某防尘罩零件冲压成型数值模拟研究毕业论文.docx
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某防尘罩零件冲压成型数值模拟研究毕业论文
毕业设计（论文）
题目：
某防尘罩零件的冲压成形数值模拟研究
学生姓名：
李家武
学号：
2011010847
所在学院：
机械与电子工程学院
专业班级：
材料成型及控制工程1101班
届别：
2011届
指导教师：
李路
皖西学院本科毕业设计（论文）创作诚信承诺书
1.本人郑重承诺：
所提交的毕业设计（论文），题目《某防尘罩零件的冲压成形数值模拟研究》是本人在指导教师指导下独立完成的，没有弄虚作假，没有抄袭、剽窃别人的内容；
2.毕业设计（论文）所使用的相关资料、数据、观点等均真实可靠，文中所有引用的他人观点、材料、数据、图表均已标注说明来源；
3.毕业设计（论文）中无抄袭、剽窃或不正当引用他人学术观点、思想和学术成果，伪造、篡改数据的情况；
4.本人已被告知并清楚：
学校对毕业设计（论文）中的抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为将严肃处理，并可能导致毕业设计（论文）成绩不合格，无法正常毕业、取消学士学位资格或注销并追回已发放的毕业证书、学士学位证书等严重后果；
5.若在省教育厅、学校组织的毕业设计（论文）检查、评比中，被发现有抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为，本人愿意接受学校按有关规定给予的处理，并承担相应责任。
学生（签名）：
日期：
年月日
目录
1绪论2
1.1选题背景2
1.2国内外研究进展3
1.3Dynaform软件4
1.4本课题研究内容5
2防尘罩零件的毛坯估算及排样设计6
2.1防尘罩零件的形状尺寸分析6
2.2防尘罩零件毛坯的模拟数值和理论数值对比分析6
3防尘罩零件的成形方案研究16
3.1防尘罩零件成形参数分析16
3.2本章小结21
4全文总结与展望21
4.1全文总结21
4.2全文展望21
参考文献：
22
某防尘罩零件的冲压成形数值模拟研究
学生：
李家武（指导老师：
李路）
（皖西学院机械与电子工程学院）
摘要:
本课题首先借用Dynaform5.7软件对KZ1-4.5型角接触球轴承防尘罩进行毛坯尺寸估算，与防尘罩的理论值进行比较，随后借用Dynaform5.7软件对零件进行排样，改变零件的搭边值、件间距和板料固定宽度，观察毛坯材料的利用率。
通过改变零件在成形工序中的成形参数，进行数值模拟分析，提出相应的改进措施，对改进后的参数再进行防真模拟，选取出零件成形过程中的最佳成形参数。
最后编写设计说明书，完成对该防尘罩优化研究。
关键词:
Dynaform5.7软件；防尘罩；数值模拟
AStudyonNumericalSimulationofStampFormingProcessofDustCover
Student:
LiJiawu（FacultyAdviser：
LiLu）
（CollegeofMechanicalandElectronicEngineeringInstitute,WestAnhuiUniversity）
Abstract:
Inthispaper,firstlyestimatedthesizeoftheblankofKZ1-4.5dustcoverusingDynaform5.7,comparedtheresultwiththetheoreticalvalueofdustcover.thenlayoutofpartsbyDynaform5.7software,changeitsbuildboundaryvalueandthedistancebetweenafixedwidthandsheet,observetheutilizationrateofmaterial.Bychangingtheparametersofpartsintheformingprocessoftheforming,numericalsimulationanalysis,putforwardthecorrespondingimprovementmeasures,andparametersoftheimprovedrealsimulation,selectingtheoptimalformingparametersintheprocessofformingparts.FinallyfinishthedesignspecificationsandcompletetheKZ1-4.5typeangularcontactballbearingdustcoveroptimizationresearch.
