【正文】 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 85 頁(yè) 板材成形試驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)及仿真畢業(yè)論文第一章 緒論課題背景及目的金屬塑性加工不但在飛行器制造業(yè)中占據(jù)著極其重要的地位，在其他各行業(yè)中也是很有分量的，板料冷壓成形是最常用也是研究最深入的一類成形方式。而模具的設(shè)計(jì)則是板料冷壓成形的必要過(guò)程。長(zhǎng)期以來(lái)，成形工藝和模具的設(shè)計(jì)以及工藝過(guò)程分析主要的依據(jù)是積累的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和傳統(tǒng)理論。但由于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的非確定性、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)效性，以及傳統(tǒng)理論對(duì)變形條件和變形過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)化，因此，對(duì)復(fù)雜的模具設(shè)計(jì)往往不容易獲得滿意的結(jié)果，使得調(diào)試模具的時(shí)間長(zhǎng)，次數(shù)多，甚至導(dǎo)致模具的報(bào)廢。通常情況下，為了保證工藝和模具的可靠與安全，多采用保守的設(shè)計(jì)方案，造成工序的增多，模具結(jié)構(gòu)尺寸的加大。現(xiàn)代成形加工與模具正朝著高效率、高速度、高精度、高性能、低成本、節(jié)省資源等方向發(fā)展，因此傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足要求。計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展以及工程實(shí)踐中對(duì)數(shù)值分析要求的日益增長(zhǎng)?，F(xiàn)代模具設(shè)計(jì)多是用UG、PRO/E、CAXA、Solid Works等三維軟件進(jìn)行。模具是一種技術(shù)密集、資金密集型產(chǎn)品，在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的地位也非常重要。模具工業(yè)已被我國(guó)正式確定為基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，并在“十五”中列為重點(diǎn)扶持產(chǎn)業(yè)。本文就是利用Solid Works來(lái)為成形試驗(yàn)的模具進(jìn)行設(shè)計(jì)及建模[2]。計(jì)算機(jī)技術(shù)在模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到成型生產(chǎn)是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，它包括制品設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具加工制造和制品的生產(chǎn)等幾個(gè)工要方面。它需要產(chǎn)品設(shè)計(jì)師、模具設(shè)計(jì)師、模具加工工藝師及熟練操作工人協(xié)同努力來(lái)完成，它是一個(gè)設(shè)計(jì)、修改、再設(shè)計(jì)的反復(fù)迭代、不斷優(yōu)化的過(guò)程。傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)已越來(lái)越難以滿足市場(chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)的需要。計(jì)算機(jī)技術(shù)的運(yùn)用，正在各方面取代傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)方式，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。計(jì)算機(jī)技術(shù)在模具中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (1) 制品的設(shè)計(jì)：基于特征的三維造型軟件為設(shè)計(jì)者提供了方便的設(shè)計(jì)平臺(tái)，而且制品的質(zhì)量、體積等各種物理參數(shù)為后續(xù)的模具設(shè)計(jì)和分析打下了良好的基礎(chǔ)。 (2) 結(jié)構(gòu)分析：利用有限元分析軟件可以對(duì)制品的強(qiáng)度、應(yīng)力等進(jìn)行分析，改善制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(3) 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：根據(jù)制品的形狀、精度、大小、工藝要求和生產(chǎn)批量，模具設(shè)計(jì)軟件會(huì)提供相應(yīng)的設(shè)計(jì)步驟、參數(shù)選擇．計(jì)算公式以及標(biāo)準(zhǔn)模架等，最后給出全套模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。(4) 模具運(yùn)動(dòng)仿真：運(yùn)用CAD技術(shù)可對(duì)模具開(kāi)模、合模以及制品被推出的全過(guò)程進(jìn)行仿真，從而檢查出模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理處，并及時(shí)更正，以減少修模時(shí)間。(5) 工作過(guò)程數(shù)值分析：采用CAE方法可以模擬板料在模具的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力狀態(tài)，其結(jié)果對(duì)改進(jìn)模具形狀及調(diào)整工藝參數(shù)有著重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)還可檢驗(yàn)?zāi)＞叩膭偠群蛷?qiáng)度、制品的翹曲性等。(6) 數(shù)控加工：利用數(shù)控編程軟件可模擬刀具在三維曲面上的實(shí)時(shí)加工過(guò)程并顯示有關(guān)曲面的形狀數(shù)據(jù)，同時(shí)還可自動(dòng)生成數(shù)控線切割指令、曲面的三軸，五軸數(shù)控銑削刀具軌跡等。目前，國(guó)際上占主流地位的模具設(shè)計(jì)CAD軟件有Pro/E、IDEAS、UGⅡ、Solid Works等；結(jié)構(gòu)分析軟件有MSC、Analysis等；工作過(guò)程數(shù)值分析軟件有MoldFlow等；數(shù)控加工軟件有MasterCAM、Cimatron等[3]。板料成形試驗(yàn)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)仿真板料沖壓仿真分析CAE是CAE大家族中應(yīng)用非常廣泛的一個(gè)分支，它包括塑性成形CAE、鑄造成形AE、塑料注射成形CAE等， 應(yīng)用于工程實(shí)際，可以幫助確定毛坯幾何形狀尺寸，預(yù)測(cè)零件成形過(guò)程中的破裂、起皺及回彈等成形缺陷，還可以分析零件的沖壓成形性能，對(duì)工藝方案和工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化等[4] 。由于時(shí)間的限制，在本文里沒(méi)有進(jìn)行材料性能的仿真，只是就模具的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真。課題的研究方法本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是是一個(gè)工程實(shí)際問(wèn)題。研究方法擬通過(guò)對(duì)金屬薄板成形性能試驗(yàn)的分析，利用SolidWorks三維造型軟件設(shè)計(jì)金屬薄板成形性能試驗(yàn)所需要的模具，設(shè)計(jì)板材成形試驗(yàn)機(jī)的工作臺(tái)，進(jìn)行三維裝配，并仿真其工作過(guò)程。本文還就幾種板料在用這些模具中的一些力學(xué)性能進(jìn)行了一些分析，最后對(duì)成形試驗(yàn)機(jī)的主體以及模具的進(jìn)行強(qiáng)度及剛度校核。論文構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容本論文由緒論、模具設(shè)計(jì)、板料成形性分析、模具強(qiáng)度校核、試驗(yàn)機(jī)主體強(qiáng)度校核、結(jié)論、致謝以及參考文獻(xiàn)組成。首先根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《金屬薄板成形性能與試驗(yàn)方法》GB/T ~GB/T ，對(duì)各試驗(yàn)所需的模具進(jìn)行分析，再利用SolidWorks三維軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立三維模型，然后進(jìn)行工作臺(tái)及模具的裝配，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。