延筋模型劃分成非常細(xì)小的單元網(wǎng)格,這會(huì)增大很多計(jì)算工作量,因此這種做法是不現(xiàn)實(shí)的匯創(chuàng)。目前通常的做法是采用等效拉延筋模型,將拉延筋復(fù)雜的幾何形狀抽象為一條能承受一定約束力的附著在模具表面的一條拉延筋線,然后將拉延筋線離散成一系列的點(diǎn),或?qū)⑵潆x散成線單元,并將阻力按等效原則分配到相應(yīng)單元的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上,然后把等效力加到有限元整體剛度方程中進(jìn)行求解。 1.2.4回彈模型 回彈是板料沖壓成形過(guò)程中不可避免的現(xiàn)象,它的存在影響了零件成形的精度,增加了試模、修模以及成形后校形的工作量,故在生產(chǎn)實(shí)際中迫切需

15、要對(duì)此采取行之有效的措施?？紤]到在回彈過(guò)程中,模具己經(jīng)離開(kāi)工件,故實(shí)際上已不是接觸問(wèn)題,若再采用靜力平衡迭代方法,將不會(huì)出現(xiàn)收斂困難,也沒(méi)有穩(wěn)定性條件的限制,計(jì)算時(shí)間可大大縮短,因此大部分學(xué)者建議采用靜力隱式有限元算法,避免了采用動(dòng)力顯式積分算法[6],因?yàn)閯?dòng)力顯式計(jì)算中的最終穩(wěn)定靜止?fàn)顟B(tài)是由系統(tǒng)最低頻率的振動(dòng)所決定的,而且顯式算法中對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)△t的限制,會(huì)使回彈分析所需計(jì)算步數(shù)大大超過(guò)成形分析所需計(jì)算步數(shù)。隱式方法計(jì)算回彈的模型有兩種:無(wú)模法和有模法。 無(wú)模法:在成形結(jié)束時(shí),去除模具代之以接觸反力,進(jìn)行迭代計(jì)算,直到接觸力為零,適用于零件與沖壓成形模具脫離過(guò)程接觸邊界條件的非線性較弱,或者

16、沒(méi)有明顯的脫離過(guò)程的情況。 有模法:在成形結(jié)束時(shí),讓模具反向運(yùn)動(dòng),直到凸模完全與板料脫離為止。適用于在卸載過(guò)程中,零件與沖壓成形模具脫離過(guò)程存在明顯的非線性接觸邊界條件的情況。 1.2.5邊界條件 根據(jù)模具與變形工件的作用情況,工件的外表面可以分為自由表面和接觸表面兩大部分[3]。所謂自由表面即沒(méi)有與模具接觸的工件表面,該表面既沒(méi)有外力作用,又沒(méi)有位移速度的約束,實(shí)質(zhì)上自由面是p‘=0的應(yīng)力邊界,即該表面屬于應(yīng)力邊界表面s;,只不過(guò)這種零應(yīng)力條件對(duì)工件的變形沒(méi)有任何作用,同時(shí)在泛函外力功率計(jì)算項(xiàng)中,其值為零,因此可以不予考慮。 1.2.6摩擦力模型 工件變形是在與模具接觸面上受到的摩

17、擦力,對(duì)金屬材料流動(dòng)模型、工件幾何尺寸及內(nèi)部缺陷、模具受力狀態(tài)和總載荷、總能量都有很大的影響作用。同時(shí),塑性加工中的摩擦是在高壓、高溫條件下發(fā)生的,并且伴隨著工件的塑性變形,因此其機(jī)制十分復(fù)雜,影響因素多,如接觸面上的潤(rùn)滑條件、模具表面狀態(tài)、變形溫度以及材料化學(xué)成分、性能等。 1.2.7常用材料性能參數(shù)對(duì)成形的影響 l)屈服強(qiáng)度u:薄板材料首先表現(xiàn)出的可測(cè)的永久塑性變形時(shí)的工程應(yīng)力[3,7]。屈服強(qiáng)度決定了薄板材料成形時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形時(shí)所需的載荷,吼大,所需的成形力也就大,它對(duì)薄板材料的成形性能影響較小。 2)抗拉強(qiáng)度σb:薄板材料在單向拉伸試驗(yàn)中承受的拉力達(dá)到最大值時(shí),對(duì)應(yīng)的工程應(yīng)變

18、為抗拉強(qiáng)度?？估瓘?qiáng)度σb的大小決定了薄板成形中所能施加的最大載荷。σb愈大,沖壓成形時(shí)零件危險(xiǎn)斷面的承載能力愈高,其變形程度愈大。在材料與成形性能有關(guān)的其他性能大致相同時(shí), σb大的材料,其綜合成形性能好。 3)均勻伸長(zhǎng)率δ:單向拉伸試驗(yàn)中,薄板成形在拉力作用下由均勻變形發(fā)展為集中性變形,其轉(zhuǎn)折點(diǎn)的變形量為均勻伸長(zhǎng)率。均勻伸長(zhǎng)率的大小反映了薄板變形開(kāi)始發(fā)生頸縮時(shí)的變形量。因此,均勻伸長(zhǎng)率δ愈大,薄板變形時(shí)發(fā)生頸縮變形越遲,綜合成形性能越好。 4)應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)n:材料的應(yīng)力一應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系,可用冪次式近似表示為:。=AE”,其中冪指數(shù)被稱(chēng)為應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)。n值在數(shù)量上還等于(或近似等于)單向拉伸

19、時(shí)材料剛要出現(xiàn)頸縮時(shí)的實(shí)際應(yīng)變。在成形以拉伸為主的零件時(shí),n值小的材料,零件的厚度分布不均,表面粗糙,易于產(chǎn)生裂紋,n值大的材料,零件的厚度分布均勻,表面質(zhì)量較好,不易產(chǎn)生裂紋。因此,n值愈大,薄板的沖壓成形性能愈好。在成形以壓縮為主的零件時(shí),n值大的材料其應(yīng)變強(qiáng)化能力強(qiáng),使危險(xiǎn)斷面的承載能力得以強(qiáng)化,有利于改善薄板的成形性能。 5)厚向異性指數(shù)r:薄板制件的寬向?qū)嶋H應(yīng)變與厚向?qū)嶋H應(yīng)變之比。r值是金屬薄板沖壓成形中的極重要參數(shù),與n值一起可以作為評(píng)價(jià)薄板成形性能好壞的不可忽視的指標(biāo)。r值的大小反映了薄板成形時(shí)厚向變形發(fā)展的難易程度。r值愈大,材料愈不易在厚向發(fā)生變形,即愈不易變薄或增厚;r值

20、愈小,材料厚向變形愈容易,即愈易變薄或增厚。 1.3 Dynaform特點(diǎn)及其應(yīng)用的一般步驟 1.3.1沖壓CAE軟件的主要發(fā)展 目前沖壓CAE軟件發(fā)展迅速，主流軟件有AUTOFORM和DYNAFORM，CAE軟件一定程度上消弱了經(jīng)驗(yàn)在模具開(kāi)發(fā)中所起的作用，但是也存在某些不足之處。今后沖壓CAE軟件的主要發(fā)展方向如下[2,5]： (1)提高分析準(zhǔn)確性 為了繼續(xù)提高分析的準(zhǔn)確性，需要發(fā)展與應(yīng)用新的本構(gòu)方程、破壞準(zhǔn)則和摩擦模型，特別是對(duì)于某些新材料的本構(gòu)模型，為此還需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外，必須提高回彈與殘余應(yīng)力計(jì)算的準(zhǔn)確性。 (2)提高分析能力 隨著仿真技術(shù)在模具設(shè)

