仿真分析在冷沖模設(shè)計中的應(yīng)用

1、1 緒論11背景目前，我國經(jīng)濟仍處于高速發(fā)展階段，國際上經(jīng)濟全球化發(fā)展趨勢日趨明顯，這為我國模具工業(yè)高速發(fā)展提供了良好的條件和機遇。一方面，國內(nèi)模具市場將繼續(xù)高速發(fā)展，另一方面，模具制造也逐漸向我國轉(zhuǎn)移以及跨國集團到我國進行模具采購的趨向也十分明顯。因此，放眼未來，國際、國內(nèi)的模具市場總體發(fā)展趨勢前景看好，預(yù)計中國模具將在良好的市場環(huán)境下得到高速發(fā)展，我國不但會成為模具大國，而且一定逐步向模具制造強國的行列邁進?！笆晃濉逼陂g，中國模具工業(yè)水平不僅在質(zhì)和量的方面有很大提高，而且在行業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品水平、開發(fā)創(chuàng)新能力、企業(yè)的體制與機制以及技術(shù)進步的方面也會取得較大發(fā)展。隨著我國工業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)

2、品的外形在滿足性能要求的同時，變的越來越復(fù)雜，而產(chǎn)品的制造離不開模具，利用計算機輔助軟件進行模具設(shè)計不但提高模具的制造精度而且還縮短了設(shè)計及加工的時間。冷沖壓成形是一種歷史悠久的金屬加工工藝，隨著工業(yè)水平的不斷進步，冷沖壓技術(shù)和設(shè)備日益完善，在汽車、機械制造、電子電器等行業(yè)中，沖壓加工得到了廣泛的應(yīng)用。大到汽車的覆蓋件，小到鐘表以及儀器儀表元件，大多是由冷沖壓方法制成的。學(xué)習(xí)、研究和發(fā)展冷沖壓技術(shù)，對發(fā)展我國國民經(jīng)濟和加速現(xiàn)代化工業(yè)建設(shè)具有重要意義。傳統(tǒng)的沖壓工藝及模具設(shè)計只能在眾多簡化和假設(shè)的基礎(chǔ)上進行初步的設(shè)計計算，然后依靠大量的經(jīng)驗，反復(fù)試模、修模來保證沖壓件的成形品質(zhì)。從而拖延新產(chǎn)品的

3、開發(fā)，造成研發(fā)成本過高，在市場競爭中處于被動的地位。70年代起，有限元法開始應(yīng)用于板料成形過程的模擬，各種成熟的CAE仿真軟件應(yīng)用于模具工業(yè)中，有效地用來解決模具制造中的難題如拉裂、起皺、回彈的預(yù)測。伴隨沖壓成形的計算機仿真技術(shù)日漸成熟，并在沖壓工藝與模具設(shè)計中發(fā)揮出越來越大的作用，成熟的仿真技術(shù)可以減少試模次數(shù)，在一定條件下還可使模具和工藝設(shè)計一次合格從而避免修模。這就可以大大縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品品質(zhì)和市場競爭力。12冷沖模成形特點冷沖模是在溫室下把金屬或非金屬板料放在模具內(nèi)，通過壓力機和模具對板料施加壓力，使板料發(fā)生分離或變形制成所需零件的模具。各類冷沖壓模成形特點如

4、下：(1）沖裁模。沖裁模的成形特點是：將一部分材料與另一部分材料分離。如圖1.1所示的沖裁模成形過程，沖裁模分為落料模和沖孔模。落料模的成形特點是將材料封閉的輪廓分開，而最終得到的是一個平整的零件；沖孔模是將零件內(nèi)的材料與封閉的輪廓分離，使零件得到孔。 圖1.1沖裁模成形過程 (2）彎曲模。彎曲模的成形特點是：將板料或沖裁后的坯料通過壓力在模具內(nèi)彎曲成一定的角度和形狀。如圖1.2所示彎曲模成形過程，是將平直的板料壓成帶有一定角度的彎曲形狀。圖1.2彎曲模成形過程 (3）拉深模。拉深模的成形特點是：將經(jīng)過沖裁得到的平板坯料，壓制成開口的空心零件。如圖1.3所示拉深模成形過程，是將平板的坯料拉深成