并針對(duì)幾種典型材料（45鋼、10鋼等）的板料成形試驗(yàn)進(jìn)行了力學(xué)性能極限分析、計(jì)算，最后對(duì)試驗(yàn)機(jī)的主體以及模具進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)度和剛度校核，完成了模具的整個(gè)設(shè)計(jì)工作。第二章、成形試驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《金屬薄板成形性能與試驗(yàn)方法》GB/T ~GB/T ，對(duì)金屬薄板成形性能試驗(yàn)拉深試驗(yàn)、擴(kuò)孔試驗(yàn)、錐杯試驗(yàn)、凸耳試驗(yàn)及成形極限圖（FLD）試驗(yàn)進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)這些試驗(yàn)的模具尺寸相差不大，為了方便進(jìn)行通用的試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)，需要對(duì)模具的安裝進(jìn)行總體協(xié)調(diào)。通過(guò)對(duì)成形試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知成形試驗(yàn)機(jī)法蘭的尺寸是固定的，因此一個(gè)小尺寸的模具就有可能會(huì)有一個(gè)很大的法蘭，這里為了能節(jié)約材料把法蘭與模具做成分體的，本文采用了階梯的方式來(lái)連接模具與法蘭安裝盤。使得一套模具都能使用同一個(gè)法蘭安裝盤，且尺寸相近的模具也可以使用一個(gè)法蘭安裝盤。這樣就既能節(jié)約材料又簡(jiǎn)化了模具的制造過(guò)程。法蘭盤設(shè)計(jì)：采用法蘭盤與模具本身分開(kāi)的設(shè)計(jì)方法，利用臺(tái)階來(lái)進(jìn)行連接和定位。： 拉深試驗(yàn)拉深是利用拉深模將板料沖壓成各種空心件的一種加工方法，使沖壓生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的工序之一。拉深成形時(shí)主要考慮的問(wèn)題是，位于凸緣部分的財(cái)力材料因切向壓縮極易起皺；處于凸模圓角區(qū)的材料因受到徑向強(qiáng)烈拉伸而嚴(yán)重變薄，甚至斷裂。材料的種類、零件的結(jié)構(gòu)形狀、模具結(jié)構(gòu)及工作部分的表面質(zhì)量對(duì)拉深成形能否順利進(jìn)行都有重要的影響。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《金屬薄板成形性能與試驗(yàn)方法拉深與拉深載荷試驗(yàn)》GB/T ：試驗(yàn)時(shí)，將圓片試樣壓置于凹模與壓邊圈之間，通過(guò)凸模對(duì)其進(jìn)行拉深試驗(yàn)（）。本試驗(yàn)需要采用不同直徑的式樣，并按照逐級(jí)增大直徑的操作程序進(jìn)行拉深試驗(yàn) ，以測(cè)定拉深杯體底部圓角附近的壁部不產(chǎn)生破裂時(shí)允許使用的最大試件直徑（D0）max，試驗(yàn)結(jié)束后用（D0）max計(jì)算極限拉深比LDR。每組試樣進(jìn)行6次有效重復(fù)試驗(yàn)，并記錄破裂與未破裂試樣的個(gè)數(shù)。一方面，當(dāng)破裂位置不在杯體底部圓角附近的壁部或者杯體形狀明顯不對(duì)稱，兩個(gè)對(duì)象凸耳的峰高之差大于2mm時(shí)試驗(yàn)無(wú)效；另一方面，當(dāng)一組試樣中，3個(gè)試樣破裂，3個(gè)試樣未破裂或者當(dāng)某一級(jí)試樣的破裂個(gè)數(shù)小于3，而直徑增大一級(jí)后，試樣破裂的個(gè)數(shù)等于或大于4時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。 拉深試驗(yàn)原理。 凸模、凹模的工作尺寸 mm 板料基本厚度t0凸模直徑dp凸模圓角半徑rp凹模內(nèi)徑Dd凹模圓角半徑rd~177。+177。＞~+177。＞~+177。＞~177。＞~177。 拉深凹模的高度拉深凹模的高度h對(duì)拉深成形的次數(shù)和成形質(zhì)量都有重要的影響。常見(jiàn)零件的一次拉深成形的高度一般近似為[5]：無(wú)凸緣筒形件：，d為拉深件壁厚中徑；帶凸緣筒形件：當(dāng)時(shí)，為拉深件凸緣直徑；盒形件：當(dāng)時(shí)，r為盒形件長(zhǎng)、短邊間的圓角半徑，B為盒形件的短邊長(zhǎng)度因此，拉深凹模的高度設(shè)計(jì)為：臺(tái)階高8mm 凹模高35mm（）。 