（机械电子工程专业论文）开水煲外壳零件的数值模拟与优化设计.pdf

d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e j i a n gu n i v e r s i 够o f t e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n do p t i m u md e s i g n o n o p e n k e t t l e sc o v e r c a n d i d a t e ：w a n g c h a o a d v i s o r ：l i uh o n g c o l l e g eo f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s 时o ft e c h n o i o g y 2 0 1 0 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本 论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获 得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的 研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承 担本声明的法律责任。 作者签名：乡寻楚日期：，啤j 一月扣日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密影 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名：_ 办趣 导师签名： 翅易 日期：沙i 。年厂月萝秒日 日期：刀f 。年厂月岁9 日 浙江工业人学硕士学位论文 开水煲外壳零件的数值模拟与优化设计 摘要 筒形件是典型的拉深件，而多道次拉深成形技术更是广泛应用于筒形件 的生产实际。多道次拉深成形的机理非常复杂，在多次拉深成形中，后续工 序的坯料为前次拉深变形后的半成品工件，半成品工件已经过一次或多次变 形，坯料在材料性能和几何形状上都发生了一定的变化。传统的圆筒件多道 次拉深成形过多地依赖于经验公式和数据，缺乏实际依据，且需要反复试模， 其周期长、成本高。而冲压成形模拟研究可得到直观的动态成形效果显示， 其计算结果可指导冲压模具设计及实际生产，降低废品率，提高模具使用寿 命。因此对圆筒形拉深件的多道次拉深成形进行系统的数值模拟研究具有理 论和实践上的双重价值。 本文采用数值模拟与正交实验优化分析相结合的方法，深入地研究开水 煲外壳零件多道次拉深成形的的工艺优化及模具设计。在研究过程中，应用 冲压模仿真模拟分析软件d y n a f o r m 对圆筒件的多道次拉深成形进行数值模 拟，在此基础上挑选有代表性的工艺参数，如压边力、摩擦系数、模具圆角 尺寸等，进行三因素四水平的正交实验设计，以最大减薄率为设计目标，对 开水煲外壳零件冲压成形工艺参数进行优化，寻求最优组合，并得出了这些 因素与最大减薄率的关系。论文设计了实验方案，对优化的工艺参数结果， 在h t 一1 0 0 双动液压拉深机上对开水煲外壳零件进行实验验证，取得了良好的 效果。 本文的研究结果表明，应用数值模拟技术和正交实验设计相结合的方法， 可以用较少的实验次数找出因素水平之间相互联系，并可以计算零件在成形 过程中产生的变形、应力、应变分布，预测零件在成形过程中起皱、破裂等 缺陷，从而得到成形所需的优化工艺条件。使模具和工艺设计由经验设计上 升到理论指导，从而大大提高设计质量，减少模具的调试费用，缩短模具生 浙江工业大学硕士学位论文 产周期，为加速产品的更新换代，提高生产效率，创造有利条件。 关键词：冲压模具，数值模拟，优化设计，正交实验，开水煲外壳 浙江工业人学硕+ 学位论文 t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d o p t i m u md e s i g no no p e nk e t t l e s c o v e r a b s t r a c t d e e pt u b ei sat ) r p i c a ld r a w i n gp a r t ，a n dt l l em u l t i - s t a g e 捌n gp r o c e s si s u s e ds i d e l yi i lav a r i e t yo fi i l d u s t r i a lf i e l d s i i lm u l t i - s t a g ed e 印d r a w i n gp r o c e s s ， t ：h et o t a l 棚i n gp r o c e s s ，l et o t a l 锄o u l l to fd e f o 肌a t i o ni sd