【正文】 彈、多工步成形等典型板金成形； （ 2） 液壓成形、輥彎成形； （ 3） 零件模具型面設(shè)計(jì)； （ 4） 壓機(jī)負(fù)載分析等。與其他有限元分析軟件相比較， Dynaform 具有模擬結(jié)果精確、環(huán)境單一、自動(dòng)化、兼有顯示求解法與隱式求解法，能無(wú)縫轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)。 汽車加油盒拉深成形研究現(xiàn)狀 汽車加油盒 （如 圖 12 所示 ） 是一種 曲面非軸對(duì)稱的高拉延件，屬于深拉成形件， 其成形高度尺寸大于寬度尺寸，毛坯周邊的變形分布極不均勻，材料的流動(dòng)特點(diǎn)與直壁盒形件 等對(duì)稱零件 存在很大 的 差別 。 在工業(yè)生產(chǎn)中，汽車加油盒零件的生產(chǎn)與研發(fā)往往只是通過工人師傅的經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行工藝參數(shù)的選定，而這樣會(huì)消耗大量的人力、物力和時(shí)間， 使得生產(chǎn)研發(fā)事倍功半。采用計(jì)算機(jī)模擬，對(duì)板料沖裁成型的工藝過程進(jìn)行有限元分析，可以推測(cè)出金屬的流動(dòng)趨勢(shì)、模具受力情況、應(yīng)力應(yīng)變分布等，還可以預(yù)測(cè)出板料成形過程中，發(fā)生的起皺、破裂及成形后的回彈。 加油盒零件研究進(jìn)展情況 最 近幾十年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)有限元分 析技術(shù)不斷地提高，國(guó)內(nèi)研究人員知識(shí)水平地提高，逐漸在非軸對(duì)稱件上開始了實(shí)驗(yàn)研究。在計(jì)算中他們選用了考慮橫向剪切影響的曲殼單元，提出了對(duì)板料隨位置和加載變化而改變的邊界條件的處理辦法，得到了拉延過程中板料凸綠部分金屬流動(dòng)規(guī)律、工件剖面的幾何形狀，應(yīng)變分布曲線等等，并找出所研究的盒形件最容易發(fā)生破裂的地方是在轉(zhuǎn)角部分靠近凸模圓角處，為以后的研究人員們做加油盒的研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。他采用有限元分析軟件 Dynaform 對(duì)該零件的成形過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的問題或缺陷，然后通過修改和優(yōu)化工藝及模具參數(shù)，得到適用于生產(chǎn)的加工模型，并實(shí)用于工業(yè)生產(chǎn)中。 加油盒在加工中 存在的問題 加油盒在工業(yè)生產(chǎn)過程中，往往只是靠著工人師傅的經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成對(duì)加油盒生產(chǎn)的參數(shù)設(shè)置，沒有具體的數(shù)值規(guī)律使得 零件在生產(chǎn)和更新中浪費(fèi)了時(shí)間，同時(shí)也浪費(fèi)了財(cái)力和物力。 在 加油盒拉深成形過程中，最主要的兩個(gè)問題就是起皺和破裂（如 圖 13 和圖 14 所 示）。因此，必須通過試 驗(yàn)分析，找出各 工藝 參數(shù)對(duì)于成形的影響，找出最佳值，總結(jié)出規(guī)律，為加油盒 零件在 工業(yè)生產(chǎn) 中 增加效率。 具體內(nèi)容如下： （ 1） 基于正交試驗(yàn)的汽車加油盒成形工藝優(yōu)化 ； （ 2） 汽車加油盒成形質(zhì)量影響因素分析 ； （ 3） 汽車加油盒零件沖壓模具設(shè)計(jì)。