基于有限元的半球形件冲压成形中拉延筋设计.docx

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基于有限元的半球形件冲压成形中拉延筋设计

毕业设计说明书（论文）中文摘要

本文首先通过分析半球形件在冲压成形中的变形特点，了解半球形在冲压成形中遇到的问题：

起皱与破裂。

然后针造成起皱与破裂的影响因素进行分析，尤其是拉延筋设计在半球形件冲压成形中的影响,借助CAE建模在通过用DYNAFORM改变拉延筋位置、拉延筋方式、筋高、拉深速度与压边力等因素，进行半球形件的成形性能的有限元分析仿真，探讨半球形件冲压成形工艺中拉延筋的设计，并最终选择较优拉延筋参数的方法。

关键词拉延筋半球形件冲压成形有限元

毕业设计说明书（论文）外文摘要

TitleDrawbeadDesignOfHemisphericalStampingBasedOnFiniteElementAnalysis

Abstract

Hemisphericalpiecesofpaper,throughanalysisofthedeformationinformingthecharacteristicsofhemisphericalinformingtheunderstandingoftheproblems:

wrinklingandrupture.Thencausewrinklingandrupturepinsfactorsaffectingtheanalysis,especiallydesigneddrawbeadhemisphericalStampingineffectthroughtheuseofCAEmodelingdrawbeadwithDYNAFORMchangethelocation,drawbeadway,ribheight,Drawingspeedandblankholderforceandotherfactors,theperformanceofhemisphericalshapepartsfiniteelementanalysissimulationofmetalformingprocesshemisphericaldrawbeaddesign,andultimatelyselecttheoptimumDrawbeadparameters.

KeywordsDrawbeadHemisphericalpiecesStampingFEM

1绪论

1.1选题背景

半球形零件在板料成形中是经常遇到的比较典型的零件。

随着科学技术的发展，半球形冲压成形工艺被广泛应用于汽车航天等各领域，目前在汽车和飞机制造业中半球形件的成形方式很多都为拉深成形[1]。

在冲压加工中半球形件会带有一些难度：

一般都是凹模口部的内坯料曲面部分的起皱，有可能影响板料的成形和使用性能。

半球形冲压成形中拉延筋的设计主要是解决起皱与破裂这些难点问题。

因为半球形件属于曲面回转体零件，半球形件成形是曲面成形中最简单的一种，但是半球形件也是薄板金属冲压件中较难成形的一类零件，半球形件由于含有圆角区的缘故，变形区内变形大小的分布不是很均匀的，造成半球形件成形的不均匀性明显,因此研究影响半球形冲压成形的因素将会对以后研究各种复杂曲面成形有很好的参考意义。

半球形件成形工艺（HemisphericalMoldingTechnology,HMT）是研究球面零件拉深成形时防止或减少皱曲的技术，是研究复杂几何形状的曲面冲压成形工艺的基础，掌握半球形件的变形规律对实际生产有重要的指导意义[2]。

在板料成形的过程中，压料面上各部位的进料阻力各不相同，一般采用拉深筋来进行控制。

拉深筋参数的合理取值及拉延筋位置的合理布置是控制金属流动、防止出现起皱和破裂的重要手段。

通过改变拉延筋几何参数使变化率更加合理，能明显地提高半球形件冲压成形中拉延筋的设计质量。

本课题首先选取了简单的非轴对称件——半球形件作为研究起点,借助CAE手段通过改变拉延筋参数方式，进行半球形件的成形性能的有限元分析仿真，探讨半球形件冲压成形中拉延筋的设计。

1.2冲压成形技术研究现状

（1）半球形件冲压成形研究现状

国外Yossifon等人通过对ALI100坯料的系列试验，得出结论：

优化压边力曲线是与不失稳的最小值互相对应的，即压边力大小刚好保证不起皱[3]。

从试验的角度分析半球形零件冲压成形的失稳点，得出半球形零件的内皱一般发生在相对其半径为0.86～0.88附近的位置处。

（2）拉延筋技术研究现状

1998年，T.Meinders建立了一种基于罚约束法的拉延筋等效模型[4]。

将该拉延筋的等效模型用于盒形件的拉深仿真，在材料选取为弹塑性模型时，比只考虑筋阻力的等效拉延筋模型的仿真结果更符合试验的结果。

由于板料经过拉延筋时的变形过程比较复杂，在推导这些模型的时候，考虑的因素不同，建立的模型也不相同，其计算的精确度也不相同，为了考虑某些因素，就需要引入一定的假设，这也会对模型的计算精度造成一些影响[5]。

