RC汽車模型底盤的簡要設計與制造（桂理工）

RC汽車模型底盤的簡要設計與制造（桂理工）,rc,汽車模型,底盤,簡要,扼要,設計,制造,理工 桂林理工大學 畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的設計（論文）是我個人在指導教師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了設計（論文）中特別加以標注和致謝的地方外，設計（論文）中不包含其他人或集體已經發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得桂林理工大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。對設計（論文）的研究成果做出貢獻的個人和集體，均已作了明確的標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 設計（論文）作者簽名： 日期： 年 月 日 桂林理工大學 設計（論文）使用授權聲明 本設計（論文）作者完全了解學校有關保留、使用設計（論文）的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交設計（論文）的復印件和電子版，允許設計（論文）被查閱或借閱。本人授權桂林理工大學可以將本設計（論文）的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本設計（論文）。 設計(論文)作者簽名： 日期： 年 月 日 指 導 教 師 簽 名： 日期： 年 月 日 桂 林 理 工 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計·論 文 摘 要 階梯形零件在拉深成形的過程中，毛坯變形區(qū)的變形與應力基本與圓筒形件拉深相同。但是此類零件的復雜性與多樣性，決定其拉深次數(shù)與工序的安排與圓筒形件拉深相比存在很大的不同點。并且在拉深的過程中受到許多因素的影響，容易出現(xiàn)拉裂、起皺、減薄、拉深不充分和回彈量過大等問題。因此，利用有限元分析軟件Dynaform模擬拉深，可以清楚的看到成形過程中存在的缺陷，進而利用數(shù)值模擬的結果優(yōu)化沖壓工藝與模具設計的方案，大大的縮短了研發(fā)周期。 本文首先分析了該零件的結構特點，探究一次拉深的可行性，根據(jù)一次拉深的數(shù)值模擬結果，分析危險部位，進而提出改進的方案。其次根據(jù)階梯形件的拉深規(guī)則與零件的結構特點，確定拉深次數(shù)，拉深順序。根據(jù)設計的各工序的凹模造型分別在不同壓邊力，不同毛坯直徑，不同凸緣半徑，不同拉深方式，不同工具運動速度等條件下在Dynaform軟件里進行拉深模擬，選取成形質量最佳的作為下一工序的毛坯，通過不斷地模擬優(yōu)化最終得到該復雜階梯形圓筒件的最佳拉深參數(shù)。最后根據(jù)數(shù)值模擬的各項參數(shù)探討各項拉深成形參數(shù)對成形模擬結果的影響。 本文主要通過Dynaform軟件對復雜階梯形圓筒件的拉深方法及各次拉深造型的確定進行研究，探討數(shù)值模擬的各項參數(shù)對成形件的成形效果和質量的影響，著重探討拉深方式對回轉體階梯形件的成形質量和效果的影響，對于多次拉深成形的零件，拉深方式對成形質量的影響極大，有限元模擬分析方法在實際的生產中具有重大的意義。 關鍵詞：階梯形件；拉深方案；Dynaform軟件；虛擬沖壓速度 Complex?stepped?cylindrical deep drawing?finite element analysis Student:LIN Zi-mei Teacher:QIN Tian Abstract:The deformation and stress of the stepped parts in the process of deep drawing forming are the same as that of the cylindrical parts.. However, the complexity and variety of the parts, the number of deep drawing and the arrangement of the process are different from the cylinder parts.And in the process of drawing by the influence of many factors, prone to crack, wrinkle, reducing thin, drawing and spring back problem. Therefore, using finite element analysis software DYNAFORM to simulate the drawing, can clearly see the forming defects existing in the process, optimization of stamping process and die design scheme and the numerical simulation results, greatly relationship development cycle. This paper first analyzes the structural features of this part, explores the feasibility of a deep drawing, and analyzes the dangerous parts according to the numerical simulation results of a deep drawing, and then puts