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畢業(yè)設(shè)計(jì)-加油盒沖壓成形數(shù)值模擬及模具設(shè)計(jì)-在線瀏覽

2025-02-03 17:22本頁(yè)面
  

【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
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