1.3主要研究目标及内容

本项课题以半球形冲压成形性为研究对象。

通过对凹模施加拉延筋来增加进料的阻力，从而减少起皱与拉裂，再借助CAE手段建模通过DYNAFORM改变拉延筋参数方式（拉延筋的位置，形式，筋高等），进行半球形件成形性能的有限元仿真分析，探讨半球形件冲压成形工艺。

了解半球形件在拉深成形过程中其起皱与拉裂的状况。

试验通过对不同变量曲线下的FLD图进行观察，最终确定并选择合适的参数来优化其成形工艺。

本课题的主要内容归纳如下：

（1）分析国内外的研究现状，了解并确定本课题的研究内容；

（2）研究并分析半球形件的成形理论和其成形中遇到的问题，如起皱、破裂及拉延筋在冲压成形中的作用，确定其影响因素：

压边力、拉深速度、拉延筋的各参数等；

（3）介绍板料成形的有限元数值模拟基本理论以及Dynaform软件的数值模拟过程，确定研究半球形件成形工艺中拉延筋设计的具体仿真试验方案；

（4）选择板料及模具的参数，使用Pro/E建立CAD模型，在Dynaform中建立冲压模具、压边圈、板料的有限元模型，建立半球形件模型，选定合适的试验参数；

（5）采用不同的拉延筋位置的情况下进行分析，比较成形性能，得出较优的解；

（6）对不同的拉延筋形式进行分析，比较成形性能，得出拉延筋形式的优化方案。

（7）使用不同筋高对优化解进行进一步分析，得出筋高的优化方案；

（8）使用不同的变压边力对优化解进行进一步分析，得出压边力的优化方案。

1.4论文的组织结构

本文以板料拉深成形中比较有代表意义的半球形件为主要研究对象，从理论上分析和研究其拉深成形过程中成形机理和变形特点以及缺陷，并使用板料成形模拟仿真专用软件DYNAFROM对半球形件进行仿真和分析，并对基于有限元的半球形件冲压成形中拉延筋的设计的最优条件进行预测。

全文分为五四章，各章内容如下：

第1章：

简要介绍了课题研究的背景和意义，分析了国内外冲压成形工艺相关技术的研究现状，确立了课题的研究内容和目标，阐述了论文的结构安排。

第2章：

进行半球形件拉深过程拉延筋设计的理论分析，并对板料成形失效中的起皱和拉裂的评价标准进行了简单的分析。

第3章：

对半球形件成形时破裂和起皱临界压边力理论进行了研究，分析了影响板料临界压边力的因素，并讨论了板料成形的安全区域。

第4章：

用DYNAFORM对拉深成形进行模拟分析，即反映其变形特点及对拉延筋参数等因素作用下的半球形件成形过程进行了仿真分析。

结束语：

简要总结了本课题研究取得的成果与不足，并对今后的工作进行了展望。

2半球形件冲压成形工艺理论分析

在冲压生产的过程中，拉深件的种类很多，形状各不相同，虽然它们的冲压过程都叫做拉深，但其变形区的位置、变形的性质、应力应变状态及其分布等都各不相同，所以工艺参数、工序数目与顺序的确定方法及模具设计原则与方法也都不一样，由于半球形件法兰部分易起皱，内壁容易拉裂，并且受压边力、凹模圆角半径、拉延筋的参数等因素的影响，使得其起皱影响区成形机理非常复杂[6]。

按力学变形的特点，拉深工件可分为桶形件（圆桶形件，带凸缘圆桶件，阶梯圆桶件）、曲面回转体零件（球形、抛物线形、锥形等）、盒形件（方形、矩形、椭圆形等）和不规则形状零件等四大类。

半球形件是比较常见的、几何形状比较规则的、应用比较广泛的一类曲面回转体冲压件，在轴对称零件中也具有一定的代表性，属于薄板金属冲压中较难成形的一类零件，其在成形过程中的变形特点是值得研究的。