5、筒形零件。圖1.3拉深模成形過程 (4多工位級進模。多工位級進模的成形特點是：可以完成多道沖壓工序，局部分離與連續(xù)成形結(jié)合；配備有自動送料、自動出件、安全檢測等裝置；模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑲塊較多，模具制造精度要求很高，制造和裝調(diào)難度大。 13冷沖模具的發(fā)展趨勢隨著與國際接軌的腳步不斷加快，市場競爭的日益加劇，人們已經(jīng)越來越意識到產(chǎn)品質(zhì)量、成本和新產(chǎn)品的開發(fā)能力的重要性。近年來許多模具企業(yè)因此加大了用于技術(shù)進步的投資力度，一些國內(nèi)模具企業(yè)已普及了二維CAD，并開始使用UG、Pro/Engineer、I-DEAS等國際通用軟件，個別廠家還引進了DYNAFORM等CAE軟件，并成功應(yīng)用于沖壓模的設(shè)計中。

6、目前，以汽車覆蓋件模具為代表的大型沖壓模具的制造技術(shù)已取得很大進步，東風(fēng)汽車公司模具廠、一汽模具中心等模具廠家已能生產(chǎn)部分轎車覆蓋件模具。許多研究機構(gòu)和大專院校開展模具技術(shù)的研究和開發(fā)，在模具CAD/CAE/CAM技術(shù)方面取得了顯著進步。例如，吉林大學(xué)汽車覆蓋件成型技術(shù)所獨立研制的汽車覆蓋件沖壓成型分析KMAS軟件，華中理工大學(xué)模具技術(shù)國家重點實驗室開發(fā)的注塑模、汽車覆蓋件模具和級進模CAD/CAE/CAM軟件，上海交通大學(xué)模具CAD國家工程研究中心開發(fā)的冷沖模和精沖研究中心開發(fā)的冷沖模和精沖模CAD軟件等。而模具技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該為適應(yīng)模具產(chǎn)品“交貨期短”、“精度高”、“質(zhì)量好”、“價格低”的要

7、求服務(wù)。專家認為，未來沖壓模具制造技術(shù)有以下幾大發(fā)展趨勢： (1全面推廣CAD/CAM/CAE技術(shù) 模具CAD/CAM/CAE技術(shù)是模具設(shè)計制造的發(fā)展方向。隨著微機軟件的發(fā)展和進步，普及CAD/CAM/CAE技術(shù)的條件已基本成熟，各企業(yè)將加大CAD/CAM/CAE技術(shù)培訓(xùn)和技術(shù)服務(wù)加工領(lǐng)域的重大發(fā)展。國外已有使用這種技術(shù)的機床在模具加工中應(yīng)用。預(yù)計這一技術(shù)將得到發(fā)展。 (2提高模具標準化程度 我國模具標準化程度正在不斷提高，估計目前我國模具標準件使用覆蓋率已達到30%左右。國外發(fā)達國家一般為80%左右。 (3優(yōu)質(zhì)材料及先進表面處理技術(shù) 選用優(yōu)質(zhì)鋼材和應(yīng)用相應(yīng)的表面處理技術(shù)來提高模具的壽命就顯得

8、十分必要。模具熱處理和表面處理是否能充分發(fā)揮模具鋼材料性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。模具熱處理的發(fā)展方向是采用真空熱處理。模具表面處理的完善還應(yīng)發(fā)展工藝先進的氣相沉積(TiN、TiC等、等離子噴涂等技術(shù)。 (4模具研磨拋光將自動化、智能化 模具表面的質(zhì)量對模具使用壽命、制件外觀質(zhì)量等方面均有較大的影響，研究自動化、智能化的研磨與拋光方法替代現(xiàn)有手工操作，以提高模具表面質(zhì)量是重要的發(fā)展趨勢。 (5模具自動加工系統(tǒng)的發(fā)展 模具自動加工系統(tǒng)應(yīng)有多臺機床合理組合；配有隨行定位夾具或定位盤；有完整的機具、刀具數(shù)控庫；有完整的數(shù)控柔性同步系統(tǒng)；有質(zhì)量監(jiān)測控制系統(tǒng)。14 3D模具設(shè)計軟件隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對產(chǎn)品的質(zhì)量要