Keywords:
Dynaform5.7;dustcover;numericalsimulation
1绪论
1.1选题背景
在我们的日常生活中，家庭使用林林总总的电器设备、道路上行驶的各种汽车和在天上使用的航空航天仪器设备都是经过使用带有防尘罩的密封轴承。
使用防尘罩的目的是为了达到让主机的整体结构变的更简化、在损坏之后更加容易维护以及防止在恶劣的环境下使用对所用轴承的污染和不需要经常性的去做润滑工作。
中国主要生产的是滚动轴承，这种轴承的密封方式有两种，分别是非接触式和接触式。
在现实生活中，从轴承的使用情况来看，我们可以清楚的看出非接触式密封效果要比接触式的密封效果差一些。
轴承的密封效果好不好对轴承的质量有相当大的影响，所以说密封轴承既要求有很好的密封性能，还要有较高的寿命，这样才能使运转的机器降低噪声，减少机器之间的振动。
带防尘罩的滚动轴承在国家发展过程中的各个领域都得到了广泛使用，特别是在工作环境恶劣的环境下，需要机械配套使用的条件下，使用更加广泛。
防尘罩应用于可卸式轴承中，它的作用在于提高轴承的寿命以及让轴承的工作环境变得更干净。
现如今的防尘罩制造方法是使用冲压。
但是，在冲压过程中，如果防尘罩的边缘破了的话，将会对其使用效果大打折扣，有时在使用严重的情况下，会导致报废。
之所以采用冲压模具这一工艺设备，原因在于在生产大批量的零件时，冲压加工的机械效率高，操作方便易实施，现如今这方面已是机械化、自动化。
利用冲压模具制造的零件能够大大保证零件的尺寸精度和形状精度，零件的表面质量也挺好，冲压模具寿命长，冲压制造的零件质量很是稳定，零件的互换性好，一个零件需要一个模具。
冲压能够加工出外形复杂，尺寸局限比较大的零件，冲压所得到的零件强度和刚度都比较好。
当然冲压制造同样也是省原料，节能环保的加工方式之一。
学习模具的都知道，一种模具的开发设计周期很长，令模具设计开发人员很头疼。
特别是对于那些外部形状特别复杂的零部件，在设计过程中不好预测零件的成形结果和零件成形存在哪些缺陷。
当然也可以以类似零件的工艺过程来生产，但是这种生产只能通过很多次不断的试模和修模实验才能成功，有些还不一定能成功，而且并不是每个零件都有相似零件。
现在，我们通过使用板料成形中的CAE软件，从产品最初的原型设计阶段开始估算产品整个结构的毛坯形状大小、分析该产品设计的最终可行性以及对产品在制造过程中工艺方案的优化。
这类软件的涌现并有效使用，减短了模具的开发设计周期，为开发人员削减了试模时间，直接了当的帮助企业提高了产品的质量，为企业节省了产品生产的本钱，强有力的从源头上抬高了企业在该领域的市场竞争力。
1.2国内外研究进展
1.2.1国外研究进展
2001年，Batoz运用动态有限元法，结合梯度优化法优化牵引阻力等参数的设计。
在同一年Choi也对此进行了相关问题的深入研究。
2002年，Hambli运用数值模拟以及神经网格的方法，优化了模具间隙等在内的有关参数。
2004年，Batoz采用梯度优化法结合有限元反演方法，对盒形件的毛坯轮廓深度优化设计。
2005年，Maolinyu.Du.R运用逆向有限元的方法优化研究了方形盒零件的一步成形问题。
2007年，K.K.Pathak运用大变形有限元法对弯曲回弹进行了模拟分析。
2010年OsmanH.Mete利用有限元结合正交，对冲压成形工艺进行研究。
1.2.2国内研究进展