因此本文以半球形件冲压工艺为研究起点，通过施加拉延筋并改变拉延筋的各参数来减少起皱与拉裂，使成形效果达到进一步优化[7]。

2.1半球形件冲压成形的变形特点

（1）半球形件初次拉深成形时，零件表面的网格发生了明显变化，说明凸缘变形区直边部分发生了横向压缩变形，使圆角处的应变强化得到缓和，从而减小了圆角部分传力区的轴向拉应力，相对增加了传力区的承载能力（如图2.1）。

1.凸模2.压边圈3.板料4.凹模

图2.1划分网格后的有限元模型

（2）半球形件拉深时，凸缘变形区圆角处的拉深阻力大于直边的拉深阻力，造成圆角处的变形程度比直边处的变形程度要大。

因此，变形区内直边处大于圆角处金属质点的位移量，从而使这两处的位移速度不同，而毛坯中这两部分又是一个联系在一起的整体，变形时必然会相互牵制，这种位移速度差就会引起剪切力，而这种剪切力被称为位移速度诱发剪应力。

诱发的剪切力在两处交界面处达到了最大值，并沿着直径和圆角处的中心线逐渐减小[8]。

实际上曲面零件的成形，是坯料从凹模端面的拉入和凸模底部坯料的变薄所导致，即曲面零件成形的机理，是坯料的拉深与胀形两种变形方式的复合。

2.2半球形件冲压成形遇到的问题

和普通光板一样，半球形件的冲压成形是一个复杂的、多重非线性的力学变形过程，且由于半球形件的材料、曲面的存在，使半球形件的冲压成形过程变得复杂，因此其成形过程也出现了较多的缺陷，总体来说，半球形件的主要缺陷形式有：

起皱、破裂等[10]。

2.2.1起皱

薄板在冲压成形时，为使金属发生塑性变形，模具要对板料施加外力，使在板内形成复杂的应力状态，由于板料的厚度相对于其他两个方面的尺寸是非常小的，因此厚度方向是不稳定。

板厚方向在板料内的压应力作用下达到失稳极值时，板料发生起皱现象。

起皱是影响板料在冲压成形中面形状精度不良的主要因素。

一般来说，冲压零件上发生剧烈形变的位置周围，因为毛坯的变形不能均匀的分布，导致零件表面上易形成部分起伏（或凸凹），当起伏高度保持在0.2mm范围内时，称为“面畸变”，当起伏高度达到或超过0.2mm时则称为“起皱”。

起皱是板料拉深成形中的一种不利现象，轻微的起皱会使产品的形状精度、尺寸精度以及表面质量等受到影响，而严重的起皱影响加工过程的顺利进行。

因此，科学地掌握起与了解起皱发生的规律，对板料成形技术的进步具有很重要的意义。

在板料冲压过程中会产生各种各样的起皱，按造成起皱的外力分可以分为四类（如图2.2），这和引起起皱的外力分类（包括压缩力、剪切力、不均匀拉深力以及平面内弯曲力等四类）是一一对应的。

按起皱发生的位置分也有四类：

凹模表面、凹模口部、拉深侧壁和凸模底部。

图2.2板料起皱类型

在半球形件冲压成形过程中，薄板的起皱过程与普通光板类似，但在凹模法兰区（如图2.3）最容易发生起皱，这不仅受拉深系数和凹模工作部分的几何形状有影响，最重主要的是受相对厚度（

，其中

是拉深前板料的厚度，

是拉深前毛坯直径）的影响，中国科学院金属研究所的张士宏等人通过研究得知：

板料毛坯的相对厚度越大，拉深变形区抗失稳能力越差，也越容易产生起皱，而且起皱最先会发生在法兰区。

李春峰经过试验研究及理论分析，提出了半球形零件冲压变形失稳点的概念，通过对研究半球形零件冲压变形失稳点，得出半球形件起皱大多发生在相对半径为0.86～0.88附近的位置，而在相对半径0.64的位置容易发生裂纹，在试件的平面应变状态点附近会产生破裂点。