21、計(jì)中的應(yīng)用不斷增加，需要進(jìn)行分析的成形情況也越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)仿真技術(shù)的能力也提出了越來(lái)越高的要求。今后的數(shù)值仿真不僅可以分析剛性模條件下的成形，而且可以分析模具本身的變形，這樣可以提高在接觸區(qū)的起皺預(yù)測(cè)水平。 (3)提高優(yōu)化能力 當(dāng)前的成形模擬還主要用來(lái)作為虛擬實(shí)驗(yàn)來(lái)代替實(shí)際的模具調(diào)試過(guò)程，不能用來(lái)作為優(yōu)化工具。借助數(shù)學(xué)上利用敏感度分析實(shí)現(xiàn)多參數(shù)優(yōu)化的方法，可以對(duì)板材成形進(jìn)行優(yōu)化分析，得到最佳的板材形狀，壓邊力，拉深筋位置等成形參數(shù)有限元模擬與CAD環(huán)境的雙向嵌入是一個(gè)必然的趨勢(shì)。 1.3.2 Dynaform軟件簡(jiǎn)介 eta/DYNAFORM5.7是由美國(guó)工程技術(shù)聯(lián)合公司

22、（ENGINEERING TECHNOLOGY ASSOCIATES,INC.）開(kāi)發(fā)的一個(gè)基于LS-DYNA的板料成形模擬軟件包[8]。作為一款專(zhuān)業(yè)的CAE軟件，eta/DYNAFORM綜合了LS-DYNA971強(qiáng)大的板料成形分析功能以及自身強(qiáng)大的流線型前后處理功能。它主要應(yīng)用于板料成形工業(yè)中模具的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，可以幫助模具設(shè)計(jì)人員顯著減少模具開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)間和試模周期。eta/DYNAFORM不但具有良好的易用性，而且包括了大量的智能化工具，可方便地求解各類(lèi)板料成形問(wèn)題。同時(shí)，eta/DYNAFORM也最大限度地發(fā)揮了傳統(tǒng)CAE技術(shù)的作用，減少了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本和周期。 在板料成形過(guò)程中，一般來(lái)說(shuō)

23、模具開(kāi)發(fā)周期的瓶頸往往是對(duì)模具設(shè)計(jì)的周期很難把握。然而，eta/DYNAFORM恰恰解決了這個(gè)問(wèn)題，它能夠?qū)φ麄€(gè)模具開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行模擬，因此業(yè)就大大減少了模具的調(diào)試時(shí)間，降低了生產(chǎn)高質(zhì)量覆蓋件和其它沖壓件的成本，并且能夠有效地模擬板料成形過(guò)程中四個(gè)主要工藝過(guò)程，包括：壓邊、拉延、回彈和多工步成形。這些模擬讓工程師能夠在設(shè)計(jì)周期的早期階段對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可行性進(jìn)行分析。 eta/DYNAFORM具有良好的工具表面數(shù)據(jù)特征，因此可以比較好地預(yù)測(cè)覆蓋件沖壓成形過(guò)程中板料的破裂、起皺、減薄、劃痕、回彈，評(píng)估板料的成形性能，從而為板料成形工藝及模具設(shè)計(jì)提供幫助。 DYNAFORM主要模塊有面向?qū)嶋H工藝過(guò)程

24、的自動(dòng)設(shè)置模塊（AUTOSETUP）、回彈補(bǔ)償模塊（SCP）、模具系統(tǒng)分析模塊（DSA）、拉延筋模塊、更加強(qiáng)大的模面工程模塊（DFE）、增強(qiáng)的坯料工程模塊（BSE）、彎管模塊等，支持Windows和Unix系統(tǒng)[2]。 1.3.3應(yīng)用Dynaform模擬板料成形的流程 (l)讀入零件幾何模型并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分 由于dynaform只適合對(duì)比較簡(jiǎn)單的零件進(jìn)行造型,所以一般用三維CAD軟 件(如Pro膽、UG)進(jìn)行零件造型,零件保存成dynaform可以識(shí)別的格式(IGES,STL或DXF等)后到如Dynaform,將其進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分,利用dynaform提供的功能將板料

25、展開(kāi),對(duì)配料劃分網(wǎng)格,并根據(jù)擬定或初定的成形方案,生成工藝補(bǔ)充面,建立對(duì)應(yīng)的凸模和凹模的型面模型,以及壓邊圈等模具零件的面模型,并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 (2)定義毛坯和成形工具以及其屬性。 在dynaform中定義毛坯時(shí),材料屬性可以用18、24、36、37、39號(hào)材料模式來(lái)模擬,18號(hào)材料是冪指數(shù)塑性各向同性材料模型,24號(hào)材料時(shí)分段線形材料模型,目前使用較多的時(shí)36號(hào)或37號(hào)材料來(lái)進(jìn)行沖壓成形分析,36號(hào)材料為各向異材料,平面應(yīng)力狀態(tài)、屈服應(yīng)力為指數(shù)硬化方式;37號(hào)材料是厚向異性彈塑性材料模型,而39號(hào)材料是帶FLD(成形極限圖)的厚向異性彈塑性材料模型,如果毛坯是對(duì)稱(chēng)的話,還需要設(shè)置邊界條

26、件。對(duì)工具來(lái)說(shuō),dynaform都是采用剛體材料和殼單元來(lái)進(jìn)行仿真,輸入實(shí)際的模具密度、彈性模量和泊松比,并選擇則壓力機(jī)的類(lèi)型(單動(dòng)或者雙動(dòng)) (3)調(diào)整毛坯與各個(gè)工具的相對(duì)位置 調(diào)整毛坯與各個(gè)工具的相對(duì)位置,并設(shè)置運(yùn)動(dòng)工具的沖壓速度,壓邊力,通過(guò)動(dòng)畫(huà)觀察工具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),保證沖壓動(dòng)作的正確性。 (4)求解器計(jì)算 在生成求解器輸入文件前,還應(yīng)設(shè)置求解器參數(shù),如自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、輸出 控制參數(shù)等。然后由板料成形數(shù)值模擬軟件生成求解器的輸入文件,提交給求解器進(jìn)行計(jì)算。 (5)后置處理 將求解結(jié)果讀入Dynaform后處理器(eta/PostGL)中,以云圖、等值線和動(dòng) 畫(huà)等形式顯示