forward the improving scheme.Secondly, according to the drawing rules of the ladder parts and the structural features of the parts, the number of the deep drawing and the order of drawing are determined.According to the design of the process of Concave die modeling respectively in different blank holder force, different diameter of blank, under the condition of different flange radius, different drawing methods, different velocity and in the DYNAFORM software used in deep drawing simulation, selection of forming quality best as a process of blank, through continuous simulation and optimization is finally obtained the complex stepped cylindrical parts the best drawing parameters.According to the parameters of numerical simulation, the influence of drawing parameters to the forming simulation results is discussed. This paper mainly by DYNAFORM software on complex stepped cylindrical parts drawing method and the drawing shape determine research, discusses the effects of the parameters of the numerical simulation of stamping forming effect and quality, focuses on drawing rotary stepped shape quality and effect, for multiple?deep drawing parts drawing method on the forming quality of a great impact, finite element simulation analysis method in the actual production has great significance. Key words：Ladder；Drawing Scheme；Dynaform；Virtual punch velocity 目 次 摘 要 I Abstract II 1 引言 1 1.1 課題研究的背景和意義 1 1.2 國內外研究現(xiàn)狀 1 1.3 課題研究的主要內容 2 2 板塊沖壓成形模擬仿真軟件Dynaform應用基礎 3 2.1 板塊沖壓成形模擬仿真軟件簡介 3 2.2 應用Dynaform軟件的一般流程 3 2.3 Dynaform軟件系統(tǒng)結構 4 2.3.1 前處理模塊 4 2.3.2 分析模塊 4 2.3.3 后處理模塊 5 2.4 本章小結 5 3 復雜階梯形圓筒件一次拉深成形設計 6 3.1 復雜階梯形圓筒件拉深工藝分析 6 3.1.1 拉深工藝要求 6 3.1.2 毛坯尺寸估算 7 3.2 探究一次拉深成形 8 3.2.1 毛坯材料性能參數(shù) 8 3.2.2 理論壓邊力計算 8 3.2.3 模擬拉深及可行性判斷 8 3.3 本章小結 9 4 復雜階梯形圓筒件五次拉深成形設計 10 4.1 五次拉深設計依據(jù) 10 4.2 拉深工序造型結構設計 10 4.3 各工序不同參數(shù)下數(shù)值模擬與比較 13 4.3.1 第一次拉深 13 4.3.2 第二次拉深 14 4.3.3 第三次拉深 15 4.3.4 第四次拉深 16 4.3.5 第五次拉深 19 4.4 本章小結 20 5 拉深成形過程板料變化情況 21 5.1 成形極限與零件厚度分布 21 5.2 最小厚度變化情況 22 5.3 最大減薄率變化情況 22 5.4 最大主應變變化情況 23 5.5 復雜階梯形圓筒件拉深成形參數(shù)影響探究 23 5.5.1 壓邊力對成形結果的影響 23 5.5.2 凸模運動速度對成形結果影響 24 5.5.3 拉深方式對成形結果影響 24 5.5.4 模具間隙對成形結果影響 25 5.6 本章小結 26 6 結論 27 致謝 28 參考文獻 29 IV 1 引言 1.1 課題研究的背景和意義 沖壓是指在常溫的條件下，運用安裝在壓力機上的模具對板料施加壓力，使得板料發(fā)生塑性變形或分離，進而得到所需要的零件的一種壓力加工方法。因為沖壓加工具有材料利用率高、生產效率高、環(huán)保節(jié)約、穩(wěn)定的產品質量、可以加工復雜形狀的零件、容易實現(xiàn)自動化與機械化等一系列的優(yōu)點，所以在國民經濟的各個部門的產品零件生產中，取得了較為廣泛的運用。據(jù)統(tǒng)計，薄板經沖壓加工成形后，得到了超出原材料價格的12倍的產值，與薄板成形有關的產品約占整個國民生產總值的1/4。在現(xiàn)代的汽車工業(yè)中，沖壓件的生產總值約占59%。由此可見，沖壓加工技術在國民經濟中占非常重要的地位。 拉深是沖壓成形的主要工序之一，拉深件在生活中隨處可見。