我们可以通过增加材料流动的阻力来消除半球形件冲压过程中发生的起皱现象，可以在起皱区引入材料的流动阻力，消除一些压应力的影响。

还可以采取使用分块或阶梯压边圈，加大压边力，也可以在法兰区设置拉延筋，使法兰区部分材料的流动阻力加大，从而达到消除起皱。

但是，如果压边力或拉延筋的约束力太大，材料就会出现拉裂。

相反，如果压边力或拉延筋的约束力不够大，材料流动的阻力太小，就不能够有效的消除起皱现象。

一般而言，理想的压边力规律应该是：

在最初的时候压边力应稍大一些，使板料发生拉深，当冲头运动行程已经比较大时，压边力开始应适当变小点，避免产生拉裂。

但在现实的操作中控制压边力大小的准确度还是有些难度的。

2.2.2破裂

在半球形件冲压成形中拉深失稳的另一表现就是破裂。

在拉应力作用下毛坯发生塑性变形时，材料的应变强化效应在增加，承载面积却是在缩小。

当材料硬化的应力增量足以弥补承载面积的减小量并且还能保持稳定变形所需要的应力增加值时，拉深变形可以稳定进行；当两者相等时，拉深变形处于临界状态，即失稳点；当材料硬化的应力增量小于承载面积的减小需要的应力增加值时，毛坯会失稳发生破裂（如图2.4）。

破裂和起皱的实质是相同的，都是不能稳定进行变形导致的。

不同的是，拉深失稳只有在材料进行塑性变形时会发生，半球形件的底部容易发生破裂，因为产生应力比较集中。

图2.3半球形件冲压成形起皱图2.4半球形件冲压成形破裂

2.3影响半球形件冲压成形的因素

造成以上缺陷的影响因素非常多，如毛坯几何参数、模具几何参数、板材性能参数（如板料的强度比）、工艺条件（如压边力、冲压速度、模具和板料的润滑条件等）等等。

2.3.1毛坯几何参数

对于半球形件来说，其毛坯几何参数主要包括：

相对厚度、板料的初始外形和尺寸。

（1）相对厚度（

）

在半球形件冲压成形过程中，薄板与普通光板的起皱过程有很多相同，但在凹模法兰区非常容易起皱（如图2.3），这不仅受拉深系数和凹模工作部分的几何形状影响，最主要是与相对厚度有关。

对于同一材料，相对厚度的增加会使得切向压边力大大增加，从而增加板材的稳定性，也就是说在承受较大的切向压应力时还能不发生屈曲保持平面的平衡，因而可以用

来衡量板材的稳定性，这就是为什么在薄板成形中采用叠层拉深可以提高稳定性的原因。

对于冲压成形中的内皱问题，可以通过提高板料的相对厚度来防止内皱的产生[11]。

（2）毛坯的形状和尺寸

毛坯的初始形状与尺寸是影响成形效果的重要因素之一。

毛坯形状与尺寸设计的合理，有利于改善冲压过程中材料的流动性，从而降低产生拉裂、起皱的可能性，提高零件的成形性。

合理的毛坯形状与尺寸，不仅可以弥补材料自身成形性的不足，也可以对模具设计制造上的欠缺进行一定补偿，减少修模次数，降低废品率。

2.3.2冲压工艺参数

影响板料成形的工艺条件有：

压边力、摩擦系数、冲压速度等。

（1）压边力

压边力是冲压成形过程中影响冲压件成形质量的重要工艺参数，它可以改变材料中的拉应力大小，从而影响材料的流动。

所以采用合理的压边力可以预防半球形件成形中过早产生起皱和破裂，还可以使生产的效率提高[12]。

传统的压边力控制方法有两种，一种是基于单动压力机的，主要通过弹性装置、气垫和液压垫来控制压边力。

另一种是基于双动压机，由独立的滑块驱动压边圈，控制压边力大小，一般压边力不随拉深行程变化。

（2）冲压速度

冲压速度也是冲压成形过程中影响冲压件成形质量的重要工艺参数，它是通过向材料施加的正向压应力来控制材料流动的。

合适的冲压速度不但能防止半球形件成形中起皱和破裂的过早出现，还能提高生产效率。

冲压速度大小因其成形方式、成形条件不同而不同，因此要根据具体问题具体分析。

较大的冲压速度会导致形件的破裂，较小则达不到冲压要求。

在实际生产中，为了提高生产效率，冲压速度一般取较大值。

（3）摩擦系数

在拉深成形过程摩擦系数的大小对成形的影响是双重的。

不仅使板料在拉深过程中的摩擦损耗减小，还可以使半球形件形件壁传力区的负担减小，所以应该尽量减小摩擦系数，使凹模与压边圈和板料接触的工作表面比较光滑，使半球形件金属流动条件得到改善，有益于材料的拉深成形。