i v i d e ds e v e r a lp a r t s ， a l l df i o 肌e ds e q u e n t i a l l yi ns e v e r a ld e 印d r a w i n gs t e p s i i lt l l i sp r o c e s s ，t l l eb l a n k o fl a t e rs t e p s h a se x p e r i e i l c es e v e r a ld e f o m a t i o n ，t l l em a t e r i a lm e c h a l l i c sa n dt h e p a n sg e o m e t r yh a sc h a n g e d ，s om u l t i s t a g ed e e pd r a w i n gh a ss o m ed i f r e r e n c e 丘o mf i r s td e e pd r 删n g ，t h ed e f o n n a t i o nm e c h a i l i s mi sv e 巧c o m p l i c a t e da n dm e m e c h a i l i c a lp r o p e r t i e sf o rt h ef i n a lp r o d u c ta r ed i m c u l tt op r e d i c t ，t h ep r o c e s s d e s i g ni sn o te a s yf o rt h em a n u f a c t u r i n go fap r o d u c to fd e s i r e ds h a p e 1 1 l e 打a d i t i o n a ld e s i g i lp r o c e s so ft h em u l t i s t a g ed r a w i n gp r o c e s sd e p e n d st o om u c h e m p i r i c a l 南肋u l a sa i l dd a t a ，a n dm 砒1 yt h e o r i e sa i l de 印e r i e n c e sa r ed e 订v e d 自d m h y p o t h e s i s 觚ds i i l l p l i f i c a t i o no ff i r s td e 印d r a w i n gp r o c e s s ，s om en m h i s t a g e d r a 丽n gt 粥m a n yd i f | f i c u l t i e s ，s u c ha sh i 曲c o s t ，l o n gp e r i o d ，a i l dm e o 巧a i l a l y s i s i sj a g g e ds e r e l y a n dn l ee x p 谢e n c e1 ( 1 1 0 w 1 e d g e 伍釉p r o d u c t i o nh a sd e f e c t 删c h i sn o to b v i o u sa n dn o ts y s t e m i c d i r e c td y n a m i cr e s u l t sc a nb e o b t a i n e db y s i m u l a t i o n t h er e s u l t sc a ng u i d ea c t u a lp r o d u c t i o n ，r e d u c ew a s t er a t ea 1 1 db o o s t d i el i f e s os t u d yo nt h i sk i n do fp a r t sb yi l u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb o t ht l l e o r e t i c a n dp r a c t i c a lv a l u e i ti sa 如t u r et r e n du s i n ga d v a n c e dm a i m f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e s ，s u c h 弱 n 啪e r i c a ls i m u l a t i o nt os o l v et l l ep r o b l e m sp r o c u c e di ni n d u s t l 了b a s e do nt 1 1 e n u i n e r i c a ls i m u l a t i o na i l do n h o g o n a le x p e r i m e n t ，a n dt a l 【i n gm e0 p e nk