拉深是利用拉深模具將平板壞料在壓力機的壓力的作用下制成開口的空心零件，或者以半成形的開口空心件作為壞料經過沖壓進一步改變尺寸和形狀的加工方法[1]。 板料沖壓成形是一個變形大、擾度大的塑性變形過程，包括板料在不同的塑性成形工序中應力應變情況下產生塑性流動與變形，同時還伴隨著破裂、起皺和回彈等缺陷，并且因為板料沖壓成形是一個極其復雜的多體接觸的動態(tài)的力學分析問題的過程，所以單單只憑借經驗對板料的成形性能做出合理的預測是非常困難的，傳統(tǒng)的憑經驗預測的方法，不僅加大了沖壓模具制造與調試的難度和成本，還容易出現(xiàn)工藝判斷失誤而使模具報廢的情況，為了能夠準確的把握薄板坯料沖壓成形的性能，對零件的實際沖壓成形過程有比較全面的認識，運用CAE分析技術模擬沖壓成形的整個過程，提前發(fā)掘問題，為模具設計的改進提供依據(jù)，進而縮短研發(fā)周期，降低成本[2]。 1.2 國內外研究現(xiàn)狀 板料成形CAE軟件從上個世紀80年代初開始應用，經過20多年的發(fā)展，該軟件的技術漸漸趨于成熟，并且商業(yè)領域已經形成了專門的分析軟件，并且板料成形CAE軟件在許多工業(yè)部門都得到了廣泛的應用與越來越重視軟件的地位[3]。到90年代，在世界涌現(xiàn)出了很多優(yōu)秀的商業(yè)化CAE分析軟件，例如：法國的PAM—STAMP，美國的ETA/Dynaform以及瑞士的Autoform都是其中的優(yōu)秀代表[4]。此時復雜的覆蓋件的工藝分析，如起皺，破裂，回彈問題，已經成為了板料沖壓仿真應用研究的重心。進入21世紀以來，板料成形仿真技術主要集中在如下幾個方面的研究：1)不同類型的材料以及各項性能參數(shù)對成形結果的影響；2)研究模具結構及其形狀；3)更精確的研究零件的形狀；4)進一步提高精度以及仿真的計算效率；5)本著對產品成形的更高要求，提出“第二段虛擬沖壓仿真”軟件的概念[5]。 在我國，板料成形沖壓仿真研究起步于上世界80年代末期，起步相對較晚。首先是有學者開始對金屬塑性成形分析進行研究；逐漸的取得了一些有價值的成果，例如北京航空航天大學的ADINA程序而成的sheetform，以及湖南大學工程軟件研究所的CADEM，再者就是吉林大學的胡平領導的研究小組的KMAS軟件。目前，Dynaform軟件已在我國長安汽車、南京汽車、上海寶鋼、上海大眾等知名企業(yè)中得到成功應用。與此同時，板料成形CAE模擬軟件的相關參數(shù)的設置尤為重要，有賴于實際的工作經驗，因此要求操作者要有相當?shù)膶I(yè)知識、理論水平、模擬技巧以及豐富的實際工作經驗。 1.3 課題研究的主要內容 拉深可以制成各種形狀復雜的空心件，階梯形件可以看成圓筒形件的拉深，但是其拉深次數(shù)與拉深方法較復雜。本文主要利用Dynaform軟件對復雜階梯形圓筒件進行拉深模擬，對其成形過程中存在的缺陷進行研究，進而得出最優(yōu)的拉深方案，為實際生產提供依據(jù)。具體研究如下： 1）先分析零件的結構特點，首先探討一次拉深成形方案的可行性，通過理論計算壓邊圈最小壓邊力，確定參數(shù)的范圍，在Dynaform對零件進行一系列壓邊力數(shù)組的數(shù)值模擬，觀測成形極限圖，根據(jù)厚度變化分布圖采集數(shù)據(jù)繪制模擬數(shù)值表格，取證一次成形是行不通的。 2）根據(jù)一次成形數(shù)據(jù)模擬結果，動畫模擬分析成形過程中出現(xiàn)拉裂和起皺的幀率，判斷拉裂起皺的原因，確定拉深次數(shù)及拉深方法。 3）分別對設計好的造型方案進行首次拉深模擬實驗分析，通過靠施加恒定的壓邊力來抑制起皺和拉裂等問題，改變壓邊力進行多次模擬，根據(jù)模擬結果判斷各造型在其最佳壓邊力下首次成形可行性，選取合適的造型進行后續(xù)的二次成形模擬試驗。 4）選取首次成形選取的方案，進行二次拉深成形模擬試驗，利用控制變量的方法，改變壓邊力的大小，尋找造型的最佳效果，根據(jù)成形極限圖和厚度變化數(shù)值分析最佳成形方案。 5）參照最佳方案下的數(shù)值，即其最佳壓邊力下，改變凸模速度，探凸模速度對二次拉深成形效果的影響，確定本案的最佳凸模速度，從而確定零件最佳成形方案及其最佳參數(shù)。 2 板塊沖壓成形模擬仿真軟件Dynaform應用基礎 2.1 板塊沖壓成形模擬仿真軟件簡介 Dynaform軟件是由ETA公司和LSTC公司一起開發(fā)的一個專業(yè)的CAE分析軟件包。主要用于板料成形的分析，是通過結合LS-DYNA求解器和ETA/FEMB前、后處理器而實現(xiàn)。給模具設計人員提供了較好的幫助，軟件包含了許多便于求解各種板坯成形問題的智能工具，容易使用，不但減少了模具研發(fā)周期，試模時間，而且還可以節(jié)約成本。 Dynaform軟件最核心的是LS-DYNA求解器，由LSTC公司開發(fā)出來并且提供的。該求解器可以模擬實際生產中的許多繁雜的問題?，F(xiàn)在，在許多成形和仿真領域LS-DYNA求解器都得到了很好的應用。 掌控模具設計的周期是板塊成形中模具研發(fā)周期中易生阻礙的環(huán)節(jié)，而Dynaform可以模擬板塊成形過程，為模具開發(fā)過程提供依據(jù)，很好的解決了模具設計周期難以掌控的問題。模具設計工程師利用Dynaform模擬壓邊、拉深、回彈和多工步拉深四個工藝過程，可以提前對產品成形缺陷進行了解，并優(yōu)化產品設計，不僅能夠有效的減少了試模時間，還降低了汽車覆蓋件等復雜零件和一些別的沖壓成形零件的沖壓成本[6]。 2.2 應用Dynaform軟件的一般流程 Dynaform軟件由前處理模塊、分析模塊和后處理模塊三大模塊組成。前處理用于生成沖壓模型和文件輸入的前期步驟；LS-DYNA主要用于計算；后處理通過分析計算得出的結果模型，為模具設計員的研發(fā)工作提供依據(jù)。計算機輔助工程分析板料的成形過程如圖2.1所示，應用Dynaform軟件進行模擬分析的一般步驟如圖2.2所示。 