從生產(chǎn)中積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)存在不直觀、不系統(tǒng)的缺陷，而成形數(shù)值模擬研究可得到直觀的動(dòng)態(tài)成形效果顯示，其計(jì)算結(jié)果可指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)， 減少生產(chǎn)研發(fā)的周期， 降低 零件 廢品率，提高模具使用壽命， 節(jié)約了人力、物力和財(cái)力， 因此對(duì)這類零件進(jìn)行系統(tǒng)的 有限元數(shù)值模擬研究具有理論和實(shí)踐上的雙重價(jià)值，同時(shí)還為非軸對(duì)稱高拉延件的有限元分析研究提供一些理論的基礎(chǔ)。 拉深成形 的主要工藝參數(shù)包括 拉深次數(shù)、壓邊力 以及 摩擦系數(shù) 等等 。 各參數(shù) 加載范圍 如 表 21 各參數(shù)加載范圍 所示。模具 CAD 模型如 圖 21 通 過 solidworks 對(duì)加油盒進(jìn)行建模 所示。 表 22 不銹鋼 304 的物理性能 參數(shù) 抗拉強(qiáng)度 σb/ MPa 屈服強(qiáng)度 /MPa 伸長(zhǎng)率 斷面收縮 率 硬度 /HB 指標(biāo) 520 205 40 60 187 參數(shù) 密度 g/ 3cm 后向異性指數(shù) 指標(biāo) 網(wǎng)格劃分 有限元網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對(duì)后續(xù)成形計(jì)算分析的結(jié)果有很大的影響。總之要精度和效率兼顧 。具體的各個(gè)模型的節(jié)點(diǎn)和單元的統(tǒng) 計(jì)列表如 表 23 各模型節(jié)點(diǎn)和單元統(tǒng)計(jì)列表 所示。薄膜單元忽略了彎曲對(duì)變形的影響，應(yīng)力、應(yīng)變被認(rèn)為是沿厚度均勻分布的，單元構(gòu)造簡(jiǎn)單，在早期的沖壓成形模擬中被較多的使用，它只適應(yīng)于脹形這類彎曲效應(yīng)不明顯的成形計(jì)算，不能模擬彎曲效應(yīng)引起的回彈和起皺現(xiàn)象。應(yīng)用于板料成形的殼單元可分為二類：一類是基于 Kirchhoff 板殼理論的薄殼單元，另一類是基于 Mindlin 理論的殼單元?；?Mindlin 理論的殼單元，采用結(jié)點(diǎn)位移和轉(zhuǎn)動(dòng)各自獨(dú)立插值的形式，它和實(shí)體元一樣是 C0 型單元，構(gòu)造簡(jiǎn)單，計(jì)算效率高，不僅適用于薄殼分析 ，也適用中厚殼的分析 。 在有限元計(jì)算過程中對(duì)殼單元選擇的基本要求是簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠。 HL 單元是從三維實(shí)體單元退化而來(lái)， 這種單元的特點(diǎn)是：可以適應(yīng)任意復(fù)雜變形，具有較高的計(jì)算精度，但是單元公式比較復(fù)雜，計(jì)算量較大，在求解大型復(fù)雜成形問題時(shí)需要較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。特點(diǎn)是：采用單點(diǎn)積分，使得計(jì)算過程相當(dāng)簡(jiǎn)單，不必計(jì)算費(fèi)時(shí)的Jaumann 應(yīng)力，有很高的計(jì)算效率，目前成為顯式有限元分析的最有效的單元，但是計(jì)算過程中可能會(huì)有零能模式出現(xiàn)，稱為 “砂漏 ”。 因此，基于以上分析，本文所進(jìn)行的 拉深 成形的有限元分析都是基于 BT 殼單元進(jìn)行的。 模具通常定義為目標(biāo)面，而工件則定義為接觸面。自動(dòng)接觸與普通接觸的區(qū)別在于 對(duì)殼單元接觸力的處理方式不同，自動(dòng)接觸考慮殼的厚度，接觸在殼單元的兩側(cè)都發(fā)生。在殼單元中，接觸通過法向投影中面的 1/2 接觸厚度（ Contact Thickness）來(lái)確定接觸面，接觸厚度可以在接觸的定義中明確指定。