e t t l e s c o v e ra sa i le x a h l p l e ，ac o n l p r e h a i l s i v er e s e a r c ho fi n u l t i - s t a g e 出 1 w i n gi s p e r f o n n e d ，a 1 1 do p i m i z et h ed i ea i l dd r a w i n gp r o c e s sa r ee x p l o r e di nt l l i sp a p e r t h es t u d yi st op e 墒m p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o df o rm ew h o l ep r o c e s so f t h e o p e nk e t t l e sc o v e rf o m l i n g 肌df o r e c a s tt l l eq u e s t i o no rd e f b c tm a ya p p e a r s ， t 1 1 r o u 曲u s i n gt h ea d v a l l c e ds o r 眦鹏d 、i a f o i u mo fa m e r i c a i le t a ，i n c t l l e n 浙江工业大学硕士学位论文 t l l et e c h n o l o g ya r l dd i ep a r a m e t e r sa r eo p t i 耐z e d ，、：t l i c hp r 0 v i d et h e o r ) ，b a s i sf o r f o m l i i l g ，e q u i p m e n ta r l dd i ed e s i g no ft l l eo p e nk e t t l e sc o v e r e x p e r i m e n td a 协 w e r ep r o c e s s e dt t l r o u 曲l e a s ts q u a r em e t h o da n do r t h o g o n a ld e s i g i l ，a 1 1 d 1 el a wo f i 如【u l t i s t a g ed e e p 捌n gb yp l a y i n gal o to fm l m e r i c a ls i m u l a t i o no fd i a e r e m t e c m c a lp a r a i i l e t e r sa 1 1 dm a t e r i a lp e r f o 加1 a 1 1 l c e ，s u c h 嬲t h eb l a i l l 【- h o l d e r 南r c e ， p u c hc o n l e rp r o f i l e ，a i l dt h e 衔c t i o no fd i e o nt l l i sb a s i s ，e q u i p m e n ta n dd i ea r e m a l l u f a c t u r e d t 1 1 ee x p e r i m e n tr e s u l t sf i tm u t u a l l yw i t hm es i i i l u l a t i o nd a t a f i n a l l y ，t h er e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t et l 谢t h en 1 1 i i l e r i c a l s i m u l a t i o na r l d o r t h o g o n a le ) 【p e r i m e n td e s i g nc a nf o r e c a s tt 1 1 es h o r t c o m i n gi nd r a w i n gu s e d s u i t a b l et e s tm i i l l b e r s u c h 嬲、砸n “e ，s p l i ta n do p t i m i z et l l ed i ea n dd r a 谢n g p r o c e s s s o l a tt h ep r o c e s sd e s i g na n dd i ed e s i g ne x p e r i e n c ei sr a i s e du pt ot l l e t l l e o r e t i c a lg u i d a n c ea i l dt h u s 伊e a t l yi m p r o v em ed e s i g nq 砌i t ya n dr e d u c et h e c o s to fd e b u g g i n gd i