另一方面，凸模与半球形件之间的摩擦可以增大拉深能力。

一般来说，摩擦系数越大，破裂临界压边力就小。

因而

增大时，拉深中的起皱临界压边力减小，使起皱的可能减小。

2.3.3模具几何参数

模具几何参数包括：

凹模圆角半径

、凹模截面尺寸B和拉延筋。

（1）模具圆角半径

一般来说，模具圆角半径取值太小，会导致零件的成形质量不理想，选用较大的模具圆角半径会使成形的安全区域变大。

圆角半径的尺寸对板料通过圆角时的张力有一定影响，圆角半径越小板料的张力就越大，板料的变形也就越大。

当圆角半径增大时，板料弯曲半径增大，回弹角也增大。

因此，圆角半径太大会使板料发生回弹导致零件的加工精度不准确；圆角半径太小，会使板料变形过程中材料流动性减小，出现零件过早的破裂。

同时选择合理的转角半径，也有利于提高成形质量，如果转角半径过小，材料容易发生破裂。

凹模圆角半径相对于凸模圆角半径来说对板料的影响更大，凹模圆角半径对板料流入凹模的速度有很深影响，凹模圆角半径越大，会使降低板料流入模腔的难度，易于板料成形；反之，凹模圆角半径越小，板料成形的阻力大，板料就容易破裂[13]。

（2）凹模界面尺寸

凹模截面尺寸的大小在很大程度上影响工件的拉深成形，当凹模截面尺寸不够大时，材料很难流入模腔，就会产生起皱现象。

（3）拉延筋

拉延筋在冲压成形中能使进料阻力增加，拉延筋阻力是由坯料通过拉延时的弯曲反弯曲变形力、摩擦力以及因变形硬化引起的再变形抗力增量二部分组成的。

板料流经拉延筋时，发生了弯曲、回复、弯曲的反复变形，这些变形所需要的变形力加上板料经过拉延筋时产生的摩擦力都施加在板料上，使板料流动的进料阻力变大[14-16]。

2.3.4材料性能参数

影响板料成形的材料性能参数主要有：

强度系数K、厚向异性指数r及材料强化指数n。

（1）强度系数

材料的强度性能用强度系数K表示，不同材料决定了强度系数K的不同。

当K值增加时，起皱临界压边力也会增加，随着强度系数的增加破裂失效时的极限载荷也会增加，所以破裂临界压边力也会增加。

（2）厚向异性指数

板料在生产加工中要经过轧制与退火等工艺，这就使得板料各个方向的塑性存在差异，也叫做板料的塑性各向异性。

板料在板平面方向和厚度方向上由于各向异性而引起应变能力不一致通常用厚向异性指数表示[17]。

厚向异性指数能体现出板料在板平面内承受拉力或压力时抵抗变薄或变厚的能力。

　　　　　　　　　　（2.1）

式2.1中

、

、

分别0°、45°、90°方向上的异性指数。

值也叫做塑性应变比，板料的各向异性在生产中就用其表示，它的大小等于宽度方向上的应变

与厚度方向上的应变

之比。

值越大，表示板料在宽度方向上越容易产生变形，越容易避免发生起皱；在拉应力作用下，

值越大，板料的拉深处不易变薄，就不容易发生拉裂。

（3）应变强化指数

应变强化指数n值也叫做加工硬化指数或者说是硬化系数，它表示板料在冷变形过程中材料的变形抗力（强度）随变形程度增大而增加的性质[18]。

材料的n值越大，同样的变形条件下的应力增加得越多。

所以在拉深过程中加工的材料硬化越强越不容易产生细颈，因此可以相对的延缓危险断面的变薄和拉断现象。

由此可见，破裂临界压边力随n值的增大而增大，而随着n值的增大，起皱临界压边力减小。

所以安全区域随着应变强化指数n值的增大而增大。

2.3.5本文研究的主要因素

由上可知，影响半球形件冲压成形中拉延筋设计的因素是众多而繁杂的，要对这些因素一一进行分析是十分困难的，也没有必要，因为对于一些特定的冲压设备，或特定的零件，一些因素是比较固定或者对半球形的成形影响比较小，比如本文研究得是材料相同的半球形件，其强度比是固定的。