27、數(shù)值模擬結(jié)果。 2汽車(chē)覆蓋件概述 2.1 覆蓋件簡(jiǎn)介 覆蓋件主要指覆蓋汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤(pán)、構(gòu)成駕駛室及構(gòu)成車(chē)身的一些零件，如轎車(chē)的擋泥板、頂蓋、車(chē)門(mén)外板、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、水箱蓋、行李箱蓋、骨架等[9,10]。覆蓋件組裝后構(gòu)成了車(chē)身或駕駛室的全部外部和內(nèi)部形狀，它既是外觀裝飾性零件，又是封閉薄殼的受力零件。覆蓋件的制造是汽車(chē)車(chē)身制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 覆蓋件表面一般都具有裝飾性，除考慮好用、好修、好造外，要求美觀大方。 2.2覆蓋件結(jié)構(gòu)特征 車(chē)身覆蓋件多數(shù)是空間復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)、形狀復(fù)雜，從而決定其沖壓成形過(guò)程中的變形復(fù)雜性，不易分析與掌握沖壓變形規(guī)律，而且出現(xiàn)的成形質(zhì)量問(wèn)題也較多。覆蓋件有較高的連接

28、要求、結(jié)構(gòu)尺寸較大、表面質(zhì)量要求高、剛性好等特點(diǎn)[11]。 圖2-1是幾個(gè)典型的汽車(chē)覆蓋件簡(jiǎn)圖。沖結(jié)構(gòu)形狀及尺寸上看，這類(lèi)零件的主要特點(diǎn)有： 右側(cè)圍B柱外板 左后側(cè)圍外板 背門(mén)外板 背門(mén)內(nèi)板 頂蓋外板 駕駛室頂蓋縱梁支架 圖2-1幾種典型的汽車(chē)覆蓋件簡(jiǎn)圖 ① 零件總體尺寸大。如某車(chē)身頂蓋板沖壓所需坯料尺寸大2800mm×2500mm； ② 相對(duì)厚度小。車(chē)身覆蓋件沖壓用鋼板厚度范圍通常在0.8mm～1.4mm，相對(duì)板料在長(zhǎng)度和寬度兩個(gè)方向

29、的尺寸就很小了。 ③ 形狀復(fù)雜。車(chē)身覆蓋件形狀一般是許多形狀復(fù)雜的空間曲面構(gòu)成，具有復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)，難以用簡(jiǎn)單的幾何方程去描述。 ④ 輪廓帶有局部形狀 2.3 覆蓋件成形分類(lèi) 汽車(chē)覆蓋件的沖壓成形分類(lèi)以零件上易破裂或起皺部位材料的主要變形方式為依據(jù),并根據(jù)成形零件的外形特征、變形量大小、變形特點(diǎn)以及對(duì)材料性能的不同要求,可將汽車(chē)覆蓋件沖壓成形分為五類(lèi):深拉深成形類(lèi)、脹形拉深成形類(lèi)、淺拉深成形類(lèi)、彎曲成形類(lèi)和翻邊成形類(lèi)[10,11]。 2.4 覆蓋件的主要成形缺陷及防止措施 由于覆蓋件形狀復(fù)雜，多為非軸對(duì)稱(chēng)、非回轉(zhuǎn)體的復(fù)雜曲面形狀零件，因而決定了拉深時(shí)的變形不均勻，所以拉深時(shí)的起皺和

30、開(kāi)裂是主要成形障礙。 ①起皺及防皺措施 原因：覆蓋件的拉深過(guò)程中，當(dāng)板料與凸模剛開(kāi)始接觸，板面內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力，隨著拉深的進(jìn)行，當(dāng)壓應(yīng)力超過(guò)允許值時(shí)，板料就會(huì)失穩(wěn)起皺。 防皺措施： 解決的辦法是增加工藝補(bǔ)充材料或設(shè)置拉深筋。 ②開(kāi)裂及防裂措施 原因：是由于局部拉應(yīng)力過(guò)大造成的，由于局部拉應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致局部大的脹形變形而開(kāi)裂。位置:開(kāi)裂主要發(fā)生在圓角部位，開(kāi)裂部位的厚度變薄很大如凸模與坯料的接觸面積過(guò)小、拉深阻力過(guò)大等都有可能導(dǎo)致材料局部脹形變形過(guò)大而開(kāi)裂 。防裂措施：為了防止開(kāi)裂，應(yīng)從覆蓋件的結(jié)構(gòu)、成形工藝以及模具設(shè)計(jì)多方面采取相應(yīng)的措施。 ③覆蓋件的成形障礙的防止措施

31、 覆蓋件的結(jié)構(gòu)上，可采取的措施有：各圓角半徑最好大一些、曲面形狀在拉深方向的實(shí)際深度應(yīng)淺一些、各處深度均勻一些、形狀盡量簡(jiǎn)單且變化盡量平緩一些等。 拉深工藝方面，可采取的主要措施有：拉深方向盡量使凸模與坯料的接觸面積大、合理的壓料面形狀和壓邊力使壓料面各部位阻力均勻適度、降低拉延深度、開(kāi)工藝孔和工藝切口等 （如圖2-2所示）。模具設(shè)計(jì)上，可采取設(shè)計(jì)合理的拉深筋、采用較大的模具圓角、使凸模與凹模間隙合理等措施。 圖2-2工藝孔和工藝切口 ④ 從汽車(chē)覆蓋件沖壓工藝設(shè)計(jì)依據(jù)到設(shè)計(jì)原則的分析，確定了正確的汽車(chē)覆蓋件沖壓工藝的方案，汽車(chē)整車(chē)外形是由許多輪廓尺寸

32、較大且具有空間曲面形狀的覆蓋件焊接而成的。因此，此類(lèi)覆蓋件與一般薄板沖壓件相比，具有材料相對(duì)厚度小，形狀復(fù)雜，尺寸精度和表面質(zhì)量都有較高要求。即覆蓋件表面平滑，棱線清晰，空間曲面形狀合理，不允許有皺紋，劃傷，拉毛等表面缺陷。而整車(chē)表面質(zhì)量的好壞取決于覆蓋件的沖壓。這就決定了覆蓋件拉深工藝的編制到?jīng)_壓模的設(shè)計(jì)，必須全面仔細(xì)地考慮，才能有效地避免覆蓋件的起皺、開(kāi)裂、拉毛回彈現(xiàn)象。 3覆蓋件沖壓成形工藝設(shè)計(jì) 覆蓋件的沖壓工藝包括拉深、修邊、翻邊等多道工序，確定沖壓方向應(yīng)從拉深工序開(kāi)始，然后制定以后各工序的沖壓方向[10]。應(yīng)盡量將各工序的沖壓方向設(shè)計(jì)成一致。 3.1覆蓋件拉深工藝設(shè)計(jì)的

33、依據(jù)。 （1）選用合理經(jīng)濟(jì)的覆蓋件的材料 　 汽車(chē)覆蓋件的拉深工藝是以金屬的塑性性能為基礎(chǔ)的沖壓加工方法，因此，一般選用屈服點(diǎn)σs和屈服強(qiáng)度比σs/σb較低，而伸長(zhǎng)率δ、厚向異性指數(shù)n 較高的薄板材料。目前汽車(chē)覆蓋件常用的材料有0.5~1.5mm的08F或08AL冷軋鋼板，這些材料基本上能滿(mǎn)足拉深的表面質(zhì)量要求。 （2）為了保證覆蓋件幾何形狀的一致性，不影響表面 質(zhì)量，應(yīng)盡可能在一道拉深工序中完成覆蓋件全部空間曲面形狀（包括筋條、鼓包等） （3）覆蓋件的拉深深度在符號(hào)產(chǎn)品尺寸的條件下盡可能平緩均勻，讓各處的變形程度趨于一致。 （4）覆蓋件的主要結(jié)構(gòu)面上如果有急劇的凸凹槽和較深的鼓包等局部形

