支撐板沖壓工藝與模具設(shè)計【含CAD圖紙+文檔】

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XX大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 文獻翻譯 院（系）名稱 工學(xué)院機械系 專業(yè)名稱 材料成型及控制工程 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 20xx年 03 月 10 日 沖壓模具設(shè)計中檔壁起皺分析 摘要：目前，正在研究發(fā)生在沖壓圓錐方杯和階梯式矩形杯的起皺。發(fā)現(xiàn)這兩種起皺類型有一個共同特點―皺紋發(fā)生在相對沒有支撐的檔壁上。在沖壓錐形方盒的過程中，效果工藝參數(shù)，如模具的間隙和壓邊力，在研究起皺過程中??利用有限元模擬的方法。仿真結(jié)果表明，越是較大的模具間隙，起皺越是嚴重，并且增加壓邊力不能抑制起皺。在分析起皺發(fā)生在沖壓的階梯長方形杯的過程中，借助對實際生產(chǎn)過程中的一個類似的幾何類型的調(diào)查。檔壁上發(fā)現(xiàn)的皺紋是由于金屬板材之間的沖頭和臺階邊的不平衡伸展造成的。為了達到消除皺紋的目的，最佳的模具設(shè)計中確定使用有限元分析。仿真結(jié)果和那些觀察到的無皺的部分生產(chǎn)驗證了有限元分析的精度，并演示了使用有限元分析在沖壓模具設(shè)計中的優(yōu)勢。 關(guān)鍵詞：檔壁起皺，沖壓模具，階梯式矩形杯，圓錐方杯 1簡介 起皺是金屬板材成型工藝中的主要缺陷之一。兼具功能性和視覺的原因，皺紋在成品中是不允許存在的。通常在金屬板材成形工藝中有三種類型的皺紋：法蘭起皺，墻面起皺，彈性屈曲變形的區(qū)域(由于殘留彈性壓應(yīng)力造成的)。在對復(fù)雜形狀的板材沖壓成形工藝中，檔壁起皺意味著皺紋的發(fā)生在模具型腔。由于在壁上的金屬板部分相對沒有工具的支撐，因此消除壁上的皺紋比抑制法蘭皺紋更加困難。眾所周知，額外的拉伸不受支撐的壁體面的材料，可以防止起皺，并且可以在實踐中通過增加壓邊力來實現(xiàn)；但過度的拉伸應(yīng)力的應(yīng)用可能會撕裂壁體材料從而導(dǎo)致失敗。因此，壓邊力必須保持在一個狹窄的范圍之內(nèi)，總的來說，一方面要抑制皺紋，另一方面要防止產(chǎn)生裂紋。這種壓邊力的窄幅難以確定。對于形狀復(fù)雜且發(fā)生在中央的皺紋面積的沖壓件，一個可行的壓邊力范圍，甚至不存在。 為了研究皺紋的形成機制，Yoshida等[1]開發(fā)了一個在薄非均勻拉伸板沿其其中一條對角線的測試。他們還提出了一個近似的理論模型來說明起皺的發(fā)病是由于彈性屈曲產(chǎn)生在非均勻壓縮側(cè)向應(yīng)力應(yīng)力場。 Yu等[2,3]通過實驗和分析研究起皺問題。起皺可能發(fā)生是根據(jù)他們的理論分析中有兩個環(huán)形波，而實驗結(jié)果顯示4至6個皺紋。 narayanasamy和Sowerby ，通過一個圓錐形的模具，使用平底和半球形沖頭檢查起皺。他們還試圖排列似乎抑制起皺的屬性。 這些努力都集中在與起皺問題相關(guān)的簡單形狀的成型操作中，如一個圓形的杯子。在20世紀90年代初，三維動態(tài)/顯式有限元法在單金屬成形工藝中的成功應(yīng)用，使得分析起皺問題涉及形狀復(fù)雜沖壓件成為可能。在目前的研究中，在沖壓圓錐方杯和階梯式矩形杯的工藝中采用三維有限元法分析金屬流動工藝參數(shù)引起皺紋的影響問題。 圖1（a）在圓錐方杯和（b）階梯式矩形杯 圖2 有限元網(wǎng)格 一個方錐形杯，如圖所示：1（a）中，有一個傾斜借鑒杯的每一側(cè)的墻上，與現(xiàn)有一個圓錐形杯子類似。在沖壓過程中，板材在壁面上是相對沒有支持的，因此容易起皺。在本研究中，對各種引起起皺的工藝參數(shù)進行了調(diào)查。在階梯的矩形部分的情況下，如圖所示：1（b），另一種類型的起皺觀察。