我国对冲压成形的研究相比国外而言，是比较迟的。
但是最近几年的发展也是显而易见的，发展很快。
2003年，黄菊花等人使用参数化的有限元方法，进行优化板料成形工艺参数的研究。
2005年，上海交大，李玉强等人提出板料成形文件优化。
2007年，陈新平等人利用用Autoform模拟了发动机罩外板的板料成形经过，并对零件的成形质量因素进行了钻研。
2009年，湖南大学孙光勇等人首先提出了加权指数评价标准，结合实例，对优化算法的使用和对成形过程的有限元方法进行了优化，显著提高了板材的性能。
1.2.3国内外研究存在的问题
根据以上所叙述的，我们可以知道，虽然有限元技术在各个领域均得到了广泛运用，冲压成形的精度逐步的提高，计算机的普及以及其快速发展等等，各个行业都得到了飞速发展。
但是，冲压成形在使用数值模拟分析时，依然存在着许多没法忽略的问题，主要有CAD建模后和CAE软件数据连接问题，软件计算的精度和计算的效率问题，牵涉到很多工序的模拟研究也很难精确地实现等等很多问题都需要得到解决。
1.3Dynaform软件
Dynaform软件是由美国ETA研发并应用在板料成形分析的模拟软件包。
该软件是在LS-DYNA基础上研发的。
是当代市面上应用最广泛的CAE软件，Dynaform联合了LS-DYNA自身巨大的先后处理功能和强大的板料成形剖析功能。
有效的帮助了板料成形行业中模具的的开发和设计这一重要阶段，让模具开发人员明显的感觉到周期变短，特别是模具开发所使用的设计时间和重复试模的周期。
Dynaform软件在使用过程中很容易，软件中包含了便于我们使用的智能工具。
在计算过程中，我们可以更加方便简捷地求解出各种板料成形存在的问题。
当然，Dynaform软件也没忽视传统CAE技术的作用，强有力的减少了产品研发的设计成本和周期。
Dynaform软件能在使用过程中，能真实的反应出板料在零件成形过程中存在的各种各样疑难问题，分析的结果能直观动态的展现在我们面前。
1.3.1Dynaform软件分析步骤
Dynaform软件对零件的分析步骤为：
创建零件有限元模型，正确划分及处理零件有限元模型网格，零件毛坯尺寸的创建，零件制造的工具定义，零件成形过程的工艺性参数设置，提交参数并求解，显示和分析结果。
可以用示意图1.3.1所示：
图1.3.1Dynaform软件分析步骤
目前，有限元模型的建立主要是通过借用CAD软件进行模型建立，例如Pro-E，UG等。
本文是利用Pro-E5.0软件对零件进行有限元模型建立，然后导出igs文件，最后导入到Dynaform5.7软件中进行模型分析。
1.3.2Dynaform软件的结构组成及应用
Dynaform软件主界面包含：
菜单区，工具栏，对话窗口显示区，图形显示区，提醒区，显示开关等。
前处理的主要功能是用来对零件模型的构建和修改，或者是产生带有单元的零件模型，还可以用来对其边界条件进行检查和修复。
分析模块是将在前置处理模块设置好的参数和应用条件完成之后，对其利用求解器求解。
后置处理是快速处理在Dynaform软件中生成的分析结果，然后将成形过程中各个工艺参数形成的规律显示出来。
1.3.3Dynaform软件的优点
现在我们都知道传统的工艺设计大多数都是通过定性分析，大量的物理实验等方法进行的。
对零件毛坯的尺寸进行估算也是根据相关设计人员的设计经验。