圖2.1 板料沖壓成形的CAE分析流程 圖2.2 應用ETA/DYNAFORM軟件的一般步驟 2.3 Dynaform軟件系統(tǒng)結構 Dynaform軟件主要由三部分組成：Dynaform前處理器、LS-DYNA有限元求解器和后處理器。完備的前后處理功能，集成了面向用戶的操作環(huán)境；功能強大的求解器，可以解決復雜的金屬成形問題。 2.3.1 前處理模塊 前處理主要包括：Files、Parts、Preprocess、DFE、BSE、SETUP、SCP、Tools、Option、Utilities、View等模塊。前處理主要用于導入IGES格式的建模文件，然后對所導入的文件進行命名，定義毛坯、凹模、凸模、壓邊圈等，其中凸模和壓邊圈可以通過凹模生成，接著對模具與毛坯進行自動網格的劃分與修補。最后進入成形模擬設計，可以設計拉深方式，模具間隙，壓邊力大小，工具運行速度，摩察系數(shù)等成形參數(shù)。前處理各功能模塊都有許多功能，如表2-1列舉了各模塊的功能。 表2-1 前處理各功能模塊介紹 功能模塊 功能描述 文件管理（Files） 進行文件和數(shù)據(jù)的導入/導出、新建/打開/保存/打印數(shù)據(jù)庫文件等 零件控制（Parts） 控制零件的開/關、編輯/刪除/分離/信息/透明顯示以及當前零件層設置 前處理（Preprocess） 進行線/點/單元/曲面的創(chuàng)建和編輯，單元模型的檢查/修復以及有限元邊界條件的設置等 模面工程（DFE） 輔助建立工藝補充面/壓力面，并提供模型的修補、沖壓方向調整等 坯料工程（BSE） 坯料大小估算以及修邊線計算、零件初始設計階段的成形性分析，以及幫助用戶進行坯料排樣并將排樣結果自動輸出 成形模擬設置（Setup） 快速設置與自動設置 回彈補償（SCP） 進行回彈補償分析，使回彈后的零件符合最終產品的設計要求 工具定義（Tools） 創(chuàng)建/定義/修改工具，以及進行毛坯、材料參數(shù)和相關屬性的定義設置 選項菜單（Option） 控制網格劃分、設置系統(tǒng)的語言、選擇文件窗口以及材料庫類型等 輔助工具（Utilities） 作為工具箱，提供了所有方便操作的輔助功能 視圖選項（View） 提供模型的顯示選項以及各種視圖的功能操作 2.3.2 分析模塊 前處理中設置好全部的模具參數(shù)和加載條件，然后就可以提交運算，由LS-DYNA對成形模擬過程進行有限元分析計算。在提交運算后，會首先出來預測計算完成的時間，也可以同時按下Ctrl+C通過刷新來估算計算所用時間，伴隨著Ctrl+C按下，計算也會暫停，如果估算時間較長，也可以終止計算，改變參數(shù)在提交運算。若估算時間在接受范圍，可以采用切換指令sw2使計算繼續(xù)。 2.3.3 后處理模塊 后處理模塊主要是ETA公司開發(fā)的專門針對Dynaform軟件的，用于觀察板料的成形情況。Dynaform軟件分析模塊求解計算完畢后，就可以打開ETA—POST同時打開相應的文件，用戶可以用觀看板料成形后的應力、應變情況，材料的厚度變化信息云圖等。通過變形極限圖可以觀測板料成形全過程，系統(tǒng)分別以不同的顏色表示了不同部位拉裂起皺的情況。通過觀測和分析后處理的數(shù)據(jù)，用戶可以根據(jù)實際生產經驗和專業(yè)知識對整個分析結果進行評估，直至獲得最優(yōu)的工藝方案，便可以試模[7]。 2.4 本章小結 本章主要介紹了Dynaform軟件的基礎知識，了解軟件的各項功能及掌握了軟件的操作方法。為后續(xù)的設計與模擬打下基礎。 3 復雜階梯形圓筒件一次拉深成形設計 3.1 復雜階梯形圓筒件拉深工藝分析 階梯形件的拉深大體上與圓筒形件類似，把每一個階梯的拉深看成相對應的圓筒形的拉深，易變形區(qū)域，應變，應力也和圓筒形件類似。但是因為階梯形零件具有其特有的復雜性質，圓筒形件的拉深次數(shù)和工序的安排較容易，而階梯形件的多樣性與復雜性決定了其拉深方法與拉深工序的復雜性與多樣性。 階梯形件拉深的一般原則： 1） 先拉深里面輪廓，在拉深外面輪廓； 2） 首先把零件的大概輪廓拉深出來，如果零件有直的或者是斜的連接部位，則這些部位改成比較大的圓角連接。最終一道工序才成形零件的要求尺寸，例如角度部分，有凸起的部分等都可以安排在最后一道工序拉深。 3） 若是寬凸緣階梯件，則首先拉深外面輪廓和里面階梯連接部位，要求連接部位用和對應的階梯部位相同半徑的大圓弧過渡。然后在下一道工序拉深成形階梯狀[8]。 階梯形件在拉深的過程中會出現(xiàn)一個危險的曲面，我們稱作自由曲面，是指在拉深開始，零件有一部分面積與凸模和凹模均不接觸，處于無拘束自由狀態(tài)，該處只有拉深力作用，易于產生應力集中。所以自由曲面是階梯件拉深過程中最可能出現(xiàn)拉裂的部位。自由區(qū)的應力集中改變了凸緣區(qū)的受力情況，加大了凸緣區(qū)起皺的可能性。綜上所述，階梯形件在板料拉深工藝中是相當不容易的[9]。 3.1.1 拉深工藝要求 如圖3.1為本課題研究零件的示意圖，從圖中我們可以看出，該零件由三層階梯，一個錐形，與一處凸起組成，結構比較復雜。根據(jù)錐形件的判斷方法可以判斷出該錐形為淺錐形，一般可以一次拉深成形。該零件在成形時需要注意：階梯圓角部位在拉深的過程中受徑向力的作用，導致材料嚴重變形，甚至拉裂；凸起部位拉深時材料經過上次拉深變薄，非常容易拉裂，致使拉深失敗。所以本課題通過模擬拉深研究影響拉裂起皺等缺陷的內在原因，給模具設計員設計模具提供依據(jù)，減少試模周期，降低生產成本，提高零件成形的質量。 圖3.1 零件示意圖 3.1.2 毛坯尺寸估算 拉深之前需要對零件的毛坯進行估算，傳統(tǒng)的方法是通過對零件一步一步展開計算，最終得出毛坯形狀尺寸。也可以利用計算機輔助軟件Dynaform的BSE模塊進行估算，該模塊擁有完整、精確、一流的坯料設計計算方案，用于精確預估毛坯尺寸。Dynaform軟件BSE坯料工程提供了完整、精確、一流的坯料設計解決方案，用于預估毛坯尺寸。 