因此，單向接觸要比雙向接觸運(yùn)行速度快得多，因此被廣泛應(yīng)用。 定義 求解時(shí)間和輸出文件步長(zhǎng) 定義合適的求解時(shí)間對(duì)內(nèi)高壓成形模擬十分重要，求解時(shí)間越長(zhǎng)（即越接近實(shí)際的成形時(shí)間）模擬結(jié)果就越接近實(shí)際結(jié)果。本文定義求解時(shí)間為 秒。本文設(shè)置的輸出文件步數(shù)為 60 步。 加油盒拉深成形計(jì) 算 在對(duì)加油盒零件做拉深成形試驗(yàn)之前，先對(duì)其工藝參數(shù)進(jìn)行理論的計(jì)算，為試驗(yàn)做好 理論參考。 拉深系數(shù)及次數(shù)計(jì)算 加油盒零件 毛坯 厚度 t=1mm， 毛坯直徑 D≈320mm，則 其毛坯相對(duì)厚 度，查極限拉深系數(shù)表得： = = = 加油盒零件直徑 d≈150mm， 毛坯直徑 D≈320mm ，則預(yù)算各次拉深直徑為： = 320= = = =150mm（工件直徑），說明允許 的變形過程為用足。驗(yàn)算實(shí)際拉深系數(shù) =、 =，可以看出它們均大于相應(yīng)的極限 拉深系數(shù)，說明可行。 壓邊力計(jì)算 壓邊力的計(jì)算公式 如 下 =pSF ?壓 壓 （ 式 1） ： =pSF ?壓 壓 （ 式 1） 式中 S壓——壓邊圈面積， ； ——單位壓邊力， MPa。 拉深模間隙公式 如下 (1 )Ct? （ 式 2） ： (1 )Ct? （ 式 2） 選取時(shí)，第一次拉深取 即 ，第二次拉深取 1t 即 1mm。 正交試驗(yàn)法大大地減少了試驗(yàn)的次數(shù)，可以科學(xué)的、效率的得出想要的試驗(yàn)結(jié)果。 （ 1） 加油盒工藝參數(shù)： 在模擬 成形 中，其工藝參數(shù)的選擇如 表 31 加油盒拉深成形工藝參數(shù) 所示。 圖 31 加油盒毛坯形狀 （ 3） 網(wǎng)格劃分 ： 通過 dynaform 軟件中自帶的 自適應(yīng)網(wǎng)格 劃分功能，以 最大 單元尺寸 5 為單位 和最小單元尺寸為 單元 ，劃分結(jié)果為正方形網(wǎng)格數(shù)量為 5382， 三角形網(wǎng)格數(shù)量為 1017。 考慮到壓邊力、摩擦系數(shù)和壓延筋將會(huì)對(duì)加油盒成形產(chǎn)生影響，因此 設(shè)三個(gè)因素分別為壓邊力 F、摩擦系數(shù)?、壓延筋 Y， 三 水平 F 為 10000N、 20210N 和 30000N，?為 、 和 ， 兩水平 壓延筋 Y 為有和無(wú) ，試驗(yàn)指標(biāo)為 加油盒 最大變薄率 η。 表 32 水平因素表 因素 壓延筋 壓邊力／ N 摩擦系數(shù) 符號(hào) Y F ? 水平 1 2 3 有 無(wú) 10000 20210 30000 記錄下試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行極差分析， 如 表 33 極差分析表 所示 。 從實(shí)驗(yàn)可以看出，最佳的實(shí)驗(yàn)組合是第二組，即有壓延筋，壓邊力為，摩擦力為， 變薄率最小。 圖 32 成形 極限圖 (紅色為破裂危險(xiǎn)區(qū) ) 圖 33 厚度變化圖 從成形極限圖可以看出，即使采用最優(yōu)的參數(shù)組合，拉深時(shí)依然存在劈裂，主要發(fā)身在零件底部的 4 個(gè)尖角處，這主要是因?yàn)榧佑秃辛慵植坷罡叨忍?，?料變薄嚴(yán)重造成的。 本章小結(jié) 通過本次正交試驗(yàn)的分析后，找出了對(duì)加油盒零件最佳的模擬參數(shù)，并且發(fā)現(xiàn)加油盒拉深成形中的幾個(gè)危險(xiǎn)尖角。 