这种设计方法会对零件的结果造成很大误差，而且很难预料在成形过程中存在的各种复杂问题。
由于这些原因。
近年来，随着板料成形的数值模拟分析逐渐兴起，Dynaform软件的问世，针对上述问题有了很大的帮助，对冲压和工艺设计阶段有个先期的指导，有效的缩短了产品的设计周期，降低了产品生产的成本，企业的市场竞争力得到了很大提高。
1.4本课题研究内容
（1）第一章节为绪论部分，对本课题的选题背景以及国内外研究进展和国内外研究存在的问题做了大概的介绍，了解Dynaform软件，介绍了利用Dynaform软件的分析步骤，Dynaform软件的优点和缺点。
（2）第二章节通过借用Dynaform5.7软件对KZ1-4.5型角接触球轴承的防尘罩零件做了毛坯的估算，根据经验计算出理论值。
提出了两种排样方案，根据这两种方案产生的结果进行分析，最终发现，通过运用Dynaform5.7软件可以改变设置参数，提高毛坯材料的利用率。
（3）第三章节主要对防尘罩零件的成形方案进行了深入研究，通过改变压边力，凸模速度，翻边圆角半径等参数做对比试验，得到最优的成形参数。
（4）第四章节主要对本课题进行总结以及展望。
2防尘罩零件的毛坯估算及排样设计
2.1防尘罩零件的形状尺寸分析
图2.1KZ1-4.5零件尺寸图
根据以上零件图的图形和尺寸，我们可以得出这样一个结论，在实际制作这个零件的时候需要对外围拉深，对内孔进行翻边两道工序才能完成对该零件的制作。
2.2防尘罩零件毛坯的模拟数值和理论数值对比分析
2.2.1防尘罩毛坯零件的模拟估算
（1）在Pro-E5.0中对该零件建模，首先在草绘界面上画出零件的左面一半封闭图形（如图2.2.1-a），然后通过旋转命令得到三维模型图（如图2.2.1-b），最后另存为以igs为后缀名的文件。
图2.2.1-a草绘封闭图形
图2.2.1-b防尘罩零件三维图
（2）打开Dynaform5.7软件，导入在Pro-E5.0衍生的IGS格式文件，如图2.2.1-c所示。
图2.2.1-cDynaform5.7软件中导入图
（3）在Dynaform5.7软件的模面工程模块下建立零件的中性层，删除原来导入的零件。
对中性层在前处理模块或者在模面工程模块下进行曲面网格划分，最大尺寸为1，最小尺寸为0.05，通过自动修补板块对网格进行修补，直至网格没有缺陷。
再通过运用坯料工程下的预处理模块里面的毛坯尺寸估算对防尘罩的毛坯零件尺寸进行预估。
如图2.2.1-d。
注意：
在操作此步骤时一定的注意零件的冲压方向，如果冲压方向不对，需重新调整，如果调整的不对，所得到的结果会有很大差距。
图2.2.1-d毛坯零件估算
（4）对提取出来的边界线（如图2.2.1-e）在坯料工程的开发菜单栏下坯料生成器模块进行曲面网格划分，工具半径为1（如图2.2.1-f）。
然后在辅助工具栏下的选定单元面积命令进行零件的毛坯面积计算，最终得到的结果为：
3276.7771平方毫米。
图2.2.1-e毛坯尺寸边界
图2.2.1-f边界曲面网格及面积
2.2.2防尘罩毛坯零件的理论值计算
如图2.2.2为防尘罩零件的中性层
图2.2.2防尘罩零件的中性层
从图2.2.2可以清晰的看到零件的所有尺寸：
d0=83.4mm,d1=85.93mm,d2=89.35mm,d3=96.05mm,d4=99.25mm,h=2.7mm,l0=1.168mm,l1=1.98mm,R=0.65mm.