34、狀。在制定拉深工藝時(shí)，可以加大過(guò)渡區(qū)域或過(guò)渡圓角、工藝切口等方法，改善材料的流動(dòng)和補(bǔ)充條件。 （5）適當(dāng)?shù)卦O(shè)置拉深筋、拉深檻和合適的壓料面，達(dá)到完好的效果。 （6）覆蓋件上的孔一般應(yīng)在零件拉深成形后沖 3.2拉深工序的工藝處理 3.2.1、拉深方向的選擇 (1)拉深沖壓方向?qū)畛尚蔚挠绊? 凸模能否進(jìn)入凹模、對(duì)破裂和起皺的影響等。 (2)拉深方向選擇的原則 ①保證能將拉深件的所有空間形狀（包括棱線、肋條、和鼓包等）一次拉深出來(lái)，不應(yīng)有凸模接觸不到的死角或死區(qū)。 如圖a，若選擇沖壓方向A，則凸模不能全部進(jìn)入凹模,造成零件右下部的a區(qū)成為“死區(qū)”,不能成形出所要求的形狀。選擇沖

35、壓方向B后,則可以使凸模全部進(jìn)人凹模,成形出零件的全部形狀。 圖b)是按拉深件底部的反成形部分最有利干成形面確定的拉深方向,若改變拉深方向則不能保證90°角。 圖3-1拉深方向確定實(shí)例 ②有利于降低拉深件的深度。 拉深深度太深,會(huì)增加拉深成形的難度,容易產(chǎn)生破裂、起皺等質(zhì)量問(wèn)題；拉深深度太淺,則會(huì)使材料在成形過(guò)程中得不到較大的塑性變形，覆蓋件剛度得不到加強(qiáng)。 ③盡量使拉深深度差最小。 以減小材料流動(dòng)和變形分布的不均勻性（如圖3-2)。 圖3-2拉深深度與拉深方向 ④保證凸模開(kāi)始拉深時(shí)與拉深毛坯有良好的接觸狀態(tài)。 開(kāi)始

36、拉深時(shí)凸模與拉深毛坯的接觸面積要大，接觸面應(yīng)盡量靠近沖模中心（如圖3-3）。 圖3-3 凸模開(kāi)始拉深時(shí)與拉深毛坯的接觸狀態(tài)示意圖 3.3.2、壓料面的設(shè)計(jì) 正確確定壓料面的形狀： 　 壓料面是覆蓋件工藝補(bǔ)充面的一個(gè)組成部分，即位于凹模圓角半徑以外的那一部分毛坯[9]。拉深前，壓料圈將要拉深的毛坯壓緊在凹模壓料面上，不形成皺紋或折痕，在拉深過(guò)程中，壓料面逐步進(jìn)入凹模型腔內(nèi)。同時(shí)，盡可能降低拉深深度，保證進(jìn)入凹模里的材料不皺不裂，獲得合格的拉深件。因此，確定壓料面要做到如下幾點(diǎn)： ① 壓料面盡可能為平面、圓柱面、圓錐面或曲率很小的雙曲面等可展面，當(dāng)毛坯

37、被壓緊時(shí)，不應(yīng)該產(chǎn)生皺紋或扭曲現(xiàn)象，以便材料向凹模內(nèi)順利流動(dòng)。 ② 壓料面與拉深凸模的形狀應(yīng)保持一定的幾何關(guān)系。保證在拉深過(guò)程毛坯始終處于拉脹狀態(tài)，拉入凹模內(nèi)的材料不會(huì)“多料”，也就不會(huì)產(chǎn)生皺紋。為此，必須滿(mǎn)足如下關(guān)系： 　L>L1，α>β 式中L——凸模形狀展開(kāi)長(zhǎng)度 　　　　L1——凹?？谝?xún)?nèi)壓撩面展開(kāi)長(zhǎng)度 　　　　α——凸模夾角 　　　　β——壓料面夾角 　　明確壓料面展開(kāi)長(zhǎng)度與圖模展開(kāi)長(zhǎng)度的關(guān)系 凸模夾角與壓料面夾角的關(guān)系 ③ 同時(shí)，為了使壓料可靠，壓料面與拉深方向之間的夾角θ一定是θ≥600=900最理想的狀態(tài)。 壓料面是工藝補(bǔ)充部分組成的一個(gè)重要部分，即凹模圓角半徑以外的

38、部分。壓料面的形狀不但要保證壓料面上的材料不皺，而且應(yīng)盡量造成凸模下的材料能下凹以降低拉深深度，更重要的是要保證拉入凹模里的材料不皺不裂。因此，壓料面形狀應(yīng)由平面、圓柱面、雙曲面等可展面組成，如圖3-4示。 確定壓料面形狀必須考慮以下幾點(diǎn)： （1）降低拉深深度 圖3-5示是降低拉深深度的示意圖。 （2）凸模對(duì)毛坯一定要有拉伸作用 只有使毛坯各部分在拉深過(guò)程中處于拉伸狀態(tài)，并能均勻地緊貼凸模，才能避免起皺，如圖3-6 平面；2-圓柱面；3-圓錐面；4-直曲面 圖3-4料面形狀 1- 壓邊圈；2-凹模

39、；3-凸模 圖3-5 壓料面與沖壓方向的關(guān)系 圖3-6毛坯成拉伸狀態(tài) 3.3工藝補(bǔ)充部分的設(shè)計(jì) 3.3.1合理增加工藝補(bǔ)充面 工藝補(bǔ)充面的作用在于改善拉深覆蓋件拉深時(shí)的工藝條件，使材料各處變形均勻，也是拉深后修邊和翻邊工序的需要。因工藝補(bǔ)充面在拉深后被修掉，所以盡量少用工藝補(bǔ)充面，為了節(jié)約材料。同時(shí)，尺寸滿(mǎn)足的情況下，盡量采用淺拉深，讓制件容易成形。工藝補(bǔ)充面就可以改善了拉深條件。拉深件無(wú)直壁部分，在拉深過(guò)程中斜壁部分容易起皺形成波紋。如在拉深件工藝補(bǔ)充面上直壁段，在拉深此段時(shí)增大改善拉深條件可增大進(jìn)料阻力，使毛坯緊貼凸模成形，這樣減少或消除斜壁的起皺

40、。 為了實(shí)現(xiàn)覆蓋件的拉深，需要將覆蓋件的孔、開(kāi)口、壓料面等結(jié)構(gòu)根拉深工序的要求進(jìn)行工藝處理，這樣的處理稱(chēng)為工藝補(bǔ)充。如圖3-7的工藝補(bǔ)充。 工藝處理的內(nèi)容包括：確定壓料面形狀、工藝補(bǔ)充、翻邊的展開(kāi)、沖工藝孔和工藝切口等內(nèi)容，是針對(duì)拉深工藝的要求對(duì)覆蓋件進(jìn)行的工藝處理措施。 3.3.2工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)的原則： （1）內(nèi)孔封閉補(bǔ)充原則（為防止開(kāi)裂采用與沖孔或工藝切口除外）； （2）簡(jiǎn)化拉深件結(jié)構(gòu)形狀原則（如圖3-8） （3）對(duì)后工序有利原則（如對(duì)修邊、翻邊定位可靠，模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單） 圖3-7工藝補(bǔ)充示意圖 　　 a) 　　