拉深凹模 拉深模裝配 拉深模的圓角半徑對(duì)拉深過(guò)程的影響 凹模圓角半徑對(duì)拉深過(guò)程的影響拉深凹模的圓角半徑對(duì)拉深過(guò)程有很大的影響，毛坯進(jìn)入凹模內(nèi)要經(jīng)過(guò)彎曲和重新有被拉直的過(guò)程，若凹模圓角過(guò)小，將增加彎曲抗力而導(dǎo)致破裂的可能；若凹模圓角過(guò)大，將會(huì)因毛坯在壓邊圈下面積的減小和毛坯外緣過(guò)早離開(kāi)壓邊圈而產(chǎn)生皺折，當(dāng)這皺部分進(jìn)入凸凹模的間隙，就會(huì)造成毛坯的破裂。凹模圓角半徑的平均值rd可按下式[6] （）式中：K——系數(shù)； D——毛坯或前一次拉深直徑（mm）； d——凹模內(nèi)徑（mm）； t——材料厚度（mm）。 計(jì)算凹模圓角半徑時(shí)的K值材料厚度＜＞~1＞1~2＞2~4＞4~6＞6~10 凸模圓角半徑對(duì)拉深過(guò)程的影響凸模圓角半徑的影響不似凹模圓角半徑那樣顯著，如過(guò)小則會(huì)降低鄰近直壁與底交接部分的強(qiáng)度，多次拉深時(shí)會(huì)在制件側(cè)壁上留下彎曲的環(huán)形圈痕跡，影響制件的外觀質(zhì)量；如過(guò)大，由于拉深初始階段不與模具表面接觸的毛坯寬度加大，這部分毛坯就易起皺。一般首次拉深?。? rp=(~)rd （）多次拉深的以后各次： rpn1=(dn1dn2t)/2 （）式中：dn1，dn——前后工序中毛坯的過(guò)渡直徑（mm）。拉深凸模圓角半徑不得小于（2~3）t，如制件上有要求，則應(yīng)最后通過(guò)整形獲得。 拉深間隙拉深間隙是指單邊間隙，即凹模與凸模直徑之差的一半。拉深間隙的大小對(duì)拉深力、制件質(zhì)量和模具壽命都有影響。間隙過(guò)大，容易起皺；過(guò)小則筒壁變薄嚴(yán)重，甚至拉斷，同時(shí)也降低模具壽命。確定間隙時(shí)需考慮板料本身公差，圓筒形件口部的增厚及拉深件的精度要求。擴(kuò)孔試驗(yàn)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《金屬薄板成形性能與試驗(yàn)方法擴(kuò)孔試驗(yàn)》GB/T ：試驗(yàn)時(shí)，將中心帶有預(yù)制圓孔的試樣置于凹模與壓邊圈之間壓緊，通過(guò)凸模將其下部的試樣材料壓入凹模，迫使預(yù)制圓孔直徑不斷擴(kuò)大（），直至孔緣局部發(fā)生開(kāi)裂停止凸模運(yùn)動(dòng)測(cè)量試樣孔徑的最大值和最小值，用它們計(jì)算擴(kuò)孔率λ作為金屬板料的擴(kuò)孔性能指標(biāo)。將試樣通過(guò)預(yù)制圓孔和導(dǎo)銷套放在凸模頂端，施加壓力后啟動(dòng)凸模運(yùn)動(dòng)進(jìn)行擴(kuò)孔試驗(yàn)，至試樣孔緣上任意一個(gè)局部開(kāi)始破裂時(shí)立即停機(jī)，取出試樣。測(cè)量試樣孔徑時(shí)，應(yīng)避開(kāi)孔緣上的局部裂紋，分別測(cè)出空徑的最大值dfmax和最小值dfmin。對(duì)同種材料進(jìn)行10次有效重復(fù)試驗(yàn)，當(dāng)預(yù)制圓孔脹大后，明顯偏離試樣中心；試樣起皺或孔緣裂紋沿試樣邊緣缺陷或傷痕方想發(fā)展時(shí)試驗(yàn)無(wú)效。 擴(kuò)孔試驗(yàn)原理凸模、。 凸、凹模及試樣尺寸 mm 板料基本厚度t0凸模凹模預(yù)制圓孔初始直徑d0導(dǎo)銷直徑d39。0圓形試樣直徑D0方形試樣邊長(zhǎng)l0直徑dp圓角半徑rp內(nèi)徑Dd圓角半徑rd~3177。270+1177。+++≥45~70＞~5177。440+1177。+++≥70~100＞~8177。630+1177。+≥100擴(kuò)孔試驗(yàn)，本著節(jié)約材料的原則，對(duì)同一凸模尺寸中不同導(dǎo)銷直徑的，我在這用了個(gè)臺(tái)階軸來(lái)接決這個(gè)問(wèn)題，就是我在凸模上開(kāi)一個(gè)直徑是該凸模直徑中導(dǎo)銷直徑最大的孔，再做一個(gè)由該直徑凸模倒銷直徑的臺(tái)階軸，在臺(tái)階軸的底部來(lái)一個(gè)M3的螺紋孔，用來(lái)控制臺(tái)階軸在凸?？字械纳疃?。 擴(kuò)孔凸模（凸模直徑為40mm） （a）凹模內(nèi)徑為63mm （b）凹模內(nèi)徑為44mm 擴(kuò)孔凹模 （凹模尺寸為44mm）錐杯試驗(yàn)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《金屬薄板成形性能與試驗(yàn)方法錐杯試驗(yàn)》GB/T ：試驗(yàn)時(shí)，圓盤片試樣平放在錐形凹?？變?nèi)，通過(guò)鋼球?qū)υ囼?yàn)進(jìn)行“拉深+脹形”符合成形，即錐杯成形（），直到杯底側(cè)壁發(fā)生破裂時(shí)停機(jī)，然后測(cè)量錐杯口部的最大外徑Dmax和最小外徑Dmin，并用它們計(jì)算錐杯值CCV（或相對(duì)錐杯值η）作為金屬板的“拉深+脹形”復(fù)合成形性能指標(biāo)。將試樣平放在凹?？變?nèi)，啟動(dòng)試驗(yàn)裝置進(jìn)行錐