9、求越來越高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期也越來越短，因此模具設(shè)計的速度必須加快及模具質(zhì)量需要提高。傳統(tǒng)的模具設(shè)計與制造方法不再適應(yīng)工業(yè)產(chǎn)品及時更新?lián)Q代和提高質(zhì)量的要求，迫切需要CAD技術(shù)用于模具工業(yè)方面?，F(xiàn)在市場上有不少的CAD軟件，例如美國PTC公司的Pro/E、美國SDRC公司的I-DEAS 、美國EDS公司的UG、法國MATRA DATAVISION公司的EU - CLID、美國CV公司的CADDS5、美國AUTODESK公司的AUTOCAD軟件等等，其中二維CAD軟件以AutoCAD應(yīng)用最為廣泛，而三維CAD軟件以Pro/Engineer用戶最多。二維CAD軟件將不再符合模具工業(yè)發(fā)展的需求，注定

10、會被功能強大的三維CAD軟件所取代，而Pro/Engineer是國內(nèi)應(yīng)用緩廣的三維CAD軟件之一，因此本課題以這種CAD軟件作為支撐。7Pro/ENGINEER(簡稱Pro/E是由美國PTC公司開發(fā)的三維CAD軟件，是一個以特征為主的實體模型系統(tǒng)，它以其強大的參數(shù)式設(shè)計和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理等特點實現(xiàn)了特征的尺寸驅(qū)動和3D實體與2D工程圖的雙向關(guān)聯(lián)驅(qū)動、實體特征建模、標準件庫的建立、零部件裝配、動態(tài)仿真、有限元分析、干涉檢查、NC加工等功能。自198 8年引入中國以來，Pro/E以其先進的設(shè)計理念在工業(yè)解決方案中擁有顯赫的地位，其身影遍布機械、模具、電子、航空、航天、郵電、兵工、紡織等各行各業(yè)。P

11、ro/E在模具設(shè)計、分析、制造中也都發(fā)揮著重要作用:(1Pro/E在模具設(shè)計中的全方位應(yīng)用 Pro/ENGINEER軟件采用面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一數(shù)據(jù)庫和參數(shù)化造型技術(shù)，具備概念設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)計和詳細設(shè)計的功能，為模具的集成制造提供了優(yōu)良的平臺。3D實體模型使設(shè)計從三維開始，將用戶的設(shè)計概念以最“真實”的模型在計算機中呈現(xiàn)出來:以特征（分為基準特征和實體特征作為設(shè)計單位，以最自然的思考方式從事設(shè)計工作，如鉆孔(Hole，開槽等，均視為零件設(shè)計的基本特征。這些都使設(shè)計更符合人們的思維習(xí)慣。特別是Top-Down Design自頂向下設(shè)計是從產(chǎn)品功能要求開發(fā)，在產(chǎn)品從上而下的設(shè)計條件、限制、規(guī)格等設(shè)計規(guī)范明

12、確定義清楚后，將這些設(shè)計規(guī)范傳送到每一個子組件(Sub-Assembly與零件(Part中，以保持產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的一致性。使在設(shè)計初期，通過嚴謹?shù)臏贤ü艿?，能讓不同的設(shè)計部門即使身在異處，也能有效地掌握設(shè)計意圖，使組織結(jié)構(gòu)明確，更能在設(shè)計團隊間迅速傳遞設(shè)計信息、達到信息共享的目的。有效的把概念階段的設(shè)計信息傳遞并反映到產(chǎn)品詳細設(shè)計中。除此之外，用戶可隨時計算出產(chǎn)品的體積、面積、質(zhì)心、質(zhì)量、慣性矩等，真實地了解產(chǎn)品，并補充傳統(tǒng)的面結(jié)構(gòu)、線結(jié)構(gòu)的不足。(2 Pro/ENGINEER的并行工程技術(shù)在模具中應(yīng)用 所謂并行工程是設(shè)計工程師在進行產(chǎn)品三維零件設(shè)計時就考慮模具的成型工藝、影響模具壽命的因素，并進行