41、 　　 b) 　 c) a)簡(jiǎn)化輪廓形狀；b)增加局部側(cè)壁高度；c)簡(jiǎn)化壓料面形狀 圖3-8簡(jiǎn)化拉深件結(jié)構(gòu)形狀 3.4、拉深筋設(shè)置 拉深筋在汽車(chē)覆蓋件的拉深成形中占有非常重要的地位。在很多情況下，拉深筋的設(shè)置是否合理甚至決定著沖壓成形的成敗。因此，拉深筋的設(shè)計(jì)是汽車(chē)覆蓋件拉深件設(shè)計(jì)的一項(xiàng)主要內(nèi)容。由于拉深毛坯實(shí)際受到的力與拉深筋的參數(shù)有著很大的關(guān)系：拉深筋高度越高，拉深筋的圓弧半徑越小，筋與壓料面間的過(guò)渡圓角半徑越小，都會(huì)使得毛坯受到的徑向拉應(yīng)力增加。所以說(shuō)，拉深筋的設(shè)計(jì)要考慮選擇哪種類(lèi)型的拉深筋、如何布置拉深筋、以及拉深筋的各參數(shù)的大小如何

42、確定等問(wèn)題。 1）拉深筋在覆蓋件拉深成形中的作用 在拉深件的成形過(guò)程中，毛坯受的力一部分來(lái)源于沖壓設(shè)備傳遞給凸模的作用力，一部分來(lái)源于壓料面的作用力，其中壓料面作用力占有較大的比例。而壓料面的作用力的大小主要是由拉深筋的參數(shù)決定的。因此，在汽車(chē)覆蓋件的成形中，拉深筋起著舉足重輕的作用： （1）增大進(jìn)料阻力。壓料面上的毛坯在通過(guò)拉深筋時(shí)要經(jīng)過(guò)數(shù)次彎曲和反彎曲，使毛坯向凹模內(nèi)流動(dòng)的阻力大大增加，也使凹模內(nèi)部的毛坯在較大的拉力作用下產(chǎn)生較大的塑性變形，從而可以提高覆蓋件的剛度和減少由于變形不足而產(chǎn)生的回彈、松弛、扭曲、波紋及收縮等，防止拉深成形時(shí)懸空部位的起皺和畸變。 （2）調(diào)節(jié)進(jìn)料阻力的分

43、布。通過(guò)改變壓料面上不同部位拉深筋的參數(shù)，可以改變不同部位的進(jìn)料阻力的分布，從而控制壓料面上各部位材料向凹模內(nèi)流動(dòng)的速度和進(jìn)料量，滿(mǎn)足毛坯塑性變形和塑性流動(dòng)的要求，調(diào)節(jié)拉深件各變形區(qū)的拉力及其分布，使各變形區(qū)按需要的變形方式、程度變形。 （3）可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)進(jìn)料阻力的大小。 （4）降低對(duì)壓料面的要求。減少壓料面積，減少毛坯材料的消耗。 （5）降低對(duì)壓邊力的要求。 （6）拉深筋外側(cè)已經(jīng)起皺的板料通過(guò)拉深筋時(shí)可以得到一定程度矯平。 2）拉深筋的種類(lèi) 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的情況，拉深筋可以分為鑲?cè)胧嚼罱詈驼w切削式拉深筋（此形式優(yōu)先使用）兩類(lèi)。每類(lèi)從筋數(shù)量上又可以分為單筋和重筋兩種。根

44、據(jù)斷面形狀，拉深筋又可分為圓筋（包括半圓筋、劣半圓筋和優(yōu)半圓筋）、矩形筋、三角筋和拉深檻等。 單筋中，一般情況下，圓筋產(chǎn)生的阻力最小，拉深檻產(chǎn)生的阻力較大，常用于允許有較大進(jìn)料量的沖壓成形工藝或沖壓成形部位。而矩形筋、三角筋產(chǎn)生的阻力更大，一般用于不允許進(jìn)料或只允許少量進(jìn)料沖壓件的成形部位。重筋包括雙筋和三重筋，本身形式多為圓筋。在相同幾何參數(shù)的前提下，重筋產(chǎn)生的阻力要大于單筋，三重筋要大于雙筋。因此重筋多用于需要拉深筋阻力較大的成形工藝或沖壓件中不允許進(jìn)料或少量進(jìn)料的部位。但有的情況下，雖然沖壓件的某些部位允許有較大的進(jìn)料量，但為了保證毛坯進(jìn)入凹模時(shí)的平整，也可以設(shè)置高度較小的重筋。由于拉

45、深筋比拉深檻在采用的數(shù)量、形式及調(diào)節(jié)阻力等方面都更靈活方便，因此應(yīng)用比較廣泛。在拉深成形中使用最多的是圓形筋和矩形筋。圖3-9中給出了三種筋的斷面形狀和各部分尺寸標(biāo)注： 圖3-9常用拉深筋種類(lèi) 3）拉深筋的設(shè)計(jì) （1）拉深筋形式的確定 在設(shè)置拉深筋時(shí)，選擇單筋還是雙筋除了考慮筋產(chǎn)生的阻力之外，還要從表3.1中的幾個(gè)因素出發(fā)來(lái)考慮。如果都為單筋，影響拉深筋阻力的各種影響因素中則以筋形式、筋參數(shù)最大。不同形式的拉深筋產(chǎn)生的阻力不同，在筋參數(shù)相同的情況下，拉深筋阻力的次序依次是：雙筋、矩形筋、拉深檻、圓筋。所以，要根據(jù)不同的拉深情況選擇不同形式的拉深筋。 表3.1單筋和

46、重筋的特點(diǎn) 名稱(chēng) 單筋 重筋 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn)單，便于修改拉深筋參數(shù) 復(fù)雜，加工難度大，修正困難 寬 度 較小，模具尺寸小 較大，模具、毛坯尺寸大 使用壽命 較短 較長(zhǎng) 精度要求 對(duì)壓料面精度要求高 對(duì)壓料面精度要求低 沖壓件質(zhì)量 沖壓件表面質(zhì)量不如重筋 可獲得較高的表面質(zhì)量 （2）拉深筋幾何參數(shù)的確定 當(dāng)拉深筋的形式定下來(lái)后，在沖壓生產(chǎn)中筋阻力的進(jìn)一步調(diào)整則需要以調(diào)整筋參數(shù)為主。筋參數(shù)中對(duì)筋阻力影響較大的是筋圓角半徑和筋高。筋越高，筋阻力越大；筋圓角半徑越小，筋阻力越大。對(duì)于圓角半徑較小的筋，易出現(xiàn)板料在筋內(nèi)的卡死自鎖現(xiàn)象。此外，改變筋的圓角半徑