e ，s h o r t e nt h ep r o d u c t i o nc y c l e ，i i lo r d e rt os p e e du pt h e p r o d u c t su p d a t i n g ，d e v e l o pt h ep r o d u c t i v i 够a i l dc r e a t eb e n e f i c i a lc o n d i t i o i l s k e yw o r d s ：s t 锄p i n gd i en 啪e r i c a ls i m u l a t i o n ，o p t i m 啪d e s i g i l ，o n h o g o n a l e x p e r i m e n t ，o p e nk e 钍l e sc o v e r 摘 第 第 第 3 5 本章小结一3 9 一 第四章开水煲外壳拉深成形的数值模拟分析- 4 0 一 4 1 弓i 言。一4 0 - 4 2 开水煲外壳拉深成形有限元模型建立一4 0 4 3 各工艺参数的确定一4 2 4 5 本章小结4 6 - 第五章开水煲外壳冲压成形的优化设计- 4 7 5 1 引言一4 7 5 2 工艺参数的正交实验设计4 7 - 5 3 结果分析4 9 浙江工业大学硕士学位论文 5 4 本章小结5 3 - 第六章开水煲外壳零件拉深成形实验研究- 5 4 - 6 1 引言一5 4 - 6 2 开水煲外壳零件拉深成形工艺5 4 - 6 3 实验设备与工艺条件一5 5 - 6 4 实验结果分析5 8 6 5 本章小结一6 l - 第七章结论与展望一6 3 7 1 结论一6 3 - 7 2 展望一6 3 一 参考文献一6 5 一 致谢。- 6 9 一 攻读学位期间参加的科研项目和成果- 7 0 - 浙江工业火学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 板料冲压成形是一种先进、优质、高产、低耗、低成本的加工工艺方法， 在制造工业中得到广泛应用。它是利用拉深模具将冲裁后得到的平板毛坯压 制成开口空心件或将开口空心件进一步变形的冲压成形过程，是板材冲压加 工中一种典型又非常重要的工艺方法n 1 。拉深成形作为板料成形技术的一个 主要方面，在汽车行业中获得的产品零件很多，这使得拉深成形技术成为汽 车造纸业的关键技术之一。随着今后工业化水平的飞速发展，板料拉深技术 必将在其他工业领域得到更大的发展和进步n 1 。 采用数值模拟仿真技术具有重要的理论意义和实用价值，它能对产品金 属成形全过程进行全面的分析，可有效提供材料变形力学方面的详细信息， 使过去传统的依靠定性分析和实践经验的工艺分析转变为定量的数值分析， 实现了开水煲外壳成形过程数字化，能提前进行成形质量评估、缺陷和损伤 预测，大大节约了调试时间和实验费用，同时可以获得在实验过程中所不能 得到的许多有用的信息，且冲压成形数值模拟研究可直观的显示动态成形效 果，其计算结果可指导实际生产，降低废品率，提高模具使用寿命，因此对 这类零件进行系统的数值模拟研究具有理论和实践上的双重价值。 1 2 板料拉深技术的国内外发展概况 有限元法用于金属塑性成形分析始于1 9 7 0 年代：1 9 7 3 年，k a b a y a s h i 采用刚塑性有限元法模拟了板料冲压成形过程，1 9 7 6 年，w i f i 用弹塑性有限 元法模拟了圆形板料在半球形凸模作用下的胀形和拉延过程。1 9 7 7 年，在美 国通用汽车公司( g m ) 首次召开了一个关于板料成形过程力学分析的研讨会 上，k a b a y a s h i 和w a n g 提交了二篇冲压成形有限元分析的论文。k a b a y a s h i 用刚塑性有限元法模拟了板料液压胀形和半球形凸模作用下的拉延过程。 1 9 7 8 年，w a n g 基于非线性薄壳理论采用弹塑性全l a g r a n g e 格式对一般形状 浙江工业火学硕士学位论文 的冲压成形问题进行了分析，o n a t e 和z i e n k i e w i c z 基于非牛顿流体的流动 理论，用粘塑性有限元法分析了轴对称情形下的胀形和拉延过程。1 9 8 0 年， o h s i 和k a b a y a s h i 用刚塑性有限元法对成形中的拉弯过程进行分析。1 9 8 3 年，o n a t e ，z i e n k i e w i c z 用粘塑性有限元法分析了非轴对称情形下冲压成形 问题。1 9 8 4 年，w a n g 用刚塑性有限元法对速率敏感材料的成形问题进行了分 析。1 9 8 5 年，t o h 和k a b a y a s h i 采用板壳单元，刚塑性有限元法分析了三维 方盒形件的深拉延过程。同年m a k i n o u c h i 用弹塑性有限元法分析了弯曲和修 边过程。1 9 8 6 年，n a k a i i l a c h i 基于k i r c h i h o f f 薄壳理论，用弹塑性有限元法 分析了一般拉延件的成形问题。