為了估算效益分析，在目前的研究中對與階梯幾何有關(guān)的實際生產(chǎn)中的一部分進行了調(diào)查。決定用有限元分析法來分析導(dǎo)致皺紋的影響因素并且提出了優(yōu)化模具設(shè)計來消除皺紋。實際生產(chǎn)部分的意見驗證了有限元分析在模具設(shè)計中的應(yīng)用。 2有限元模型 模具的幾何形狀，包括沖壓，模具和壓邊力，設(shè)計采用CAD軟件Pro /工程師。 3節(jié)點和4節(jié)點殼單元通過上述工具的生成網(wǎng)格系統(tǒng)使用相同的CAD程序。對于有限元模擬，本模具被認為是剛性的，相應(yīng)的網(wǎng)格僅用于定義刀具幾何并且不適用于應(yīng)力分析。相同的CAD程序，用4 - 節(jié)點殼單元構(gòu)建網(wǎng)格系統(tǒng)板的間隙。圖2顯示了網(wǎng)格系統(tǒng)一套完整的工裝，板材在使 用空白沖壓錐形方盒。由于對稱條件下，只有四分之一的方杯進行了分析。在模擬過程中，模具下移，以打擊空腔來完成沖壓。然后，沖頭上升引導(dǎo)金屬進入型腔。 圖3 為金屬板材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 為了進行精確的有限元分析，實際板材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系作為輸入數(shù)據(jù)的一部分。在目前的研究中，鈑金拉深質(zhì)量是在模擬中使用。拉伸實驗已進行軋制方向沿軋制方向(0°)和(45°)恰逢表面與(90°)軋制方向相切。平均流動應(yīng)力，計算從方程，每個真實應(yīng)變的測量，如圖所示3，用于方錐形杯和階梯式矩形杯沖壓的模擬。所有在本研究中進行模擬運行SGI的靛藍2工作站使用的有限元親克的PAMF印花稅。為了完成模擬中所需要輸入的一系列數(shù)據(jù)，打孔速度設(shè)置為10M 每秒并且假設(shè)1庫侖摩擦力等于0.1 acoefficient。 3圓錐方杯起皺 示意圖說明一些有關(guān)尺寸的圓錐方杯如圖1（a），正如圖1（a）所示每平方米沖頭端度（2WP級），模具型腔開口處（2We），壁高度（H）都作為影響起皺的關(guān)鍵尺寸。在目前的研究中，有一半型腔的尺寸之間的差異來自于模具型腔開口處和沖頭之間的模具差異（G）。相對不受支持的鈑金壁體的起皺與模具的間隙有關(guān)，并且起皺被認為是通過增加壓邊力來抑制的。模具的差別和壓邊力對圓錐方杯起皺的影響將在接下來的章節(jié)中進行研究。 3.1模具間隙的影響 為了檢查模具間隙對起皺的影響，用三種不同的模具沖壓錐形方盒20毫米，30毫米和50毫米的差距進行了模擬。在每個模擬開幕，模具型腔固定在200毫米，并且錐形方杯都是100毫米的高度。在所有三個模擬中使用的都是380毫米×380毫米并且板厚度均為0.7毫米的方型板塊，圖 3為應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線。 仿真結(jié)果表明，起皺發(fā)生在所有三個方錐形杯，根據(jù)模擬的形狀如圖繪制模具間隙為50毫米的模具杯。如圖 4可見，起皺發(fā)生在不受支持的墻體而且特別明顯的是在相鄰的角落墻壁?？梢?，起皺大部分是由于不受支持的壁體在沖壓過程中產(chǎn)生的，同時，由于模具的差異導(dǎo)致沖頭的邊長和模具型腔的差異。由于壓縮的橫向應(yīng)力的存在，導(dǎo)致鈑金伸展之間的圖4。起皺的方錐形杯（七50毫米）。開幕式是由于以不同的模具間隙。鈑金伸之間的沖頭和模具型腔的肩膀變得不穩(wěn)定。無約束的鈑金拉伸似乎是不受支持的壁體起皺的主要原因。為了比較三個不同的模具差異，兩個主要比較的結(jié)果是，最小值/最大值，其中最大和最小的主要和次要的主要菌株。Hosford和 Caddell [5]表明，如果絕對值大于某一臨界值，起皺應(yīng)該發(fā)生，絕對值越大，起皺可能性越大。 圖4 起皺的方錐形杯（高度=50毫米） 圖5 不同的模具間隙下沿截面M-N值 在相同高度的三個模擬模具差異中，根據(jù)沿橫截面的M-N值，作為標記圖，如圖 4，繪制圖 5。