將在Proe中建模的零件以IGES格式導入到Dynaform5.7中，對零件進行網格自動劃分，點擊壞料工程選擇預處理，進入預處理界面后，點擊毛坯尺寸估算按鈕，設置材料為St16，材料厚度為1.0mm。軟件自動估算出毛坯形狀與尺寸后，得到的毛坯形狀如圖3.2所示。測出毛坯尺寸，然后在Proe中對毛坯進行建模，保存為IGES格式。 圖3.2 復雜階梯形件展料輪廓線 3.2 探究一次拉深成形 判斷能否一次拉深成形的依據(jù)是毛坯厚度變化情況，若毛坯減薄嚴重，導致破裂則認為不能夠一次拉深成形，就需要多工序拉深成形。拉深工序的多少決定著材料的變形程度及生產成本，因此，為了得到最優(yōu)的拉深方案，本文首先探討一次拉深的可行性。 3.2.1 毛坯材料性能參數(shù) 毛坯材料為超低碳級冷軋鋼st16，該類形材料的機械強度和Q235的相當，一般用于超深冷沖壓[10]。材料厚度為1.0mm，凸凹模間隙一般為1.1t（t為板料厚度），故凸凹模間隙取1.1mm，單邊間隙為0.55mm。在Dynaform軟件中鋼和鋼之間摩擦系數(shù)取0.125[11]，凸模運動速度為5000mm/s。壓邊力是影響成形質量的最重要因素，所以以壓邊力為變量來進行研究。 3.2.2 理論壓邊力計算 理論壓邊力可以根據(jù)以下公式（3-1）計算 Q = A q （3-1） 式中：Q為壓邊力(N)；A為壓邊圈面積；q為單位壓邊力(MPa)，根據(jù)文獻數(shù)據(jù)， 對于厚度大于 0.5mm 的鋼板，q 值一般在2.0～2.5MPa。這里取2.0MPa。 經計算，得到理論壓邊力為Q≈11.83KN。 3.2.3 模擬拉深及可行性判斷 根據(jù)上節(jié)計算出的理論壓邊力的值，在實際生產中，壓邊力的值需要根據(jù)實際情況而變化，理想的壓邊力一般很難實現(xiàn)。故現(xiàn)在以理論壓邊力12KN作為中心值，取10KN,15KN,20KN作為壓邊力值分別模擬拉深。其中模具間隙取0.5mm，材料為st16,材料厚度取1.0mm,虛擬沖壓速度為5000mm/s，采用拉深方式為正裝式拉深成形，即雙動成形。得到的模擬成形極限圖如圖3.3所示（其中圖a,b,c壓邊力分別為10KN,15KN,20KN的成形極限圖）。 a） b） c) 圖3.3 拉深成形數(shù)值模擬極限圖 表3-1 一次拉深成形模擬統(tǒng)計表 圖號 a b c 壓邊力(KN) 10 15 20 最大厚度(mm) 1.541 1.250 1.122 最大增厚率 44.947% 24.978% 12.227% 最小厚度(mm) 0.551 0.426 0.340 最大減薄率 54.095% 56.367% 66.015% 最大主應變 0.618 1.012 1.234 從圖3.3中我們可以看出隨著壓邊力的加大，減薄破裂情況越來越嚴重，破裂的部位有階梯過渡區(qū)，筒壁區(qū)。階梯過渡區(qū)可以看成圓筒形件的凸模圓角部分，是拉深中非常容易產生拉裂的“危險區(qū)域”，因為在拉深的過程中，從開始到拉深結束凸模圓角都對此區(qū)域材料產生壓力和彎曲應力，同時還受到拉深力的作用，并且筒壁與筒底因受拉深與摩擦的作用而不能向該區(qū)域補充材料。筒壁區(qū)只受徑向力的作用，起到傳力的作用，該階梯件由于階梯1與階梯2的圓角部分都出現(xiàn)了嚴重的破裂，拉深力較大，致使筒壁部分也出現(xiàn)了相應的破裂[12]。 根據(jù)以上判斷，當壓邊力為10KN時，破裂較少，但是凸緣部分出現(xiàn)了嚴重的起皺現(xiàn)象，由此可以看出壓邊力不能再減少了，否則凸緣起皺會致使計算終止。隨著壓邊力的增加，破裂區(qū)域也不斷擴大。所以該復雜階梯形件很難一次拉深成形，成形缺陷主要出現(xiàn)在凸模圓角區(qū)和零件凸起部位。在后續(xù)的設計中要特別注意這些區(qū)域的優(yōu)化。 3.3 本章小結 本章主要計算了毛坯尺寸及一次拉深的理論壓邊力值，及模擬一次拉深成形。根據(jù)對一次拉深成形極限圖的分析，發(fā)現(xiàn)該零件很難一次拉深成形。對于復雜階梯形零件應需多次拉深成形，一般階梯數(shù)就是拉深次數(shù)。 4 復雜階梯形圓筒件五次拉深成形設計 4.1 五次拉深設計依據(jù) 首先分析零件的結構組成：三級階梯（兩階梯之間直徑相差不大）、底部一個淺錐面、階梯三與錐面之間有一處凸起，如圖4.1所示。 圖4.1 零件結構組成 然后分析拉深的順序，根據(jù)階梯件拉深規(guī)則，有凸起部分在最后一道工序成形，故凸起部分安排在最后一道工序；錐形為淺錐形，可以一次拉深成形，也可以在拉深階梯的同時拉深錐面，節(jié)省一道拉深工序[13]；有三級階梯，故分三道工序分別完成三級階梯的拉深。 最后確定階梯拉深順序，對于兩階梯直徑相差不大的階梯件，通常有兩種拉深方法：第一種是從直徑最大的一級開始拉深，然后以直徑遞減的方式拉深下面的階梯，該方法只局限于小直徑和窄凸緣零件，成形質量難以掌握；第二種是先拉深階梯二，然后拉深階梯三，最后才成形階梯一，通過不斷地增加高度來完成階梯的拉深。該方法會在階梯壁區(qū)和法蘭區(qū)余有上一工序圓角地方減薄或增厚和彎曲的跡象，所以還要有一道整形的工序[9]。本文選擇第二種方法。 4.2 拉深工序造型結構設計 根據(jù)上一節(jié)中的設計分析，初步確定出該零件的拉深工序與拉深尺寸。一共有五道工序，第五道工序用于整形，完成零件要求的圓角尺寸。主要安排如下：第一道工序拉深出階梯二的直徑，第二道工序在階梯二直徑的基礎上成形階梯三的直徑，第三道工序成形階梯一，第四道工序成形凸起部分，第五道工序整形。在此需要說明的是，錐形在第一道至第三道工序中逐漸成形[14]。 根據(jù)各工序成形的形狀，確定拉深高度，圓角部分的尺寸。各工序凹模結構尺寸如圖4.2所示。 