13、校對、檢查，預(yù)先發(fā)現(xiàn)設(shè)計過程的錯誤。在初步確立產(chǎn)品的三維模型后，設(shè)計、制造及輔助分析部門的多位工程師同時進行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程詳圖設(shè)計、模具性能輔助分析及數(shù)控機床加工指令的編程，而且每一個工程師對產(chǎn)品所做的修改可自動反映到其他工程師那里，大大縮短設(shè)計、數(shù)控編程的時間。要實施并行工程關(guān)鍵要實現(xiàn)零件三維圖形數(shù)據(jù)共享，使每個工程師使用的圖形數(shù)據(jù)是絕對相同，并使每個工程師所做的修改自動反映到其他有關(guān)的工程師那里，保證數(shù)據(jù)的唯一性和可靠性。Pro/ENGINEER軟件具有的單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化實體特征造型技術(shù)為實現(xiàn)并行工程提供了可靠的技術(shù)保證。(3 Pro/E自動生成二維工程圖及參數(shù)式設(shè)計1Pro/E可隨

14、時由3D實體模型產(chǎn)生2D工程圖 在3D或2D圖形上作尺寸修正時，其相關(guān)的2D圖形或3D實體模型均自動修改，同時裝配、制造等相關(guān)設(shè)計也會自動修改，如此可確保數(shù)據(jù)的正確性，并避免反復(fù)修正的耗時性。2 配合單一的數(shù)據(jù)庫 所有設(shè)計過程中所使用的尺寸(參數(shù)都存在數(shù)據(jù)庫中，有了參數(shù)式設(shè)計，用戶可以運用強大的數(shù)學(xué)運算方式，創(chuàng)建各尺寸參數(shù)之的關(guān)系，使得模型可自動計算出應(yīng)有的外型，減少尺寸逐一修改的繁瑣費時，并減少錯誤的發(fā)生。1.5板材成形過程數(shù)值模擬發(fā)展概況自從有限元方法應(yīng)用到板材沖壓加工過程的模擬方面以來，己取得了很大的進展。從整體上看，板材成形有限元分析的發(fā)展可以分為以下幾個階段:七十年代末以前，主要是建

15、立有限元模型和一些簡單的應(yīng)用，包括二維平面問題和軸對稱問題，這個階段采用的有限元模型主要是薄膜單元。八十年代初期和中期，板材成形分析基本上沒有大的進展。這段時間人們主要是在材料模型方面進行了一些研究。相繼出現(xiàn)了一些新的材料本構(gòu)關(guān)系。八十年代末，研究人員開始三維板料成形分析。從1988年開始，有限元算法及其在工程問題中的應(yīng)用都取得了很大進展。到1989年，板材成形分析己經(jīng)引起了廣泛的注意。有關(guān)單元工時、商用軟件測試、摩擦定律、本構(gòu)方程和成形極限的初步研究己有較大的進展。NUMIFORM'89會議上，研究者對二維成形問題進行了模擬，但不同分析者的預(yù)測結(jié)果差別很大，沒有人能夠可靠地、準確地對

16、三維板材成形過程進行模擬，并且大多數(shù)程序依賴于薄膜單元，在起皺方面幾乎沒有什么進展。接觸和摩擦條件是這一時期板材成形過程數(shù)值模擬中最難處理的問題。這一階段幾乎所有程序均以靜態(tài)隱式算法為基礎(chǔ)，收斂困難仍然是采用靜態(tài)隱式方法的程序的主要障礙。雖然Nakamac開發(fā)了靜態(tài)顯式算法，Mattiassonl用DYNA程序?qū)討B(tài)顯式算法進行了測試，但當時顯式算法的精度仍然無法保證。1991年在瑞士舉行的NUMISHEET'91國際會議表明:三維有限元模擬已從實驗室進入工業(yè)生產(chǎn)實踐中：有限元方法在實踐中不斷完善，汽車工業(yè)在三維有限元應(yīng)用中的投入資金充足，其中以日本和德國尤為突出;動態(tài)顯式算法因?qū)?nèi)存