據(jù)悉，從圖 5可知，嚴重的皺紋都靠近角落并且這三個差異模具很少皺紋發(fā)生在中間的墻體上。人們還注意到，模具間隙越大，絕對值越大。因此，增加模具的間隙將增加在圓錐方杯壁體起皺的可能性。 3.2壓邊力的影響 眾所周知，增加的壓邊力有助于消除在沖壓過程中起皺。為了研究增加壓邊力的有效性，方錐形杯沖壓模具間隙50毫米，如上所述嚴重起皺，不同的壓邊力數(shù)值模擬。壓邊力從100千牛增加到600千牛，分別產(chǎn)生了一個壓邊壓力0.33兆帕和1.98兆帕。余下的模擬條件保持在上一節(jié)中指定的相同高度的另外兩個擁有不同模具間隙的模具中。也使用一個中間的壓邊力為300千牛來仿真。 仿真結(jié)果表明，增加壓應(yīng)力并不能幫助消除發(fā)生在墻體上的皺紋。沿橫截面的值M-N，標記如圖 4，與另外兩個壓邊力為100千牛和600千牛的沖壓工藝相比較。仿真結(jié)果表明，沿截面M-N值在這兩種情況下幾乎是相同的。為了檢查在兩個不同壓邊力皺紋形狀的差異，繪制在不同高度從底部行至M-N線的M-N值，標記在圖4和圖6兩種情況下。從圖6可知兩種情況下的橫截面波形是類似的。表明壓邊力在方錐杯得沖壓工藝中不影響起皺的發(fā)生，這是因為在不受支持的壁體上的皺紋的形成主要是因為橫向壓力的存在。壓邊力對沖頭和模具型腔的肩膀之間的不穩(wěn)定材料沒有影響。 圖6 不同高度截面線不同的壓邊力(a)100千牛和(b)600千牛 4階梯式矩形杯 在階梯長方形杯的沖壓加工過程中，起皺發(fā)生在即使在壁體模具的間隙并不是那么顯著。圖1（b）顯示了一幅沖頭形狀的草圖，沖壓用在壁體C其次階梯矩形杯的D與E。在本研究中，這種類型的幾何研究是實際生產(chǎn)中的一部分。在生產(chǎn)中使用的是0.7毫米厚的材料，應(yīng)力拉伸試驗獲得的應(yīng)變關(guān)系如圖3。 在沖壓車間生產(chǎn)沖壓件的過程中，包括微調(diào)的拉深。在拉深過程中，沒有平面珠在模具表面以促進金屬流動。然而，由于小沖角半徑和復(fù)雜的幾何形狀，在實際生產(chǎn)中分裂發(fā)生在頂部邊緣的角和皺紋發(fā)現(xiàn)發(fā)生在壁體，如圖7。從圖可以看出。 皺紋分布在壁體嚴重的拐角處邊緣，標志著A-D和B-E如圖1（b）。金屬被撕裂沿整個沖頭的頂部邊緣，如圖7，形成分裂。 圖7在生產(chǎn)部分的分割和皺紋 圖8 模擬形狀與生產(chǎn)分割和皺紋的一部分 為了提供一個進一步了解沖壓過程中的變形，決定采用有限元素分析。首先進行原始設(shè)計，模擬形狀如圖8所示。在網(wǎng)頂邊的一部分明顯被拉長，皺紋分布墻體上，類似在實際上觀察到的。 小沖半徑，如沿邊緣的半徑A-B和半徑的沖角，標記在圖1（b）被認為是壁體裂紋的主要。然而，根據(jù)有限元的結(jié)果分析，分裂可避免通過增加上述半徑。這一概念在實際生產(chǎn)，通過生產(chǎn)具有較大的圓角半徑得到驗證。 也作了幾次嘗試，以消除皺紋。首先，壓邊力增加至原來的兩倍，然而，正如在前面所取得的部分成果繪制的方錐形杯，效果上消除起皺的壓邊力并不是那么的重要。也得到相同的結(jié)果通過增加摩擦或增加間隙的大小。我們的結(jié)論這種起皺不能通過增加拉伸力來抑制。 皺紋的形成，是因為過多的金屬在某些地區(qū)流動受到大的壓力，講簡單的方法，消除皺紋可以通過添加在皺紋區(qū)域的拉桿，吸收多余的材料。應(yīng)補充的拉桿平行方向的皺紋，使多余的金屬液體有效地被吸收?；谶@個概念，兩個拉桿添加到相鄰的墻壁，如圖9所示，吸納過度的物質(zhì)。仿真結(jié)果表明，步在角落的皺紋都由拉桿吸收的如預(yù)期，但仍然出現(xiàn)一些皺紋在墻體上。這表明需要用更多的拉桿吸收所有多余的材料。然而，從零件設(shè)計考慮這是不容許的。 圖9 拉桿添加到檔壁 圖10 皺紋形成時空腔觸及階梯邊緣 利用有限元分析的優(yōu)點在于可以在整個沖壓過程中控制沖壓工藝的變形的板材，然而，在實際生產(chǎn)過程中是不可能的。