a)工序一 b）工序二 c）工序三 d）工序四 e）工序五 圖4.2 凹模尺寸結構圖 將各工序凹模結構在proe軟件中建好模，保存格式為IGES，將毛坯與工序一的凹模導入Dynaform軟件中，定義好各項參數(shù)，就可以提交求解器進行計算，計算完成后，啟動Dynaform的后處理器，導入計算結果，觀察厚度變化情況，成形極限圖，從而判斷各項參數(shù)設計與造型設計是否合理，若不合理，出現(xiàn)拉裂起皺等現(xiàn)象，則需要返回前處理重新設計參數(shù)或重新設計結構，以達到最優(yōu)的結果為止。 通過觀察上述的零件結構，可以看出，工序一至四的圓角都比較大，幾乎看不出階梯的形狀，這是為了避免自由曲面的產生，先將階梯轉化為圓筒件從而為下一道工序準備成形質量較好的毛坯，最后通過不斷改變圓角的大小與最后一道整形工序來得到最終的零件。此方法的提出，改善了毛坯拉深在前面的工序就出現(xiàn)自由曲面而使拉深終止的缺陷，也使拉深的進行比較順利，提高了毛坯的成形質量。 這里有點需要注意的是，在proe中建模時，坯料和凹模的模型所選擇的參考平面要保持一樣，同時旋轉中心軸規(guī)定Z軸，否則導入Dynaform軟件時，各模型不在一條中心線上無法進行拉深模擬。 4.3 各工序不同參數(shù)下數(shù)值模擬與比較 所有數(shù)值模擬均在Dynaform5.7下進行。第一，二，三次的所有拉深模擬的工具運動速度為5000mm/s，壓邊圈閉合速度為2000mm/s，模具間隙為0.5mm，摩擦系數(shù)為0.125，材料厚度為1.0mm，材料為st16。 4.3.1 第一次拉深 通過分析第一道工序成形的零件為淺的圓筒件，凹模圓角較大，材料流動性較好，凸緣部分較容易出現(xiàn)起皺的現(xiàn)象，所以解決起皺問題就成為此次拉深的關鍵。這里通過改變壓邊力與毛坯尺寸來模擬拉深。得到不同壓邊力與毛坯尺寸下的成形模擬極限圖如圖4.4所示。數(shù)值模擬成形參數(shù)與成形質量如表4-1所示。通過分析FLD圖，選取成形質量最佳的作為第二次拉深的毛坯。在Dynaform中模擬時采用雙動的拉深方式也叫正裝式拉深成形，動畫模擬運動時，壓邊圈先下行將毛坯壓住，然后凸模在下行。如圖4.3所示。 圖4.3 雙動工具位置示意圖 a) b) c) d) 圖4.4 第一次拉深數(shù)值模擬成形極限圖 表4-1 第一次拉深模擬統(tǒng)計表 圖號 a b c d 壓邊力（KN） 100 200 300 500 最大厚度（mm） 1.040 1.067 1.055 1.004 最大增厚率 0.768% 1.202% 5.491% 0.241% 最小厚度（mm） 0.844 0.868 0.804 0.021 最大減薄率 5.047% 4.098% 19.613% 48.396% 最大主應變 0.341 0.342 0.376 3.770 毛坯直徑(mm) 280 223 223 223 從表4-1中分析可以得出，當毛坯直徑為223mm時，隨著壓邊力的增加，減薄率越來越大，當壓邊力增加到500KN時，材料的最小厚度為0.021，毛坯拉裂,。凹模圓角部分有一圈起皺趨勢，壓邊力增大，起皺趨勢有所緩解，但是無法完全去除。從圖a和圖b中可以看出，毛坯直徑的大小對此次拉深影響不大。選圖b的結果作為下次拉深的毛坯,因為其減薄率最小。 4.3.2 第二次拉深 將第一次拉深后綴為dynain的文件導入到Dynaform中，作為第二次拉深的毛坯，導入工序二的凹模結構作為拉深凹模，凸模與壓邊圈從凹模中定義生成。該次拉深成形階梯三，雖然已經用大圓角過渡，但還是無法避免有一圈危險曲面的出現(xiàn)，該地帶是最可能出現(xiàn)拉裂的地方。在Dynaform中模擬時采用的是單動的拉深方式也叫倒裝式拉深成形，即壓邊圈在凸緣的下面，在凸模下行時，壓邊圈與凸模的凸緣把毛坯的凸緣夾在中間而起到壓邊的效果。如圖4.5所示。 圖4.5 單動工具位置示意圖 a） b) c) d） 圖4.6 第二次拉深數(shù)值模擬成形極限圖 表4-2 第二次拉深模擬統(tǒng)計表 圖號 a b c d 壓邊力（KN） 100 200 400 200 最大厚度（mm） 1.102 1.096 1.086 1.061 最大增厚率 5.357% 5.543% 5.283% 1.942% 最小厚度（mm） 0.804 0.804 0.804 0.790 最大減薄率 6.037% 4.411% 7.980% 10.076% 最大主應變 0.385 0.388 0.388 0.442 拉深方式 單動 單動 單動 雙動 分析圖4.6與表4-2得出：單動拉深下隨著壓邊力增大厚度不斷減小，最小厚度保持不變，壓邊力在200KN時減薄率最小，所以并不是壓邊力越大越好，壓邊力要有個合適的范圍，不能太大也不能太小。壓邊力200KN時減薄趨勢最輕，成形質量較好，故選擇此模型作為第三次拉深的毛坯。通過對比b和d得出：其他條件相等的情況下，拉深方式不同，減薄率也不同。 4.3.3 第三次拉深 本次拉深主要成形階梯一與錐面的尺寸，同時有兩個自由曲面的出現(xiàn)，拉裂的可能性增大，所以兩處自由曲面的圓角半徑的大小就顯得尤為重要，應使圓角半徑盡可能大。在proe建模時，在草繪界面，倒圓角半徑的大小是有限制的，圓角的范圍是不能夠超出原有的直線長度，若想使圓角半徑加大，則需要先旋轉出零件的形狀，然后在零件上進行倒圓角，從而解除限制。本次拉深分別在不同壓邊力，在單動和雙動兩種拉深方式下進行模擬。 a） b) c) d） e) f） 圖4.7 第三次拉深數(shù)值模擬成形極限圖 表4-3 第三次拉深模擬統(tǒng)計表 壓邊力（KN） 100 200 400 圖號 a d b e c f 拉深方式 單動 雙動 單動 雙動 單動 雙動 最大厚度（mm） 1.108 1.101 1.112 1.099 1.109 1.113 最大增厚率 4.879% 1.182% 4.168% 1.090% 3.411% 1.790% 最小厚度（mm） 0.792 0.742 0.792 0.731 0.792 0.615 最大減薄率 8.730% 16.002% 7.895% 17.261% 11.568% 28.874% 最大主應變 0.45 0.451 0.459 0.465 0.482 0.512 通過對比單動和雙動兩種拉深方式發(fā)現(xiàn)，雙動的方式最小厚度隨壓邊力的增大而減小，而單動的方式最小厚度不隨壓邊力大小的變化而變化，始終保持一樣。