同年，k i m 和y a n g 建立了平面塑性各向异性 的刚塑性有限元法列式。1 9 8 8 年，n a k a m a c h i 用弹塑性有限元法对方盒形拉 延件进行分析，取得了和试验相一致的结果。1 9 8 9 年，n o n e c k e r 用显式分析 方法模拟了油盒的成形过程睁2 。从8 0 年代末开始，国际会议和刊物上有关 板料成形的文章明显增多。板料成形的数值模拟开始进人一个蓬勃发展的时 期。从1 9 9 1 年开始，国际上开始定期召开关于板料成形数值模拟的专门会议， 会议发表的论文数目逐年上升，讨论的问题愈来愈广泛。会议广泛征集试验 和模拟结果，以检验数值分析软件在解决实际冲压成形问题上的能力啷删。 9 0 年代中期以后，人们很将注意力转向了解决实际加工中存在的工艺和技术 问题，将数值模拟技术运用于实际。 我国在板料成形数值模拟方面始于2 0 世纪8 0 年代后期。1 9 9 0 年，北京 航空航天大学的熊火轮在a d i n a 程序的基础上进行扩充，首先模拟了宽板拉 深、液压胀形及汽车暖风罩的成形过程。1 9 9 1 年，华中理工大学的董湘怀采 用薄膜三角形单元，开发了弹塑性有限元程序，对盒形零件和机油收集器的 成形过程进行了分析，建立了用于板料成形分析的有限元模型。哈尔滨工业 大学的张凯峰采用刚粘塑性本构关系，开发了粘塑性板壳成形有限元分析程 序，并已经得到工业应用。湖南大学工程软件研究所的李光耀在国家自然科 学基金的资助下，开展了冲压成形过程的动力显式有限元分析程序的开发和 研究。清华大学的研究人员开发了一种“修正的自适应动力松弛方法 ，可节 省内存，减少计算量，改善收敛性，还可用来分析一般情况下冲压成形中的 起皱问题。吉林工业大学胡平领导的研究小组在前人工作的基础上，建立了 可合理反映塑性变形导致材料模量软化，并能描述由正交法则向非正交法则 一4 一 浙江工业大学硕士学位论文 光滑过渡的弹塑性有限变形的拟流动理论。用这个理论仿真了圆板的胀形， 圆筒件、盒形件、锥形件和红旗4 8 8 轿车油底壳的拉深等过程，仿真了盒形 件拉深过程中法兰部分的起皱，锥形件的拉深过程中侧壁的起皱，并用空单 元技术形象地仿真了破裂过程。上海铁道学院的李尧臣用有限元法模拟了板 料冲压成形过程，分析了金属板在冲压过程中的屈曲现象，建立了增量形式 的变分原理，跟踪了板料起皱的发展、折叠、衰减的全过程乜2 吨7 1 。湖南大学 的徐康聪开展了板料成形过程的显式有限元分析程序的开发和研究，采用基 于随动坐标系的假定应变域壳单元及显式有限元格式求解三维板料成形问 题，并且开发的有限元程序已在柳州微型汽车厂及长沙市梅花车身厂获得应 用，成功解决了拉延件角部拉裂和失稳起皱等难题。吉林工业大学的胡平在 前人工作的基础上，建立了弹塑性有限变形的拟流动理论，开发了相应的有 限元程序；柳玉启将胡平的理论加以应用，模拟了圆板的胀形，圆筒件、盒 形件、锥形件的拉延等过程，并用空单元技术形象地模拟了破裂过程。目前， 吉林工业大学的研究者在获得国家重点科技攻关项目基金的支持下正尝试将 研究成果商品化。华中理工大学的吴勇国开发了动力显式的弹塑性有限元程 序系统，模拟了一些板料成形过程。北京航空航天大学的王晓林在有限元程 序中将模具型面描述成参数曲面，探讨了相关的接触算法，并对蒙皮的拉形 过程进行了数值模拟。此外，上海交通大学对汽车覆盖件成形数值模拟技术 进行了系统研究，获得了许多有价值的成果。吉林工业大学的研究人员还对 板料多点成形技术进行了研究，并开发了相应的数值模拟软件h 2 哪! 。 8 0 年代初，通用公司的n m w a n g 、b u d i n a k s y 教授和福特公司的s c t n a g 等人经过长期探索，成功地用数值模拟方法对轿车的行李箱盖 ( t u r k n d e c k 一1 i d ) 和前翼子板( f r o n tf e n d e r ) 的冲压成形过程进行了仿真哪! 分析，形成了车身板料冲压成形仿真分析的应用研究领域。 8 0 年代后期，随着计算机科技的飞速发展和有限元方法的成熟，在世界 工业应用需求的推动下，薄板成形过程的计算机仿真迎来了蓬勃发展的时期， 有三个重要标志反映了这一时期的进展；第一，建立了能够分析像覆盖件这 样复杂零件成形过程的三维非线性板壳理论( 弯曲理论) 和考虑几何非线性的 接触和摩擦问题处理算法。第二，为了有力推动薄板成形的仿真研究，考察 薄板成形数值分析算法的可靠性，国际上的权威研究组织先后共同设计了五 浙江工业人学硕士学位论文 组标淮考题( b e n c m h k a r ) ，即o s u ( o h i os t a t eu n i v e s i t y ) 标准考题( 1 9 8 8 年) 、v d i ( 德国学会) 标淮考题( 1 9 9 1 年) 、n u m i s h e e t 9 3 板料成形数值仿真 国际会议标准考题和n u m i s h e e t 9 6 、n u m i s h e b t 9 9 标准考题。