运用经验公式计算可得该零件的毛坯直径为：
D=
≈61mm
根据此理论数据我们可以获得零件的面积为：
A=
=2921mm2
由上述结论我们可以看出，我们计算的理论值和由Dynaform模拟软件获得的模拟值差距不大。
2.3防尘罩零件的排样设计
在之前的学习中我们知道，冲裁件对板料的要求特别高，关系非常之密切。
在之前的学习中我们知道，对一个冲裁件能够制定合理的排样，能生产出很多的零件。
之所以这个在大批量零件的制作生产过程中显得尤其重要，是因为在生产大批量零件时，材料的费用总值占零件生产总费用的百分之六十以上。
综上所述，我们可以知道，如果能够对材料的利用率控制的非常好，我们将大大的减少生产成本，特别是对那些需要用贵金属制作的零件。
合理的排样能够控制零件的生产成本，制作时的方便程度等等，所以在零件的制作之前必须进行零件的排样设计。
对于本次使用的Dynaform5.7软件，我们可以通过改变坯料条带的宽度，使用软件系统中的缺省值编排和计算出我们想要的排样结果。
在排样设置过程中，我们可以改变零件的搭边值，零件之间的间距值，通过对比，可以看到零件制作过程中零件的使用率问题，最终选取出最佳的排样。
（1）导入igs格式的有限元模型零件，并划分有限元模型零件的网格，网格最大尺寸为1，最小尺寸为0.05。
检查和修复网格至准确无误。
具体和上述步骤一致。
（2）按照上述方法获得零件的毛坯零件，并设置零件的整体厚度为0.3mm，制造零件所选用的材料为DQSK36。
对获得的零件在坯料工程的开发模块下的坯料形状拟合中创建零件外轮廓的外包络线。
如图2.3.2-a所示。
图2.3.2-a外包络线
（3）删除无用的零件层，对所生成的毛坯零件轮廓在坯料工程的开发模块下的坯料生成器中划分网格，设置网格大小为1。
并在前处理的模型检查模块中检查节点和自动修复，重复几次。
如图2.3.2-b所示。
图2.3.2-b毛坯网格划分
（4）在坯料工程的开发模块下的光顺边界模块下的扩大板块中对零件进行扩展，向外扩展5mm，扩展后填充零件。
如图2.3.2-c所示。
图2.3.2-c毛坯扩展
（5）对前面多余的曲线进行整理与删除，创建新的毛坯零件外轮廓线。
如图2.3.2-d所示。
图2.3.2-d扩展后毛坯外轮廓
（6）在坯料工程的开发模块中的板坯排样中对零件进行排样
A、在设置中设置排样方式为双排，定义材料为DQSK36，零件的厚度为0.3mm，密度将自动生成，设置参数：
搭边值：
5mm，件间距：
2mm，工艺补充面：
5mm。
B、在约束中设置固定宽度为600mm。
C、进行排样，最后得到零件的排样，如图所示2.3.2-e。
图2.3.2-e第一次排样
经过排样后，获得零件的排样结果，可以看出零件坯料的利用率只有30.365％。
如图2.3.2-f。
图2.3.2-f第一次排样
从上述数据看出，如果要提高毛坯坯料的利用率，必须改变排样的参数值。
根据以上的步骤，零件的材料不变，将搭边改为5mm，件间距改为2mm，工艺补充面不变，约束中设置的宽度改为280mm，进行重新排样，结果如图2.3.2-g。
图2.3.2-g第二次排样
从得到的排样结果可以看出，坯料利用率相比较第一次，提高了一倍以上。
如图2.3.2-h所示。
图2.3.2-h第二次排样
D、输出排样的结果
1）输入基本材料价格：
30$/kg；
2）输入额外材料价格：
5$/kg；
3）输入废料价格：
2$/kg；
4）输入可回收的废料：
1$/kg。
排样结果报告如下：
图2.3.2-i排样结果报告
2.4本章小结
（1）通过运用Dynaform5.7软件估算毛坯零件的毛坯面积和依据经验公式计算所得的面积，两者相比较，相差不大。
在平时的设计计算时，相对一些简单的零件根据经验公式来计算是可取的，但是，对于那些比较复杂的零件，继续用经验公式就会显得比较繁琐，经常会产生人为的偶然误差。
在此，通过数值模拟的分析，可以提高计算的准确性，提高计算的速度。
（2）通过运用Dynaform5.7软件对零件进行排样，通过改变不同的搭边值和件间距，可以看到不同的坯料利用率。
当设置的搭边值：
5mm，件间距：
