畢業(yè)論文范文——高溫合金盒形件整體拉深工藝研究

1、畢業(yè)論文高溫合金盒形件整體拉深工藝研究姓 名:航空電子專 業(yè):班 級: 完成日期: 指導(dǎo)教師:摘 要針對高溫合金盒形零件,以成形零件質(zhì)量為研究對象，采用數(shù)值模擬和工藝試驗相結(jié)合 的方法,對零件的成形工藝進(jìn)行了研究。禾u用有限元模擬分析軟件pamstamp2g對高溫合金盒 形件成形過程進(jìn)行了有限元模擬仿真，分析了壓邊力等工藝參數(shù)對成形零件起皺和拉破等工藝缺陷 的影響,得到了該零件最優(yōu)的壓邊力加載方式。為試驗研究提供了參考依據(jù)。關(guān)鍵詞pamstamp2g ,數(shù)值模擬，高溫合金，拉深 1引言高溫合金具有較高的高溫強(qiáng)度，優(yōu)異的持久、蠕變和疲勞性能，同時具備良好的加工和 焊接性能，廣泛用于航空、航天、石

2、化等領(lǐng)域。高溫合金飯金零件拉深成形工藝是其塑性成 形的一種重要方法，但由于高溫合金板料的成形難度，起皺和破裂是板料拉深成形過程中的 主要成形缺陷。影響板料成形質(zhì)量的主要因素有壓邊力的大小、拉伸模具的相關(guān)參數(shù)、摩擦 條件及坯料形狀等。其屮壓邊力是影響成形質(zhì)量的重要因素，壓邊力大時，板料材料流動困 難，板料容易破裂；壓邊力小吋，成形過程屮材料流動無法得到有效控制，零件容易產(chǎn)生起 皺缺陷。如何準(zhǔn)確預(yù)測零件在拉深成形過程中的起皺或破裂的趨勢是決定工藝過程以及最終 成形質(zhì)量的先決條件。本文以高溫合金盒形件為研究對象，以成形后零件破裂和起皺為衡量標(biāo)準(zhǔn)，運用有限元 模擬分析軟件pam-stamp2g對其成形

3、過程進(jìn)行了有限元模擬仿真，針對仿真預(yù)測的成形缺陷 優(yōu)化了成形工藝，為試驗研究提供了參考依據(jù)。2零件成形工藝性分析如圖1所示為所要成形的零件，材料為gh4099,厚度lmm,整體為u形截面漸縮型曲面, 三面為單向彎曲曲面，尾段圓角為雙曲面，r8mm漸變?yōu)楹蠖嗣娴膔3mm,高度138 mm,彎邊寬 15mm,最大寬度157 mm,最小寬度77 mmo從零件示意圖可看出，該零件形腔較深，工藝較 為復(fù)雜，如果直接拉深成形，會使零件拉裂。因此考慮對零件進(jìn)行型面補充，補型后的零件 如圖2所示。由圖可見，零件從中間對稱，增加了零件兩端工藝補充面。通過多道次成形， 最終達(dá)到成形出整體拉深毛坯的目的。零件成形后

4、進(jìn)行切割，成為要求的零件。圖1零件模型圖2零件成形道次設(shè)計及工藝補充面2. 1拉深成形的特點一塊平面板料在凸模壓力作用下通過凹模形成一個開口空心件的壓制過程稱為拉深。所 謂多道次拉深，就是當(dāng)零件的變形程度超過了材料一次成形所允許的最大變形程度，零件的 拉深系數(shù)小于一次拉深成形的極限拉深系數(shù)時，將零件的總變形量進(jìn)行分配，每次完成零件 的一部分變形，再以筒形件半成品為毛料，進(jìn)一步減小直徑，增加筒壁高度，這樣經(jīng)過多次 拉深成形，最后制成所需零件的成形工藝。2. 2有限元仿真設(shè)置計算機(jī)應(yīng)用和工程中的數(shù)值分析口益普及，促進(jìn)了有限元方法（fem）的不斷發(fā)展。這 種方法源于結(jié)構(gòu)分析，但其理論普遍性使它可以應(yīng)

5、用于實際工程中很多類型的問題。與其他 塑性加工模擬方法相比，有限元法功能強(qiáng)、精度高、解決問題的范圍廣，可采用不同形狀、 不同大小和不同類型的單元離散任意形狀的變形體，適用于任意速度邊界條件，方便地處理 模具形狀、工件與模具z間的摩擦、材料的硬化效應(yīng)、速度敏感性以及溫度等多種工藝因素 對塑性成形過程的影響，模擬整個金屬成形過程的流動規(guī)律以獲得變形過程任意時刻的力學(xué) 信息和流動信息，如應(yīng)力場、速度場以及預(yù)測缺陷的形成和擴(kuò)展。其關(guān)鍵技術(shù)有：求解方法、 單元構(gòu)形、材料模型和接觸模型。顯式算法的優(yōu)勢在于：計算強(qiáng)壯、穩(wěn)健，運算中無須迭代，只要時間步長夠小，就不會 出現(xiàn)汁算不收斂。因此主要用于處理復(fù)雜的接觸