这些标准考 题从不同角度考核有限元软件预测破裂( p l i t t i n g ) 、起皱( w r i k n l i n g ) 、波纹 ( b u c k l i n g ) 和回弹( s p r i n h g a c k ) 的能力，考题范围涉及简单零件和复杂的覆 盖件。第三，涌现了多种格式的有限元软件，这些软件都参加了上述标准考 题中部分或全部考题的考核，有些软件已在工业获得了广泛应用盯1 ；参加 m t j n i s h e e t 9 3 薄板成形数值仿真国际会议标准考题考核的这类软件就有2 3 个。其中参加轿车前翼子板成形分析考核的就有9 套软件，表明这些软件能 够处理覆盖件成形中高度的几何非线性、材料非线性和复杂的接触与摩擦问 题，能够对覆盖件成形中的起皱和破裂( w r i n k l i n g s p l i t t i n g ) 进行预测。 目前这一技术在生产中己经比较成熟，但是，就板料成形数值仿真的研究 领域来说，这里涉及的方面很多，在每一个研究领域的发展，都对板料拉深 成形的发展起到促进作用，近年来，意大利p a l e r m o 大学r d l i o r n e o z 教授 等人利用模糊控制技术田和板料成形数值模拟技术相结合，构成一闭环控制 系统，在板料成形的设计阶段，确定最佳的压边力变化曲线。在确定的每一 个控制循环中，有限元模拟提供当前变量值给模糊控制器，由模糊控制器来 确定最佳的压边力，从而确定成形过程的最佳压边力曲线n 1 。这在板料拉深 成形的压边力控制问题上开创了新的思路。 在国内，随着现代化工业的发展，国家在薄板生产和加工领域给予大力支 持，使我们在板料成形技术这一领域取得了辉煌成就。在板料拉深的数值仿 真领域，自主开发了全自动数控生产线，能对板料成形的计算机前期失效进 行初步分析，实现了板料成形的数值仿真工作，部分已经应用于生产。如上 海交通大学利用“板料拉深成形摩擦系数测试系统”，在不同种类的润滑剂下， 设定不同的压边力值的条件下，研究拉深过程中摩擦系数与压边力、拉深力 与压边力之间的关系，这一系统对国内板料拉深成形的发展起到积极的作用 【4 】 1 3 开水煲外壳拉深成形材料的冲压性能 随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，电开水煲由于具有省时、节 一6 一 浙江工业大学硕士学位论文 能、美观、便捷等优点，在生活中越来越受到消费者的喜爱。因此，越来越多 的开水煲生产商开始在材质上对开水煲提出更高的要求，从更多的塑料外壳 过渡到金属外壳，从而在生产中从塑料成形变为板料冲压成形，而后者最重 要的工艺就是拉深成形部分。在拉深成形过程中，我们不仅要保证开水煲外 壳的质量，还要保证模具具有优化结构，以便在最少的试模次数中获得合格 的拉深效果。目前对类似需耐高温的食品器具，人们己经不再满足简单轻浮， 颜色靓丽的塑料制品上，更多开始追求尊贵厚重且具有金属质感的金属板料 制品上。因此，不锈钢开水煲外壳拉深成形是中小型精密家电企业外壳拉深 成形生产急需解决的问题。因此，基于一般特征的开水煲外壳拉深成形对比 较简单的筒类零件拉深成形具有一定的指导意义。 不锈钢具有表面光洁和耐蚀特性并有其他许多优良险能，在各工业部门以 及日常生活中，已获得了广泛而大量应用。研究表明，不锈钢的耐蚀性主要 是由于钢的表面上富铬氧化膜( 钝化膜) 的形成。实验表明，当铬含量 1 2 后 才使钢具有不锈性，因此，不锈钢的铬含量一般均在1 2 以上，这是这类钢 的一个共同特点8 1 。 本课题所用材料为3 0 4 奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的 钢类，其生产和使用量约占不锈钢总产量及用量的7 0 。这种不锈钢具有优 秀的耐蚀性，并且综合力学性能良好，可焊性、深冲性等工艺性能优良，因 而在化学化工及轻工等领域获得广泛应用。 本课题研究所用材料为3 0 4 奥氏体不锈钢，其塑性、韧性和冷加工性能均 良好，在氧化酸和大气、水、蒸汽等介质中耐蚀性亦佳，适于制造拉深成形 的零部件以及食品容器等。 3 0 4 奥氏体不锈钢是一种难冲压的材料，其特点是： ( 1 ) 拉深成形比较困难，因为3 0 4 不锈钢的屈强比高，冷变形时的冷作硬 化显著，所需变形力大，拉深系数较小，且拉深时容易起皱，起皱后，金属 流动更加困难，易发生拉深破裂现象。 ( 2 ) 不易得到符合要求的形状。尽管3 0 4 不锈钢具有良好的冲压性，但它 在塑性变形时剧烈硬化，板材在凸模圆角处的弯曲和反向弯曲引起的反弹， 通常会在产品侧壁形成凹陷变形，使得尺寸精度和形状要求较高的产品需要 通过整形工序来达到，凹陷变形严重的就根本无法校正。 浙江工业火学硕士学位论文 ( 3 ) 3 0 4 奥氏体不锈钢拉深过程中容易出现高温粘结现象。