細看在沖壓過程中的金屬流動揭示了，空腔第一次被卷入由沖壓模具型腔頭部和皺紋都沒有形成直到空腔觸及臺階邊的D-E的標記圖 1（b）。滿臉皺紋如圖10所示。這為模具設(shè)計的修改過程提供了有益的信息。 起皺發(fā)生的原因初步推測是由于不均勻伸展的金屬板之間的沖圓角半徑A和步驟角落半徑D所造成的，如上圖1（b）。因此，模具的設(shè)計進行修改的階梯角落，被切斷，如圖11所示，以至于使彈力的有利條件改變，允許臺階邊緣增加的更加舒展。然而，皺紋仍發(fā)現(xiàn)在壁體的一側(cè)。這一結(jié)果意味著，皺紋的產(chǎn)生是因為整個沖頭邊緣與整個臺階邊之間的不平衡舒展造成的，并不只是之間的沖角和一步一個角落。為了驗證這一想法，兩個修改模具設(shè)計建議：一個是削減整個步驟；另一種是添加一個繪圖操作，繪制所需的形狀，使用兩個繪圖操作。前一種方法的模擬形狀如圖12。由于較低的一步被切斷，拉絲工藝與矩形杯引伸頗為相似，所示圖12。從圖12可以看出，皺紋被消除。 圖11 切斷的階梯角落 圖12 修改后的模具設(shè)計的模擬形狀 在這兩個拉絲工藝操作過程中，空腔 首先向更深一步的繪制，如圖所示13（a）所示。通常情況下，較低的一步操作是在第二步繪制過程中，然后得到所需的形狀，如下所示圖13（b）。從圖13（b）可以看出，可以通過兩步操作繪制過程制造無起皺的階梯矩形杯，同時還應(yīng)該指出，兩個操作繪圖過程中，如果一個相反的順序得到應(yīng)用，即較低的第一步先形成，其次更深一步，更深一步的邊緣繪圖，由圖1（b）A-B所示，很容易撕裂，因為金屬不能輕易流過較低的表面進入型腔。 有限元模擬表明， 沖壓所需的階梯式矩形杯使用的模具設(shè)計勉強達到一個單一的繪制操作。然而，制造成本預(yù)計為高得多是由于額外的模具成本和操作拉絲工藝運營成本。為了保持較低的制造成本，部分設(shè)計工程師提出了合適的形狀變化和修改模具設(shè)計，根據(jù)有限元仿真結(jié)果切斷較低的步驟，如圖所示12。修改后的模具設(shè)計，實際沖壓模具生產(chǎn)制造和部分生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)無皺紋，如圖所示14。部分形狀也同意從有限元模擬取得。 圖13 （a）第一次手術(shù)（b）在第二次手術(shù)的兩個操作的拉絲工藝 為了進一步驗證了有限元模擬結(jié)果，G-H沿厚度分布的模擬與結(jié)果得到圖14，與生產(chǎn)環(huán)節(jié)的測量相比，比較如圖15。從圖15可以看出，有限元預(yù)測的厚度分布與在生產(chǎn)中實際測量的仿真吻合。該觀點承認了有限元分析有效性。 圖14 無缺陷生產(chǎn)的一部分 圖15 G-H沿厚度分布模擬結(jié)果與實測 5總結(jié)和結(jié)束語 在沖壓過程利用有限元分析發(fā)生的兩種類型的起皺，調(diào)查起皺原因和研究消除這種皺紋的方法。 第一種類型的皺紋出現(xiàn)沖壓錐形方盒的壁體上。起皺的發(fā)生歸因于大型模具的差異，這是區(qū)別主要是在模腔開口的邊長和側(cè)面沖頭的長度上。大型模具有很大的差距，當(dāng)金屬被卷入不受支持面積板材和不利舒展的沖頭和模具型腔時，不受支持面積板材板材容易起皺。有限元仿真結(jié)果表明，這種類型的起皺不能通過增加壓邊力來抑制起皺。 另一種類型的起皺調(diào)查發(fā)生在實際有一個階梯的矩形幾何沖壓件上。發(fā)現(xiàn)起皺發(fā)生在壁體高于上述步驟即使模具差距不是夠的大。根據(jù)有限元分析起皺是由于不平衡的沖頭和舒展之間的加強優(yōu)勢。幾個在模具設(shè)計的嘗試，以消除皺紋，使用有限元模擬和優(yōu)化設(shè)計這一步被切斷終于成立了。修改后用于消除皺紋的模具設(shè)計通過生產(chǎn)無缺陷的一部分得到驗證。仿真結(jié)果和生產(chǎn)實踐觀察的吻合充分展示了有限元分析的準確性。用有限元模擬代替昂貴的方法，證實了有效元分析的有效性。 參考文獻 1. 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