當壓邊力相同時，單動方式的減薄率小于雙動方式的減薄率，特別是壓邊力在400KN時，雙動方式下毛坯已經出現(xiàn)明顯的裂縫，而單動方式下只有輕微的拉裂趨勢。通過比較，發(fā)現(xiàn)壓邊力為200KN，單動方式拉深時的模型成形質量最佳，故選取該模型作為第四次拉深的毛坯。 4.3.4 第四次拉深 因為第五次拉深主要是用于整形，所以第四次拉深就成為了該復雜階梯形圓筒件是否能夠成功成形的至關重要的一步。該次拉深在原有的基礎上繼續(xù)成形階梯一與凸起部位，前面一次拉深成形可能性的分析中可以看出，易于拉裂的部位就是凸起的部位，也是本次研究的難點，因為該處的材料一直參與成形，一直處于拉裂敏感部位，第一次拉深時是凸模圓角部位，第二次拉深時是階梯件的自由曲面部位，第三次拉深時同時是錐面的凹模圓角部位和階梯件的自由曲面部位，而到第四次拉深是又將此部位半徑突然加大，該部位材料不斷變形，不斷減薄，同時還有一處三個面交匯的地方較難成形，也較容易出現(xiàn)或起皺或破裂的極端現(xiàn)象。第三次拉深時在單動方式下得到成形質量較好的零件，故該次拉深也首先在單動方式下模擬拉深。 在單動方式下模擬結果如下： a） b) c) d) e） f） 圖4.8 第四次單動拉深數(shù)值模擬成形極限圖 表4-4 第四次單動拉深模擬統(tǒng)計表 壓邊力（KN） 1 10 50 圖號 a b d e f c 工具運動速度（mm/s） 5000 5000 4000 3000 2000 5000 最大厚度（mm） 1.114 1.112 1.113 1.113 1.112 1.114 最大增厚率 5.699% 2.396% 2.366% 3.444% 1.72% 3.054% 最小厚度（mm） 0.587 0.584 0.599 0.590 0.612 0.588 最大減薄率 30.277% 31.334% 29.085% 30.093% 27.43% 30.764% 最大主應變 0.47 0.504 0.478 0.467 0.467 0.509 根據(jù)表4-4中的數(shù)據(jù)中可以看出，壓邊力為1000N時減薄率最低，但是對應的成形極限圖有拉裂現(xiàn)象，所以單動方式不能很好的成形，所以變換一種拉深方式，運用雙動的拉深方式。 在雙動方式下的數(shù)值模擬結果如下： a） b) c) d) e) f） g） 圖4.9 第四次雙動拉深數(shù)值模擬成形極限圖 表4-5 第四次雙動拉深模擬統(tǒng)計表 壓邊力/KN 5 10 50 100 圖號 a b c d e f g 速度（mm/s） 5000 5000 4000 3000 5000 5000 5000 最大厚度（mm） 1.114 1.112 1.112 失 真 1.114 1.114 1.114 最大增厚率 1.882% 1.755% 1.75% 0.999% 1.33% 1.02% 最小厚度（mm） 0.592 0.683 0.691 0.670 0.681 0.67 最大減薄率 29.684% 19.11% 18.301% 20.82% 18.7% 20.1% 最大主應變 0.465 0.459 0.461 0.460 0.459 0.461 模具間隙（mm） 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 1.1 0.5 從上述數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，當壓邊力都為10KN,凸模運動速度都為5000mm/s，其他參數(shù)也相同，只改變拉深方式，單動已出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象，而雙動方式下的成形質量較佳，無拉裂無起皺。并且在單動方式下改變壓邊力與凸模運動速度都無法得到成形質量好的零件，所以認為雙動方式更易于成形該工序的結構。同樣在壓邊力為10KN時，改變凸模的運動速度，對成形質量也有相應的影響，無論是單動還是雙動方式下，凸模速度在4000mm/s時減薄率都是最低的，但是變化波動不是很大故認為該次拉深的合適沖壓速度為4000mm/s-5000mm/s，為了提高計算效率，速度取5000mm/s。當壓邊力為50KN時，模具間隙為1.1mm的減薄率比0.5mm的低，成形效果也較好，故選取該數(shù)據(jù)下成形的結果作為下次拉深的毛坯。 4.3.5第五次拉深 該次拉深主要作用是整形，形成規(guī)定的圓角半徑，將大圓角變?yōu)樾A角其他尺寸不變。首先將第四次拉深的雙動方式，壓邊力50KN，速度為5000mm/s，模具間隙為1.1mm的結果導入Dynaform做為第五次拉深的blank，導入第五次拉深的die，在雙動拉深方式下設計不同數(shù)值進行計算，得到如下結果： a） b) c） d) e） f） g） h） i） j） k） l） 圖4.10 第五次拉深數(shù)值模擬成形極限圖 表4-6 第五次拉深有壓邊模擬統(tǒng)計表 圖 號 壓邊力（KN） 速度（mm/s） 間 隙（mm） 最大厚度（mm） 最小厚度（mm） 增厚率（%） 減薄率（%） 最大主應變 a 1 5000 0.5 1.113 0.449 3.344 43.62 0.761 b 3 5000 1.112 0.572 2.224 26.71 0.561 c 5 5000 1.113 0.587 3.006 21.693 0.573 d 4000 1.112 0.508 2.072 25.003 