47、比改變壓邊力引起的筋約束力的變化要靈敏的多。由于拉深筋的重要作用和對(duì)它們進(jìn)行修改操作的方便性決定了模具設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程中，調(diào)整拉深筋的幾何參數(shù)成為獲得滿(mǎn)意沖壓件經(jīng)常采用的手段，具體的調(diào)整方法見(jiàn)表3.2。 表3.2 拉深筋調(diào)整方法 調(diào)整目的 調(diào)整手段 拉深筋提供足夠的拉深阻力 增大筋高，減小拉深筋和筋槽的半徑 沖壓件具有較高的成形和表面質(zhì)量 增大筋高，增大拉深筋和筋槽的半徑 提高拉深筋壽命 避免拉深筋和筋槽半徑過(guò)小，同時(shí)增大筋高 有利于拉深筋的加工和調(diào)整 著重考慮拉深筋的高度 4）拉深筋的布置 拉深筋的數(shù)量以及位置主要由覆蓋件的外形和拉深深度來(lái)確定。首先，布置拉深筋時(shí)一定

48、要保證拉深筋的方向與拉深毛坯的流動(dòng)方向垂直。為了便于材料定位，一般將拉深筋設(shè)置在上壓料面上，拉深筋槽設(shè)置在下壓料面上。拉深筋的設(shè)置，遵循在曲率小的區(qū)域設(shè)置較大阻力拉深筋，曲率大的區(qū)域設(shè)置較小阻力的拉深筋或不設(shè)拉深筋的原則。目的不同，拉深筋的布置也不同，其具體的布置原則見(jiàn)表3.3。 除了要考慮目的，拉深筋位置的確定還要根據(jù)拉深件的形狀特點(diǎn)、拉深深度、材料的流動(dòng)情況以及凹?？诘男螤畹纫蛩貋?lái)確定。表3.4列出了拉深件的不同輪廓形狀所對(duì)應(yīng)的拉深筋的布置方法。 表3.3 拉深筋布置的主要原則 作用和要求 布置原則 增加進(jìn)料阻力，提高材料變形程度 放整圈或間斷的1條拉深檻或1到3條拉深筋 增

49、加徑向拉應(yīng)力，降低切向壓應(yīng)力，防止毛坯起皺 在容易起皺的部位設(shè)置局部的短筋；圓角和直邊都有筋時(shí)，筋高可不同 調(diào)整進(jìn)料阻力和進(jìn)料量 1.拉深深度大的直線部位，放1-3條拉深筋 2.拉深深度大的圓弧部位，不放拉深筋 3.拉深深度相差較大時(shí)，在深的部位不設(shè)拉深筋，淺的部位設(shè)拉深筋 另外，當(dāng)布置非封閉的雙重或多重拉深筋時(shí)，拉深筋的末端尺寸關(guān)系一般是里面的筋比外面的筋長(zhǎng)40mm。 表3.4根據(jù)拉深件輪廓形狀進(jìn)行拉深筋布置的方法 輪廓形狀 要求 布置方法 大外凸圓弧 補(bǔ)償變形阻力不足 設(shè)置深長(zhǎng)筋 大內(nèi)凹圓弧 1.補(bǔ)償變形阻力不足， 2.控制拉深時(shí)相鄰的外凸圓弧部分的材料向

50、此部分流動(dòng)的量，避免起皺。 設(shè)置1條長(zhǎng)筋和2條短筋 小外凸圓弧 塑性流動(dòng)阻力大，應(yīng)讓材料有可能向直線區(qū)進(jìn)行一定的分流 1.不設(shè)拉深筋 2.相鄰筋的位置與凸圓弧保持80到120的夾角 小內(nèi)凹圓弧 將兩相鄰側(cè)面擠過(guò)來(lái)的多余材料延展開(kāi)，保證壓料面下的毛坯處于良好狀態(tài) 1.沿凹?？诓辉O(shè)拉深筋 2.在離凹?？谳^遠(yuǎn)的設(shè)置兩段短筋 直 線 補(bǔ)償變形阻力不足 根據(jù)直線長(zhǎng)短設(shè)置1-3條拉深筋，（長(zhǎng)者多設(shè)，并呈塔形分布，短者少設(shè)） 4頂蓋工藝設(shè)計(jì) 頂蓋是典型的汽車(chē)覆蓋件之一，一般都帶有裝飾性，要求美觀大方，例如帶有連貫性裝飾棱線，裝飾筋條，裝飾凹坑，加強(qiáng)筋等。表面不允許有皺紋、凹

51、痕、擦傷以及其他破壞表面美感的缺陷。依據(jù)頂蓋成形工藝方案，同時(shí)考慮模具加工、維修、調(diào)整的可行性，確定了頂蓋模具結(jié)構(gòu)形式。通過(guò)對(duì)頂蓋拉深模、修邊模、翻邊模設(shè)計(jì)的關(guān)健技術(shù)進(jìn)行探討和對(duì)在模具調(diào)試過(guò)程中沖壓件發(fā)生的拉裂、起皺等缺陷問(wèn)題進(jìn)行分析，提出了解決缺陷的措施。 4.1 產(chǎn)品數(shù)據(jù)資料 汽車(chē)頂蓋示意圖見(jiàn)圖4-1. 圖4-1.汽車(chē)頂蓋示意圖 頂蓋所用材料：DC04,料厚：1.00mm,其成型類(lèi)型：?jiǎn)蝿?dòng)拉延。生產(chǎn)批量：大批量； 其數(shù)據(jù)格式：CatiaTIgs；其拉延設(shè)備：LS4-2000T；所用分析軟件：DYNAFORM 5.7.3 頂蓋試件坯料尺寸：166

52、0*1350*1.0；模具（沖壓）中心：X：1600 、Y：1750 、Z：1800 4.2頂蓋成形存在的問(wèn)題 頂蓋屬于大型汽車(chē)覆蓋件，國(guó)外研究機(jī)構(gòu)現(xiàn)已發(fā)展到對(duì)頂蓋成形的“虛擬設(shè)計(jì)”階段，即在計(jì)算機(jī)上模擬頂蓋拉深成形過(guò)程，從而觀察材料受力和變形的情況、材料流動(dòng)和材料變薄的程度，以確定合理的工藝參數(shù)和模具設(shè)計(jì)參數(shù)，來(lái)完善沖壓工藝和模具設(shè)計(jì)。雖然計(jì)算機(jī)分析與仿真技術(shù)(CAE)己經(jīng)能在工程實(shí)際中幫助解決傳統(tǒng)方法難以解決的模具設(shè)計(jì)和沖壓工藝設(shè)計(jì)難題，如拉裂預(yù)測(cè)、回彈計(jì)算和起皺預(yù)測(cè)等，但由于頂蓋類(lèi)沖壓件的沖壓成形過(guò)程包含十分復(fù)雜的物理現(xiàn)象，各種參數(shù)如拉深工藝補(bǔ)充面、壓料面形狀、拉深筋布置、制件的側(cè)壁

53、形狀、潤(rùn)滑條件、拉深方向及工藝圓角等的確定，還需大量的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)積累。因此，國(guó)外頂蓋類(lèi)沖壓件的成形CAE技術(shù)有待進(jìn)一步完善和實(shí)用化。我國(guó)汽車(chē)車(chē)身開(kāi)發(fā)領(lǐng)域CAD/CAE的應(yīng)用，多數(shù)廠家正處于開(kāi)發(fā)階段，尚未完全在開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)用。車(chē)型的模具開(kāi)發(fā)沒(méi)有達(dá)到數(shù)據(jù)化。各類(lèi)型數(shù)據(jù)庫(kù)和典型沖壓件的工藝參數(shù)，尚未建立。另外，國(guó)內(nèi)模具產(chǎn)業(yè)不發(fā)達(dá)，對(duì)經(jīng)驗(yàn)積累極為不利。設(shè)計(jì)水平低、制造及調(diào)試周期長(zhǎng)，嚴(yán)重阻礙了汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展。 4.3頂蓋沖壓成形工藝分析及工藝確定 頂蓋產(chǎn)品質(zhì)量要求制件外觀光順平滑，不允許有波紋、皺紋，凹陷、拉痕以及其它破壞表面美感的缺陷。制件的裝飾棱線，要求清晰、平滑、左右對(duì)稱(chēng)和過(guò)渡均勻，與相鄰