由于拉深过程 中，压边力较大，使其凸缘部分成为高压接触区，而且面积大，又由于拉深 表面不断发生变化，油厚度也因此变薄，强度降低，板料拉深过程中的切向 运动更加速了油膜的破裂，增加了板料对模具的摩擦作用，动能变为热能， 使得接触面升温，温度的升高使得润滑油的粘度下降，造成了产品与模具表 面直接接触的机会增多，这不仅影响了润滑效果，而且使与原子运动有关的 再结晶，原子定向扩散动力学过程得以充分进行，从而改变了模具表面与不 锈钢表面的接触性能，使其在拉深过程中必然发生金属粘结在模具表面上h 们。 ( 4 ) 一般冲压加工模具材料采用的是合金模具钢，而3 0 4 不锈钢与合金模 具钢具有相溶性，粘结层和模具表面结合强度将会很高，容易在拉深模上形 成粘结瘤，而拉深模上粘结瘤一旦形成就很难脱落，且越粘越大，最终导致 不锈钢板料表面留有严重的擦伤，这也是3 0 4 不锈钢拉深中的技术难题所在 4 i 】 1 4 本文研究目的和内容 本文的主要研究目标是：研究开水煲外壳零件多道次拉深成形最佳工艺 与冲压模具设计。 主要研究内容和拟采用的方法如下： 1 、通过对冲压成型过程的学习和研究，参考国内外研究成果，对开水煲外 壳的冲压成形进行数值模拟分析。 2 、在数值模拟分析的基础上利用正交实验对冲压工艺参数进行优化分析， 得到优化后的工艺参数。 3 、开水煲的外壳零件的冲压模具进行设计。 4 、实验验证，并将试验结果与模拟数据进行比较分析。 一8 一 浙江工业大学硕士学位论文 第二章板料冲压成形及仿真模拟理论基础 2 1 引言 所谓拉深成形就是借助于设备的动力和模具的直接作用，使金属平板坯 料外法兰部分缩小，变成立体带底( 空心开口) 的零件的一种冲压成形的方法 嘲。其变形过程涉及数学、力学、材料学、数值方法、模具制造以及计算机 等多门学科。由于其复杂性，人们不得不做出较多的简化和假设，这就使得 理论分析的结果局限性较大，难以得出整个变形过程的解答。 随着计算机技术的发展，有限元法对板材零件的冲压过程进行计算机数 值模拟分析，可以对多种不同工艺方案进行预测分析，优化模具和工艺设计， 选择合理的工艺方案，还可以预测冲压过程中可能出现的缺陷，例如坯料的 起皱、局部减薄和破裂，并以模拟结果为依据提出改进模具和工艺参数的办 法，优化工艺参数，可以减少调试和修模的次数；由模拟结果还可以对坯料 的形状和尺寸进行优化选择，因而可以降低模具费用、缩短制模时间、提高 产品成品率和材料利用率，最终达到减少产品成本的目的 2 2 拉深的变形机理与分析 根据拉深成形的特点，按各部分的受力情况，把拉深坯件分为五部分啪1 ： 平面凸缘区( 主要变形区) 一一法兰部分 凹模圆角区( 过渡变形区) 筒壁部分( 传力区) 一侧壁部分 凸模圆角部分； 筒底部分。 浙江工业火学硕士学位论文 图2 一l 拉深成形的组成部分 拉深时，由于凸缘材料存在着切向压缩应力，当这个压应力大到一定程 度时板料切向将失稳而拱起，即为起皱。轻者凸缘变形区材料仍能被拉进凹 模，但会使工件口部产生波纹，影响工件质量。重者使起皱后的凸缘材料不 能通过凸、凹模间隙而使拉深件破裂。 引起工件起皱的原因主要有： ( 1 ) 坯料的相对厚度f d 平板坯料在平面方向受压时，其厚度越薄 越容易起皱，反之不容易起皱。在拉深中，更确切地说，坯料的相对厚度 越小，变形区抗失稳起皱的能力越差，也越容易起皱。 ( 2 ) 拉深系数肌根据拉深系数的定义i n _ 们可知，拉深系数m 越小， 拉深变形程度越大，拉深变形区内金属的硬化程度也越高，所以，切向压 应力相应增大；另一方面，朋越小，拉深变形区的宽度越大，相对厚度越 小，其抗失稳能力越差。由于这两方面综合作用的结果，都使得拉深系数 较小时坯料的起皱趋势加大。 引起工件破裂的原因可能是由于凸缘起皱，坯料不能通过凸、凹模间 隙，使q 增大；或者由于压边力过大，使q 增大：或者是变形程度太大， 即拉深系数小于极限值。 筒形件主要有两种：带凸缘的筒形件和不带凸缘的筒形件，本文结合实 际研究内容，介绍无凸缘筒形件的拉深工艺。 浙江工业大学硕士学位论文 1 、拉深系数的确定 拉深糸数m 是母次于立深后询彤仟阴且砼与拉深刖辁科( 或工j i 予件) 直砼 的比值，如图2 2 所示。在制定拉深工艺时，如果拉深系数m 取的过小，就 会使拉深件起皱、断裂、或严重变薄。因此选用拉深系数m 不能小于极限拉 深系数。 第一次拉深系数 = 鲁 ( 2 1 ) 以后各次拉深系数 朋：= 鲁 ( 2 - 2 ) 聊。= 老 3 ， 总拉深系数m 总表示从坯料直径d 拉深至d 。的总变形程度，即 聊：妾：李孚李粤：所，历：加，肌。 ( 2 - 4 ) d d ld 2 d 3d n l 12” c 工 c r u 工 芏 一 d j 一。 1 d 2 d l d 一 图2 2 多次拉深时筒形件直径的变化 2 、拉深次数的确定 根据已知条件，查冲压工艺手册，得各次的拉深系数m ，依次计算出各次 浙江工业大学硕士学位论文 拉深工序件的直径，即4 = 陋t 】d ，d 2 = 【聊z 】4 ，以= 【肌一】以一，直到矾d 。 即当计算所得直径小于或等于工件直径d 时，计算的次数即为拉深次数。 