4 加油盒 零件 兩 次 拉深 成形數(shù)值模擬 從預(yù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果可以看出，零件危險(xiǎn)點(diǎn)上的零件變薄 率為 50%以 上，可以看出，可以通過兩次拉深就可以緩解危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力和變薄問題。 兩 次 拉深 中，第二次 拉深成形 所使用的板料選用第一次 拉深成形 的凹模 ， 利用 solidworks 繪制出第 一次 成形 的凹模，基于一次 拉深成形 的凹模模型，將 拉深高度減少 40%，并將一次 拉深成形 中的四個(gè)危險(xiǎn)尖角的高度較少 60%，以確保第 二次拉深成形能夠安全完成。 （ a）毛坯 （ b）一次拉深工序件 （ c）最終零件 圖 41 加油盒零件拉深工序圖 加油盒 第 一 次 拉深 成形數(shù)值模擬 一次拉深工序件 建模 通過三維軟件 solidworks 對(duì)第一次拉伸的 模型 進(jìn)行建模，模型 如 圖 42 第二次 拉深成形 坯料模型 所示。 圖 43 第一次拉深網(wǎng)格劃分結(jié)果 加油盒零 件第一次拉深模擬試驗(yàn)工藝參數(shù)如所示。 圖 44 成 形 極限圖 圖 45 厚度變化圖 通過觀察成形極限圖，可以看 的出來(lái)，板料不存在危險(xiǎn) 的 區(qū)域 ， 而且沒有破裂 ，說明以這個(gè)工藝參數(shù)，可以順利完成加油盒零件的第一 次 拉深成形。 加油盒二次 拉深 試驗(yàn)第二次 拉深成形 加油盒 第 二次 拉深 成形所選擇的工藝參數(shù) 跟 第 一次 拉深 成形所選擇的一樣 ：使用壓延筋、壓邊力為 20210N 以及摩擦系數(shù)為 。 圖 46 第二次 拉深成形 極限圖 圖 47 第二次 拉深成形 厚度變化圖 從成形極限圖可以看出，即采用最優(yōu)的參數(shù)組合，拉深時(shí) 已經(jīng)不 存在劈裂 的情況了 ， 由于 拉深 高度變小了，所有部分的材料都在安全的區(qū)域 。 本章小結(jié) 本章針對(duì)了加油盒一次 拉深成形時(shí)，出現(xiàn)的幾個(gè)危險(xiǎn)尖角，通過降低危險(xiǎn)尖角處的拉深高度 ，使加油盒安全成形。 5 加油盒拉深成形影響因數(shù)分析 及模具設(shè)計(jì) 加油盒拉深成形的三個(gè) 影響加油盒成形的 工藝參數(shù) —— 壓延筋、壓邊力和摩擦系數(shù) 之間會(huì)互相影響，為了找出單因素對(duì)加油盒成形的影響，本章采用了使一個(gè)參數(shù)變化同時(shí)固定另外兩個(gè)參數(shù)的值的方法，并根據(jù)結(jié)果繪制曲線圖。 表 51 試驗(yàn)條件表 工藝條件 數(shù)值 摩擦系數(shù) 壓邊力 20210N 20210N 壓延筋 有 無(wú) 加油盒零件虛擬壓延筋布置 位置如 圖 51 壓延筋布置位置 所示 。 無(wú)壓延筋 有壓延筋 圖 52 不設(shè)置壓延筋和設(shè)置壓延筋的 成形 極限圖對(duì)比 無(wú)壓延筋 有壓延筋 圖 53 不設(shè)置壓延筋和設(shè)置壓延筋的厚度變化圖對(duì)比 通過觀察分析以上兩個(gè)對(duì)比圖，繪制壓延筋對(duì) 拉深成形 厚度變化率的影響條形圖，如 圖 54 壓延筋對(duì) 拉深成形 變薄率影響條形圖 所示。 由于壓延筋的作用是增加材料流動(dòng)的阻力， 降低材料在切向壓應(yīng)力作用下失穩(wěn)的可能，從而 減少起皺的出現(xiàn)。 壓邊力 對(duì)加油盒拉深成形的影響 壓邊圈對(duì)于加油盒 拉深成形 有著較大的影響，其作用有兩個(gè)是 方面 ，一方面是為前次 拉深 后的毛坯精確定位， 而 另一方面是限制材料流動(dòng)的速度，防止起皺 。而當(dāng)壓邊力過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致壓邊圈與坯料之間的摩擦力增大，影響材料流動(dòng)性，使零件產(chǎn)生破裂，因此，通過單獨(dú)對(duì)壓邊力進(jìn)行變量試驗(yàn)，可以找出 成形 的最佳值。 試