2mm，工艺补充面：
5mm，固定宽度：
600mm时，坯料的利用率只有30.365％左右。
当转换排样的参数设置，搭边值：
2mm，件间距：
5mm，固定宽度：
280mm时，零件制造时板料的利用率提高了不少。
3防尘罩零件的成形方案研究
根据防尘罩零件的二维零件图可知，零件的成形过程需要外围的浅拉深、内孔的翻边两道工序来实现零件的制作。
为了说明影响零件的成形性能受工序中的的工艺参数影响，例如凸凹模的圆角半径，零件弯曲圆角的半径，压边力的大小，凸模的进给速度等等。
本次研究利用Dynaform5.7软件通过改变零件成形过程中的工艺参数，来探讨防尘罩零件拉深-冲孔-翻边成形过程中最优的成形参数。
本次研究拟选取凸凹模的圆角半径设置为1.5mm、1mm、0mm，此零件需要翻边，由于翻边零件对制造过程具有工艺性要求，根据资料选取零件的圆角半径大小为1.2mm、1mm、0.8mm，拟采用的压边力大小为6000N、5500N、5000mm，凸模进给速度为3000米每秒、2000米每秒、1000米每秒。
运用以下几组试验选取出最优成形参数。
3.1防尘罩零件成形参数分析
通过上述内容我们可以设计几种不同的试验方案进行对比。
具体操作思路是：
（1）在Pro-E5.0软件中建立拉深零件模型并导出igs格式文件，随后将此igs文件导入到Dynaform5.7中，紧接着以此拉深零件模型创建制造该零件的凸模，毛坯外形（此处应该注意零件最终成形需要进行修边，设置该零件的最终修边余量为0.5mm），最后输入拉深成形过程中所需的各个参数，提交后进行运算，最终获得结果。
（2）在Pro-E5.0软件中建立翻边零件模型并导出igs格式文件，随后将此igs文件导入到Dynaform5.7中，紧接着以此翻边零件创建制造该零件的凸模，与此同时导入前一次用以仿真保存的文件（以dynain为后缀的文件）。
最后输入翻边成形中所需的各个参数，提交后进行运算，最终获得结果。
下面只截取一小部分的最终试验结果进行大概说明。
A、设置参数：
凸凹模的圆角半径：
0mm，翻边圆角半：
0.8mm，压边力：
5000N，凸模进给速度为1000毫米每秒，导入进行计算，获得防尘罩零件减薄分布图（如图3.1.a-1）和防尘罩零件的成形极限图（如图3.1.a-2）。
图3.1.a-1减薄分布图
从减薄分布图中的数据可以明显的看出看出，最上面表示零件的最大减薄，数据为16.422﹪，最下面表示零件的最大增厚为14.167﹪（如果为“-”）。
根据经验可知，零件在制作过程中壁厚的增厚量小于5﹪左右，减薄量小于20﹪左右，都可以认定所制造的零件是安全可行的。
说明防尘罩零件如果在这样的成形参数下，我们可以认为所制造的零件成形性是满足零件成形要求的。
3.1.a-2成形极限图
从上述零件的成形极限图我们可以看到，很明显零件有起皱部分，且其起皱部分分布在零件的最外围一侧。
经过对上述两个图的一系列分析之后，我们可以很快得出结论：
零件在成形过程中，在软件中模拟成形的增厚量和实际制作过程中的增厚量之间存在一定的差距，很显然模拟的增厚量数值大于安全值。
由此我们可以改变零件成形过程中的压边力来更加完善零件的成形性能。
B、设置参数：
凸凹模的圆角半径：
0mm，翻边圆角半径：
1mm，压边力大小：
5500N，凸模进给速度为2000毫米每秒，导入进行计算，获得防尘罩零件减薄分布图（如图3.1.b-1）和该零件的成形极限图（如图3.1.b-2）。
图3.1.b-1减薄分布图
从减薄分布图中的数据可以看出，防尘罩零件的最大减薄为29.067﹪，防尘罩零件的最大增厚为32.264﹪。
根据经验可知，零件在制作过程中壁厚的增厚量小于5﹪左右，减薄量小于20﹪左右，都可以认定所制造的零件是安全可行的。
说明这样的成形参数下制造的零件，其成形性是不满足成形要求的。
图3.1.b-2成形极限图
通过看防尘罩零件的成形极限图可以知道，防尘罩零件已有很多地方有起皱现象。
经过对上述两个图的一系列分析之后，我们可以很快得出结论：
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