6、和變形問題，如高速沖擊、爆炸等。對于隱 式計算，在at時問域里，加速度、速度和位移的關(guān)系是一個非線性方程組。若不考慮計算 精度和迭代收斂，隱式算法的計算速度明顯高于顯式算法。其缺陷在于：每一步計算都必須 迭代求解復(fù)雜的非線性方程組，因此在計算相同單元數(shù)冃的問題時，隱式算法所需要的計算 時間更多、空間更大。隱式算法主要用于求解結(jié)構(gòu)力學(xué)上受力、變形和接觸不是劇烈變化的 問題，如動/靜態(tài)受力分析、熱傳導(dǎo)分析等。表2將顯式算法和隱式算法進(jìn)行了對比，使兩 者之間的區(qū)別一目了然。表1顯式和隱式計算方法的對比顯式算法（explicit）隱式算法（implicit）計算時間步長非常小（10-6-7s）靜態(tài)問題

7、，沒有時間步長的概念動態(tài)問題，吋間步長幾乎不受限時間步長數(shù)非常多（兒萬jl十萬）一定數(shù)目迭代次數(shù)求解過程復(fù)雜程度無須迭代，求解矩陣為簡單的對角矩陣每次步長計算，需要迭代求解程序的健壯性步長足夠小時，程序健壯一般內(nèi)存小不同線性方程求解器，大小不同板成形中應(yīng)用高精度的成形過程求解（精密沖裁、沖壓拉深、液壓脹形）一般非線性問題求解（重力加載，冋彈計算）在板成形有限元模擬川，核心對象就是板料網(wǎng)格變形。所以應(yīng)盡可能地選擇合適的網(wǎng)格 類型，并合理地劃分網(wǎng)格，減少非正常單元的數(shù)目。，常見的殼單元形式如下表：表2單元類型對比單元類型計算特點1belytschlko"tsay（bt）殼單元（本課題選用

8、）板成形分析小最常用的單元，采用縮減線性殼元，一點積分（縮減積分），計算速度快，效率高。不適用于單元翹曲嚴(yán)重的cae分析。2belytschlko-wong-ch iang(bwc)殼單元bt殼單元的改進(jìn)形式，一點積分單元，其計算耗時雖然超過bt單元約1.22倍左右，但適應(yīng)能力強(qiáng)于bt單元，可適用于翹曲嚴(yán)重的分析3bwc fully integrated(fbwc)殼單元bwc完全積分單元，4點完全高斯積分避免了沙漏現(xiàn)象， 同時引入的人工剪切應(yīng)變場和薄膜應(yīng)變場避免了完全積 分適應(yīng)能力較弱的缺陷，但計算時間約在bt單元的34 倍左右411 u ghes-tezd u yar(ht)殼單元選擇性縮

9、減積分既保證了計算精度和強(qiáng)壯性，又避免了沙 漏行為。該類型單元直接退化于實體單元，對回彈、復(fù)雜 件分析都能獲得相當(dāng)貼近實際的結(jié)果，但英計算耗費明顯 偏高，約為bt單元的4倍左右，主要用于汽車碰撞分析在接觸力方血，最常用的為罰函數(shù)法和拉格朗日乘子法。板成形模擬中，罰函數(shù) （penalty）接觸算法是最有效、最強(qiáng)壯的接觸問題處理方法，但計算精度較低。非線性罰 函數(shù)（acc u rate-non linear penalty）接觸算法本質(zhì)上還是罰函數(shù)算法，但接觸剛度/罰 因子不再是常數(shù)，從而小穿透也能迅速產(chǎn)生足夠的接觸反作用力。該算法適合于后續(xù)存在回 彈計算的沖壓成形過程模擬。拉格朗日（丄agran

10、w）接觸算法中，從節(jié)點和主動面間是沒有 穿透存在的，因此該算法計算精度高，適合求解接觸力非常高的情況（如液壓成形），但計 算消耗比較高，且對網(wǎng)格的要求也高。經(jīng)典庫倫摩擦定律認(rèn)為，當(dāng)摩擦力小于f*n時不發(fā)生滑動，當(dāng)摩擦力等于f*“時，滑動 產(chǎn)生。這里f為摩擦系數(shù)，n為法向接觸力。通常來說：f為0.05時，意味著很好潤滑狀 態(tài)；f為0. 10. 15,常規(guī)普通潤滑狀態(tài)（工業(yè)沖壓成形，本課題選用f=0. 12）, f大于0.2時， 潤滑狀態(tài)差。3.有限元模型的建立3. 1有限元模型的建立本文采用的數(shù)值模型軟件為pa1-stamp有限元分析軟件，其帶有豐富的材料庫，包括彈 塑性材料、加工硬化模型、各向