54、覆蓋件的裝飾棱線銜接處應(yīng)吻合，不允許參差不齊。頂蓋組裝時(shí)窗口翻邊吻合，表面挺括，剛性好。車(chē)門(mén)外板兩面棱線、筋條等，只能在拉深工序中形成，否則很難保證其幾何形狀的一致性和表面光滑。頂蓋拉深件工藝制定的合理性，是保證其表面質(zhì)量、增強(qiáng)剛性的關(guān)鍵。確定沖壓成形工藝主要內(nèi)容包括:沖壓方向、送料方向、成形面工藝補(bǔ)充、壓料面、拉深件的側(cè)壁形狀、工藝圓角、拉深筋等。 4.3.1頂蓋成形工藝分析 頂蓋是一種平坦淺拉深件。由于外觀表面質(zhì)量要求高，因此要求對(duì)變形材料進(jìn)行充分成形，才能拉制出光滑并具有剛性的零件。如果沖壓件形不充分，導(dǎo)致貼模度很差，成形后在零件表面上殘留著鼓包和皺折。某些部位剛性較差，受振動(dòng)后就會(huì)

55、產(chǎn)生空洞聲。并造成制件的早期損壞。通常汽車(chē)覆蓋件拉深時(shí)既有曲面形狀的內(nèi)部脹形和外周拉深的復(fù)合變形特點(diǎn)，也有變形沿零件的周邊分布不均勻的特點(diǎn)。應(yīng)綜合考慮這幾方面因素的相互關(guān)系和影響，并根據(jù)零件幾何形狀的特點(diǎn)予以靈活地運(yùn)用。 由于頂蓋的表面曲率小，其拉深變形所需的徑向拉應(yīng)力的數(shù)值如果不大，零件在模具內(nèi)的形狀在出模后不能保持下來(lái)，即回彈變形大，或者說(shuō)根本不能緊密地貼模.靠調(diào)整毛坯的尺寸或者增大壓邊力，以達(dá)到產(chǎn)生較大且均勻的徑向拉應(yīng)力的方法是可行的，但不經(jīng)濟(jì)。在這種情況下，能夠保證得到比較均勻并符合要求的徑向拉應(yīng)力的有效措施，是采用拉深筋或拉深檻。 加強(qiáng)拉深筋的作用，基本上不使毛坯的周邊產(chǎn)生拉深變

56、形，而主要由毛坯的中間部分的脹形機(jī)理使毛坯成形。毛坯受力狀態(tài)下的形狀在出模卸載后仍可保留，所以成形精度高。頂蓋在成形時(shí)，凸模表面與毛坯以大表面接觸，由于平面上的拉應(yīng)力很低，材料得不到充分的塑性變形，這使材料變形不足，對(duì)增強(qiáng)制件的剛性不利。頂蓋的裝飾線有利于提高沖壓件表面的剛性，但不利于美觀;流行的頂蓋表面是平坦的，或是帶有淺形的裝飾線，這使制件變形不充分，容易造成制件中部塌陷凹坑的產(chǎn)生。在成形過(guò)程中，扣手處材料的變形是處于脹形狀態(tài)，外界材料的補(bǔ)充不充分，制件表面易裂部位也在于此。 4.3.2、頂蓋總體工藝方案確定 沖壓工藝的制定應(yīng)以消除和防止沖壓缺陷產(chǎn)生為目標(biāo)，同時(shí)考慮工裝制造能力、生產(chǎn)水

57、平、工裝制造周期、投資成本、生產(chǎn)設(shè)備及沖壓生產(chǎn)的場(chǎng)地條件等。 依據(jù)頂蓋沖壓件使用要求及實(shí)際生產(chǎn)情況，確定頂蓋的工序，頂蓋沖壓工藝流程:拉延（如圖4-2）——修邊（如圖4-3）——側(cè)整形、整形、修邊（如圖4-4）——側(cè)切、側(cè)沖孔、整形（如圖4-5） 圖4-2.拉延 圖4-3.修邊 圖4-4.整形/修邊 圖4-5.側(cè)沖孔/側(cè)切/整形 4.4 沖壓方向的確定 沖壓方向的確定是頂蓋沖壓件工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，是確定沖壓件在模具中的空間位置

58、。它不但決定能否生產(chǎn)出合格的沖壓件，而且影響到工藝補(bǔ)充部分的多少和壓料面的形狀。在拉深工序中，沖壓件往往會(huì)由于沖壓方向確定不當(dāng)，而增加調(diào)整困難。頂蓋類(lèi)沖壓件沖壓方向確定所遵循的規(guī)律是: (1)保證凸模形狀能夠進(jìn)入凹模，且形狀凍結(jié)性好，不產(chǎn)生負(fù)角，最好應(yīng)使制件在一次拉深中完成。 (2)保證拉深深度。深度應(yīng)淺且均勻，深度均勻是保證頂蓋拉深模具壓料面各部位進(jìn)料阻力均勻的主要條件，進(jìn)料阻力不一樣，在拉深過(guò)程中，毛坯就有可能經(jīng)凸模頂部竄動(dòng)，產(chǎn)生線偏移，嚴(yán)重的會(huì)破裂和起皺。 (3)凸模應(yīng)與成形件有良好的接觸狀態(tài)。拉深開(kāi)始時(shí)，凸模兩側(cè)的包容角盡可能作到基本一致(=p)。使材料流動(dòng)時(shí)兩側(cè)阻力接近，從而為

59、拉深創(chuàng)造條件。如圖4-6所示: 通常應(yīng)適當(dāng)增大凸模接觸面積，以防止材料在點(diǎn)接觸處產(chǎn)生應(yīng)力集中而造成局部破裂。頂蓋沖壓件拉深時(shí)，凸模表面與毛坯以大平面接觸，除手扣部位易裂外，其它部位由于平面上拉應(yīng)力很低，材料得不到充分的塑性變形，因而制件剛性降低;這是產(chǎn)品沖壓工藝性缺陷造成的原因。 圖4-6頂蓋拉深凸模兩側(cè)的包容角 (4) 不應(yīng)產(chǎn)生側(cè)向力。沖壓方向設(shè)定后，應(yīng)使頂蓋拉深模具壓邊圈的壓力均衡，這樣便不產(chǎn)生側(cè)向力。同時(shí)模具結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，這樣材料流動(dòng)成形時(shí)受力穩(wěn)定均勻。 (5) 沖壓方向應(yīng)有利于工藝補(bǔ)充。不同的沖壓方向會(huì)帶來(lái)相應(yīng)不同形狀的工藝補(bǔ)充，直接涉及到產(chǎn)品拉深工