因而本文只选择其中对半球形件冲压成形中拉延筋设计影响比较大的因素进行分析。

通过设置和改变拉延筋的位置、拉延筋的类型、拉延筋的高度、压边力和拉深速度等对半球形件冲压成形中拉延筋设计有重要影响的因素，来对做试验。

因此，本课题选取影响半球形件成形的因素与改变拉延筋的参数作为研究对象，对半球形件的冲压成形中拉延筋的设计做深入研究。

2.4本章小结

本章首先介绍了半球形件冲压成形的基本理论及其成形缺陷，并在此基础上找出了影响其冲压成形中拉延筋设计的因素及本文要研究的主要因素，这是为第四章半球形件冲压成形中拉延筋的优化与设计仿真分析奠定了理论基础。

3半球形件冲压成形的仿真模型建立

3.1DYNAFORM软件概述

此处省略 NNNNNNNNNNNN字。

如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：

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该论文已经通过答辩

3.2基于DYNAFORM的半球形件成形模拟的流程

半球形形件成形智能多参数工艺智能选择系统是在考虑到冲压件受工件几何参数、模具几何参数、材料性能、摩擦系数、材料厚度、冲压力、变压边力等因素的影响[22]，所以要获得比较好的试验效果，首先应建立合理工艺模型，步骤如图3.1所示：

结束

图3.1半球形件成形模拟的流程

3.3半球形件仿真模型的建立及拉延筋的生成

为了研究曲面的冲压成形性能和规律，本文选用典型的轴对称零件——半球形件进行拉深成形仿真研究。

半球形件是最常见的几何形状相对比较规则、应用比较广泛的一类冲压件，在轴对称件中具有一定的代表性。

研究半球形件的冲压成形性能对以后复杂曲面冲压件的研究有着一定的指导意义。

3.3.1半球形件仿真模型的建立

（1）在PRO/E中建立凸模、凹模、板料的模型，在草绘状态下绘制凸模、凹模、板料的尺寸如下图3.2。

对于凸模和凹模草绘然后进行拉深，凸模半径为180mm，轴向长度为350mm；凹模半径为180mm，外轮廓尺寸半径为260mm，高度为300mm，板料的半径为260mm；最后对板料草绘后填充。

（a）凹模三维图（b）凸模三维图

图3.2模具及板料三维图

（2）根据工件尺寸利用Pro-e建立半球形件的*.igs格式文件；

单击生成的实体模型文件，然后保存副本，文件类型选择*igs，单击确定，在输出IGES窗口，选取曲面，坐标缺省，单击确定,如图3.3。

这样能得到对应的模型的*igs格式文件，可以用于Dynaform的调用。

同时将对应的实体模型保存以便在后面改变模具参数重新建模所用。

图3.3保存文件

（3）将*.igs数据导入DYNAFORM并对模型进行单元网格化处理；

打开Dynaform软件，单击file，选择imput选项，找到前面保存的对应的*igs文件，先倒入凹模在导入板料，凹模导入两次，因为其中一个凹模文件将在Dynaform中被修剪成压边圈,导入完的模型如图3.4。

图3.4导入后的模型

单击Parts，选择Edit，在Editpart窗口为导入文件重新编辑如图3.5。

如图3.5编辑模具

单击Preprocess（前处理），选择surface对导入的模型进行修剪，删除不必要的表面，在Surface窗口选择

，在selectByCursor选择

，然后在窗口中选中没用的表面，单击OK即可。

删去相应的表面后得到完整的模型如图3.6所示。

图3.6表面处理后的模型

单元网格化处理，单击P