11、異性模型等一系列的材料模型，所有材料均為實際工業(yè)測試 的材料數(shù)據(jù)3,本文所涉及的材料為gh4099。pam-stamp軟件有建模造型功能，但其造型功能比較簡單，根據(jù)零件特點采用ug三維軟 件生成所需曲面的igs文件，然后然后導(dǎo)入pam-stamp數(shù)值模擬軟件。所建立的有限元分析 模型如圖3所示，整個模型包括三道成型模，分別包括凸模、凹模、板料和壓邊筋。然后對 模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格時-般要求網(wǎng)格質(zhì)量能達(dá)到某些指標(biāo)要求。在重點研究的結(jié)構(gòu) 關(guān)鍵部位，應(yīng)保證劃分高質(zhì)量網(wǎng)格，即使是個別質(zhì)量很差的網(wǎng)格也會引起很大的局部誤差。 本文采用軟件對建立有限元模型進(jìn)行曲面網(wǎng)格自動劃分。拉深方式為雙動模式。板料

12、初始網(wǎng)格為25幀，網(wǎng)格重劃分等級為4級，即一個單元可被細(xì)分為64個單元。綜合考慮計算效率和 計算時間，沖頭速度選擇為5m/s,摩擦系數(shù)選擇0.12。圖3盒形件拉深有限元模型4仿真結(jié)果分析及優(yōu)化將材料參數(shù)輸入有限元仿真軟件pamstamp,開展了成形過程仿真分析，進(jìn)一步論證了成 形的可行性。圖4為整體成形拉深盒形的裂紋預(yù)測，從圖示藍(lán)色區(qū)域為裂紋區(qū)域，此整體方案一次成形不可能完成，因此才開展了多道此成形模型的設(shè)計，進(jìn)行方案的優(yōu)化和成形方法的改進(jìn)。圖4蒙皮整體成形裂紋預(yù)測的仿真計算fld圖圖5為三道次成形過程的成形極限圖，可以看出，圖5 (a)圖5( b)第二道、零件底部區(qū)域和壓邊法蘭遠(yuǎn)離破裂線處于

13、女全區(qū)域，由底部過渡到壓邊法蘭材料主次應(yīng)變越來越接近破裂線。而在圖5(c)第三道成形過程，零件岀現(xiàn)破裂，破裂位置位于零件尖端頭部圓角處。 可以看出后續(xù)道次零件可能會出現(xiàn)拉裂，但控制得當(dāng)可以不影響產(chǎn)品質(zhì)量，將缺陷控制在余 量區(qū)域。合理控制零件的皺紋大小、避免裂紋產(chǎn)生或引導(dǎo)其產(chǎn)生位置，控制零件在拉深的過 程中折皺和破裂是盒形件成形的關(guān)鍵。(a) 1 道(b) 3 道圖5成形極限分析6試驗分析試驗用板料選擇gh4099,材料狀態(tài)為退火態(tài)，料厚1mm。為保證展開料外形尺寸精度， 展開料利用多工位轉(zhuǎn)塔沖床數(shù)控下料。試驗在250噸閉式雙點曲軸液壓機(jī)上進(jìn)行。該設(shè)備可 提供板料拉深成形所需的壓邊力。為減小零件

14、與模具表面的摩擦力，在板料兩面以及模具相 應(yīng)型面均勻涂抹潤滑劑。工藝試驗在其參數(shù)相同的情況下同樣采取三種不同的壓邊力(40噸、80噸、120噸)。圖 6為壓邊力40噸成形出的零件，可以看出零件周邊產(chǎn)生了嚴(yán)重的褶皺，零件側(cè)壁部位受到的 應(yīng)力較大，產(chǎn)生大面積開裂缺陷。圖7為在80噸和120噸壓邊力下零件實物，可以看出零件 產(chǎn)生了開裂，皺紋問題不再影響零件的成形。，在較大的壓邊力作用下，零件起皺紋趨勢較為 困難，受到的校平應(yīng)力較人，同時流動相對順暢，開裂趨勢得到一定環(huán)節(jié)。圖8為優(yōu)化壓邊力、和成形工序的條件下成形出的零件實物，可以看出零件成形完好，零件工作區(qū)域沒有褶 皺和開裂。圖6拉深零件皺紋、裂紋實物圖7拉深零件輕微皺紋、裂紋實物圖8完整拉深零件實物7結(jié)論1) 采用有限元軟件pamstamp2g對高溫合金盒形零件整體分步拉深進(jìn)行模擬，能夠較精 確的預(yù)測起皺、拉裂等成形缺陷。2) 通過模擬發(fā)現(xiàn)壓邊力較小時板料容易產(chǎn)生起皺現(xiàn)象，而壓邊力過大時零件容易開裂， 通過模擬及試驗調(diào)整壓邊力為80噸時較為合適，能成形出合格零件。3) 通過試驗可以看出模擬結(jié)果可信，并且根據(jù)優(yōu)化的工藝參數(shù)成形得到合格零件。參考文獻(xiàn)1 山野等.沖壓拉深成形加工中的變壓邊力數(shù)值模擬長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報2()12,3 (33) 288-291.2 梅廣益