0.627 e 3000 1.112 0.56 3.095 24.292 0.602 f 7 5000 1.113 0.572 2.224 26.2 0.528 g 10 5000 1.112 0.572 2.27 24.9 0.527 h 15 5000 1.112 0.572 2.22 25.08 0.562 i 20 5000 1.112 0.575 2.218 25.087 0.572 j 5000 1.1 1.111 0.621 2.213 14.962 0.553 k 5000 2.0 1.110 0.683 2.876 2.951 0.458 l 100 5000 1.1 1.111 0.624 2.223 15.275 0.512 本次拉深通過在不同壓邊力，不同工具運動速度，不同模具間隙下進行計算模擬拉深，經過多次的運算得到一組最佳的成形數(shù)據(jù)。在壓邊力為5KN時，以工具運動速度為變量，探討最佳的工具運動速度，發(fā)現(xiàn)當速度為3000mm/s時，出現(xiàn)了大面積的破裂，而4000mm/s-5000mm/s時只出現(xiàn)輕微的拉裂，所以認為該次拉深的最佳工具運動速度為4000mm/s-5000mm/s。當以工具速度為5000mm/s，間隙為0.5mm，壓邊力為變量模擬拉深時，發(fā)現(xiàn)最佳成形壓邊力范圍為20KN-50KN。即使壓邊力與工具運動速度都取最佳的數(shù)值也無法得到成形質量好的零件，有輕微的拉裂現(xiàn)象，所以加大模具間隙進行模擬，發(fā)現(xiàn)當間隙取1.1時，無拉裂現(xiàn)象，凸緣區(qū)有起皺但是不影響零件的使用，后續(xù)會有切邊工序將凸緣去掉，當間隙取2.0時，未能達到尺寸要求，尺寸精度不高。因而得到該次拉深的一組最佳的成形數(shù)據(jù)為：壓邊力20KN，工具運動速度5000mm/s，模具間隙1.1mm。 4.4 本章小結 本章首先分析了該復雜階梯形圓筒件的結構特點，根據(jù)階梯形件的拉深規(guī)則確定需要五次拉深，分別設計了五次拉深的凹模結構，并在proe軟件中進行建模；然后運用Dynaform軟件對各次拉深進行模擬，選取最佳的造型作為下次拉深的毛坯，不斷地改變成形參數(shù)，最終成功的模擬該零件的拉深成形過程，得到一組最佳的成形參數(shù)。 5 拉深成形過程板料變化情況 5.1 成形極限與零件厚度分布 如下圖5.1給出了從第一到第五次拉深的成形結果，從成形結果可以看出，成形質量較好，無起皺無拉裂現(xiàn)象，故該復雜階梯形圓筒件經過有限元模擬分析Dynaform軟件模擬拉深可以成功的經過五次拉深成形。 a）板坯 b）工序一 c）工序二 d）工序三 e）工序四 f）工序五 圖5.1 零件拉深成形過程 圖5.2 零件厚度分布云圖 如圖5.2零件厚度分布云圖中給出了Dynaform軟件數(shù)值模擬拉深的零件厚度分布情況，通過分析厚度的變化可以看出零件的哪個部位材料厚度變薄嚴重，哪個部位增厚嚴重，給模具設計人員提供依據(jù)，便于在后續(xù)設計模具時改進。同時也便于分析工件的使用壽命情況，從圖中可以看出凸起圓角部位減薄最嚴重，也是工件使用過程中最容易失效的部位。 5.2 最小厚度變化情況 圖5.3 成形過程中最小厚度變化情況 從圖5.3中可以看出，原板坯經過五次拉深成形后，最小厚度由原來的1mm減薄到0.658mm，在合理的變化范圍內，所以從最小厚度方面分析判斷五次拉深成形是較為合理的。 5.3 最大減薄率變化情況 圖5.4 成形過程中最大減薄率變化情況 從圖中可以看出前三道工序減薄率較小，均保持在百分之十以內，而第四道工序減薄率最大，也是主要減薄工序，第四道工序減薄率在百分之二十以內，在減薄的安全范圍內，在實際生產的時候要著重注意該工序的參數(shù)設計，避免零件出現(xiàn)破裂[16]。有限元分析判斷破裂處于保守判斷，一般Dynaform成形后，減薄率要比實際大些，所以通過Dynaform軟件分析的減薄率在合理范圍，那么實際生產就可以成功實現(xiàn)拉深而不破裂，使設計比較經濟。 5.4 最大主應變變化情況 圖5.5 成形過程中主應變情況 應變是指單元體因為外力的作用而引起的形狀和尺寸相對改變[15]，從圖中可以看出隨著拉深次數(shù)的增加，零件形狀不斷改變，應變也跟著增大，但是應變值在0.3-0.5之間波動，變化不明顯，說明每次拉深變形均勻分配，五次拉深造型的設計是合理的。 5.5 復雜階梯形圓筒件拉深成形參數(shù)影響探究 材料在拉深的過程中伴隨著應力形狀尺寸的變化，影響成形質量的主要有起皺和破裂兩個因素，而起皺不代表工件報廢，但是拉裂就一定會使工件報廢，所以人們非常重視破裂而引起的失效。因此，研究成形過程中的參數(shù)對成形質量的影響可以給人們在設計模具與制定拉深工藝提供參考，從而減小研發(fā)時間，便于尋找出合理的數(shù)據(jù)，使拉深順利。 5.5.1 壓邊力對成形結果的影響 壓邊力顧名思義就是指應用壓邊圈壓住凸緣部分施與厚度方向的力，從而達到阻礙板坯徑向流動的目的。從表4-5中可以看出，凸模運動速度為5000mm/s，當壓邊力為10KN和50KN，無拉裂現(xiàn)象，凸緣有輕微的起皺現(xiàn)象，當壓邊力為3KN,5KN時，有輕微拉裂現(xiàn)象并且凸緣有起皺現(xiàn)象，當壓邊力為100KN時，有拉裂，凸緣輕微起皺。從表4-6中，以壓邊力為變量時，壓邊力與零件的最大減薄率與最大增厚率的關系如圖5.6所示，從圖中得知增厚率變化比較平穩(wěn)，該零件成形過程中，最大厚度主要在凸緣區(qū)，而凸緣只是給壓邊提供空間并沒有參與成形，所以該處材料厚度基本不變化，與壓邊力的大小無關；壓邊力與減薄率的關系比較密切，壓邊力大可以避免起皺，壓邊力小可以避免拉裂，但是從圖中可以看出，壓邊力并不是越小越好，因此選取壓邊力時壓邊力不能太大也不能太小，壓邊力太小容易起皺并且還會導致皺裂，壓邊力太大可以改善起皺現(xiàn)