3 、拉深高度的确定 在计算某工序拉深高度之前，应确定它的底部的圆角半径( 即拉深凸模 的圆角半径) 。拉深凸模的圆角半径，通常根据拉深凹模的圆角半径来确定。 首次拉深凹模圆角半径屹，可参照公式屹2o 8 ( d 一矾弦计算确定，以 后各次拉深时凹模圆角半径2 ( o 6 o 8 ) 。拉深凸模的圆角半径0 ，除 最后一次应取与零件底部圆角半径相等外，中间各次取值可依据公式 0 2 ( o 7 1 ) 屹计算确定。 根据拉深后工序件面积与坯料面积相等的原则，多次拉深后工序件 的高度可按下面公式进行计算 啊- o 2 5 岳“1 ) + o 4 3 詈( 吐+ o 3 2 n ) ( 2 _ 5 ) 口l口1 办2 _ 0 2 5 譬一畋) + 0 4 3 丢( d 2 + 0 3 2 ) ，2 ( 2 - 6 ) 口，口， 吃- o 2 5 ( 等一以) + 0 4 3 乏( ”o 3 2 ) ( 2 - 7 ) d d ” 4 拉深力的确定 生产中常用以下经验公式计算 第一次拉深力 五= 翮l f k l ( 2 - 8 ) 第二次拉深力 e = 刃2 ，吒k 2 ( 2 9 ) 式中 矾、畋分别为第1 次、第2 次拉深后冲件的直径； k l 、k 2 系数，查表得； 5 压边力的确定 在实际生产中通常采用压边圈来解决拉深中的起皱问题。压边力的合适 与否，直接与冲压件的成形质量有关。因此，控制压边力的大小是关键，压 边力过大，则使变形区坯料与凹模、压边圈之间的摩擦力剧增，导致工件过 浙江工业大学硕士学位论文 早拉裂；压边力太小，则起不到防皱的作用或作用很小。 压边力的计算公式 r = 却 ( 2 1 0 ) 式中a 压边面积；卜单位压边力，可查表。 6 压力机的选择 对于单动压力机 f r + r ( 2 1 1 ) 对于双动压力机 e 民，最 民 ( 2 1 2 ) 式中f 压力机的公称压力；巧内滑块公称压力 e 外滑块公称压力；拉深力： 毋压边力。 2 3 拉深时的应力应变分析 各部分的应力应变情况结合图2 3 分析如下： 图2 3 拉深过程中板料各区域的应力状态 浙江工业大学硕士学位论文 平面凸缘区( 主要变形区) ：这是毛坯拉深时的主要变形区。凸缘区的 材料在径向拉应力o 。和切向压应力o 。作用下发生塑性变形而逐渐拉入凹 模。由于压边圈的作用，在厚度方向产生压应力o ：。通常，o 。和o 。的绝对 值比a 。大得多，材料的流动主要是向径向延展，同时也向毛坯厚度方向流动 而使其增厚。由于越靠外缘需转移的材料越多，因此，越到外缘材料变得越 厚，硬化也越严重。凸缘区的最大主应变是切向压缩应变。、径向应变。、 和厚向应变：。 凹模圆角区( 过渡变形区) ：这是凸缘进入筒壁部分的过渡变形区， 材料的变形比较复杂，除有与平面凸缘部分相同的特点，即径向受拉应力o 。 和切向受压应力o 。作用外，还承受凹模圆角的压力和弯曲作用而产生的压应 力o ：。该区域径向拉应力o 。的值最大，其相应的拉应变。的绝对值也最大； 板厚产生压应变。，其厚度减薄；切向。为压应变。 筒壁部分( 传力区) ：该部分是传递并支承拉深力的部分。这部分的材 料已经拉深成筒形，将不再发生大的塑性变形。在继续拉深时，该部分起着 将凸模的拉深力传递到凸缘变形区的作用，故它承受单向拉应力o 。的作用， 发生少量的纵向深长。和厚度变薄。的变形。 凸模圆角部分：这部分是筒壁和筒底部的过渡区。材料除受径向拉应 力o 。和切向拉应力o 。外，厚度方向收到凸模圆角的压力和弯曲作用而产生 的压应力o 。；由于切向应变e 。很小，厚向e 。为压缩应变。 筒底部分：这部分材料拉深一开始就被拉入凹模，并始终保持平面状 态。凸模的作用力是通过底部材料传递给筒壁而形成轴向拉应力。此处材料 承受双向拉应力o 。的a 。的作用，其应变为平面方向的拉应变e 。和。以及厚 度方向的压缩应变e 。由于受到凸模端面和圆角摩擦的制约，筒底板料的变 薄很小。 2 4 拉深模工作零件的结构 凸、凹模结构对坯料变形和拉深件质量均有重要影响。当坯料的相对厚 度大而不用压边圈拉深时，可采用如图2 4 a 所示的凹模结构。图2 4 b 所示的锥 形凹模使坯料先变为曲面形状，减小了起皱趋势，对拉深变形极为有利。同 浙江工业大学硕士学位论文 时，凹模锥面还可减少凹模圆角半径造成的摩擦阻力和弯曲变形，从而降低 拉深力。锥角取3 0 0 6 0 。可防止起皱；锥角取2 0 0 6 0 0 可降低拉深力。 l2 ( a )( b ) 图2 4 不用压边圈拉深的凹模结构 1 、5 一气孔2 一凸模3 一定位板4 一凹模6 一顶块7 一弹簧8 一底座 当坯料相对厚度较小必须采用压边圈时，采用如图2 5 所示的模具结构。 图2 5 a 用于尺寸较小的圆筒件，图2 5 b 用于直径大于1 0 0 m m 的拉深件。这种结 构除具有锥形凹模特点外，还可减轻坯料的反复弯曲变形，以提高冲件侧壁 质量。 v ， 氏。 一 矾 缆 夕 1 )” 图2 5 带压边圈凹模的结构 凹模、凸模圆角半径对拉深工作有很大