60、序的最終成形條件以及后序成形條件。合理的沖壓方向，應(yīng)既滿(mǎn)足沖壓形狀的要求又適應(yīng)工藝補(bǔ)充、壓料面形狀的規(guī)范。本頂蓋具體沖壓方向如圖4-7. 圖4-7 頂蓋沖壓中心 5頂蓋CAE建模與分析過(guò)程 汽車(chē)頂蓋屬于變曲率薄板沖壓件,其特點(diǎn)為:輪廓尺寸大、拉深深度相對(duì)較大、成形后其空間曲面的曲率半徑較大,作為汽車(chē)的“臉面”,其外觀質(zhì)量要求很高,表面不允許有皺紋、凹痕、擦傷、破裂以及其它可能破壞表面完美的缺陷。表面質(zhì)量對(duì)轎車(chē)尤為重要,表面上即使有微小缺陷都會(huì)在油漆后引起光線的不均勻反射,從而影響整體外觀;另外由于其表面平滑,彎曲度小,板料較薄,常常因?yàn)樗苄宰冃尾怀浞侄鴮?dǎo)致貼

61、模程度很差,成形后零件的回彈量較大,尺寸精度比較低,嚴(yán)重影響到整車(chē)裝配,對(duì)汽車(chē)頂蓋拉深后的最薄壁厚要求為0.64mm,最大回彈量為3mm,超出此值即為不合格。為了預(yù)測(cè)和控制汽車(chē)頂蓋的成形質(zhì)量(特別是拉深質(zhì)量),改進(jìn)和優(yōu)化沖壓工藝,提高模具開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)的效率,本課題應(yīng)用Dynaform軟件,對(duì)頂蓋(圖5-1)的拉深成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,分析可能遇到的質(zhì)量問(wèn)題及其產(chǎn)生原因,并給出相應(yīng)的拉深工藝方案和模面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。頂蓋三維示意圖見(jiàn)圖5-1. 頂蓋相關(guān)參數(shù)：試件坯料尺寸：1660*1350*0.8 材料：DC04 模具（沖壓）中心：X：1600 、Y：1750 、Z：1800

62、 圖5-1.汽車(chē)頂蓋三維示意圖 5.1構(gòu)建頂蓋工藝補(bǔ)充面 工藝補(bǔ)充面的作用在于改善拉深覆蓋件拉深時(shí)的工藝條件,使材料各處變形均勻,工藝補(bǔ)充部分分布在零件四周,拉延完成以后,需經(jīng)過(guò)修邊工序切除,成為廢料,故設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮工藝要求和經(jīng)濟(jì)要求。這也是汽車(chē)覆蓋件模具成形好壞的關(guān)鍵所在。 為盡量減少可能產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤和丟失,在Catia軟件中抽取出零件數(shù)據(jù)信息并以Iges 格式文件導(dǎo)出,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的Iges 格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口,將幾何模型讀入DYNAFORM軟件,用板殼單元對(duì)幾何模型進(jìn)行離散和網(wǎng)格劃分,建立零件的有限元網(wǎng)格模型。 其中網(wǎng)格劃分(見(jiàn)圖5-

63、2)這一步很關(guān)鍵,而目的就是為了壓料面(見(jiàn)圖5-3),進(jìn)而得到工藝補(bǔ)充面。 圖5-2.網(wǎng)格劃分后的頂蓋示意圖 圖5-3.壓料面生成示意圖 創(chuàng)建主截面線 點(diǎn)擊DFE菜單；選擇Addendum子菜單，打開(kāi)Addendum對(duì)話框；在主截面線組中點(diǎn)擊New 按鈕；選擇界面線模板類(lèi)型：3 ；點(diǎn)擊Apply 按鈕；點(diǎn)擊Ok 退出主截面線對(duì)話框。創(chuàng)建主截面線示意圖見(jiàn)圖5-4. 主截面線 圖5-4.創(chuàng)建主截面線示意圖 創(chuàng)建工藝補(bǔ)充面 點(diǎn)擊Addendum組中的Assign 按鈕(見(jiàn)圖5-5)； 關(guān)閉By Seg

64、ment選項(xiàng)(缺省) (見(jiàn)圖5-5)；點(diǎn)擊Apply ；點(diǎn)擊Close 退出創(chuàng)建工藝補(bǔ)充面的對(duì)話框；基于一些主截面線的參數(shù)創(chuàng)建的補(bǔ)充面如圖5-6所示。 圖5-5.創(chuàng)建工藝補(bǔ)充面 圖5-6.汽車(chē)頂蓋前處理后效果圖 5.2沖壓過(guò)程設(shè)置 　Dynaform提供三種分析參數(shù)設(shè)置方法,即:傳統(tǒng)設(shè)置、快速設(shè)置與自動(dòng)設(shè)置(Auto setup),三種方法在使用上各存在一些長(zhǎng)處和短處,其基本特點(diǎn)

65、見(jiàn)表4-2[12]。 沖壓方向調(diào)整 沖壓中心坐標(biāo)值 點(diǎn)擊TIPPING (見(jiàn)圖5-7)；點(diǎn)擊按鈕Yes 指定當(dāng)前的零件層作為工具Die(見(jiàn)圖5-7)在Tipping Center中，輸入坐標(biāo)值X：0 、Y：2080 、Z：1460；打開(kāi)Undercut 選項(xiàng)；顯示如圖5-8所示的結(jié)果圖；點(diǎn)擊按鈕Exit 退出沖壓方向調(diào)整對(duì)話框；點(diǎn)擊Exit 退出BSE Preparation 對(duì)話框。 圖5-7.沖壓方向調(diào)整 圖5-8.沖壓方向調(diào)整后頂蓋效果圖 產(chǎn)品成形性快速設(shè)子-單步(對(duì)稱(chēng)約束) 點(diǎn)擊BSE 菜單；

66、選擇MSTEP 子菜單；點(diǎn)擊Sheet 定義坯料(圖5-9)，坯料一般指的是產(chǎn)品或模面零件；點(diǎn)擊“Add” 定義零件(如圖5-10所示)；在打開(kāi)的對(duì)話框中選擇C001V000 (如圖5-10所示) ，點(diǎn)擊OK 退出。 圖5-9.快速設(shè)置界面 設(shè)置料厚為1.0mm 圖5-10.定義坯料 點(diǎn)擊“NONE” 定義材料；點(diǎn)擊Import ；點(diǎn)擊OK 確認(rèn)；點(diǎn)擊OK 退出MATERIAL TYPE 36 對(duì)話框；點(diǎn)擊OK 退出Material 對(duì)話框；輸入Blank Thickness, 1.00 (mm) ，如圖5-10所示；點(diǎn)擊OK 退出Define Blank 對(duì)話框；點(diǎn)擊Constraint 定義對(duì)稱(chēng)約束，如圖5-11所示；打開(kāi)Advance Options ；從Type 組中選擇XZ SYMMETRY，如圖5-11所示；點(diǎn)擊Create 開(kāi)始定義約束；點(diǎn)擊OK 開(kāi)始選擇對(duì)稱(chēng)面上的節(jié)點(diǎn)；選擇Select By window ；點(diǎn)擊以頂視圖來(lái)顯示模型；選擇節(jié)點(diǎn)；點(diǎn)擊OK 退出Sele