17、要求低、易于實現(xiàn)并行計算、能迅速處理大型問題而占有突出優(yōu)勢;計算機輔助圖形學(xué)的進展使得預(yù)測曲面上的微小形狀變化成為可能。8板料成形過程是一個復(fù)雜的變形過程，制件的成形質(zhì)量受到多種因素的影響，包括材料的成形性能、毛坯的形狀和尺寸、模具的幾何形狀、接觸條件以及各種工藝參數(shù)等。成形過程的數(shù)值仿真涉及幾何、材料和邊界條件二重非線性等一系列難題，10多年來一直是國際塑性加工領(lǐng)域的一個研究熱點。世界各國尤其是發(fā)達國家的汽車制造業(yè)主都投入大量人力來研究，并與大學(xué)、研究所展開了廣泛的合作， 開發(fā)自己的數(shù)值仿真軟件。國內(nèi)近幾年無論是從開發(fā)自己的軟件還是對國外的軟件應(yīng)用于實際方面也做了一些工作，但由于問題的復(fù)雜性

18、，數(shù)值仿真技術(shù)的各個方面至今仍然受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。從歷屆板材成形數(shù)值仿真國際會議(NUMISHEET所設(shè)計的標準考題(Benchmark來看，目前的研究己從對簡單形狀的材料成形分析逐步發(fā)展到對復(fù)雜的汽車覆蓋件成形過程進行模擬，特別是對數(shù)值仿真軟件處理多工序、 模擬起皺和回彈的能力提出了較高要求。目前所有有限元計算仿真軟件的前置處理工具(MSC/PATRAN,eta/DYNAFORM一般具有較強的有限元建模功能，但都不具備構(gòu)造復(fù)雜幾何型面的能力。對于由許多復(fù)雜曲面構(gòu)成的零件來說，需要對零件的各個部位進行曲面造型,進而得到光順的復(fù)合曲面。一般只有大型的CAD軟件(如Pro/E. CATIA.

19、I-DEAS, UG, CADDS5等才能實現(xiàn)。根據(jù)得到的成形件三維幾何型面。在適當增加工藝補充部分后構(gòu)造出工序件型面，以此為基礎(chǔ)來構(gòu)造模具的幾何型面，此時需要CAD軟件具有曲面偏移(offset的功能，以便使凸模型面和凹模型面之間有稍大于一個板料厚度的間隙。將生成得幾何模型以標準的圖形交換文件IGES格式輸出。再由有限元軟件的前置處理工具讀入，完成有限元仿真的幾何建模。在構(gòu)造的模具結(jié)構(gòu)中，成形件的初始狀態(tài)為平板毛坯。毛坯的形狀和尺寸對于材料的流動情況有著明顯的影響。如何根據(jù)工序制件形狀和盡寸來預(yù)測毛坯尺寸顯得十分重要，這方面國外一些學(xué)者從不同的角度做了一些工作。Gerrdeen和Sowerb

20、y提出和發(fā)展的幾何映射法不計材料在成形過程中的厚度變化，對于產(chǎn)生大變形的板料來說是很粗略的估計；后來Guo等人提出了反推法；Chong等人提出的理想成形設(shè)計理論等由于作了許多簡化和假設(shè)，所以結(jié)果較為粗略;S. Kim等人提出的利用剛塑性有限元來預(yù)測杯形件毛坯尺寸的方法，是在假設(shè)杯形件側(cè)壁等高的條件下推導(dǎo)的，無法推廣到一般形狀覆蓋件。如何建立一種考慮了加載路徑的基于增量理論的方法來預(yù)測毛環(huán)尺寸，將是今后的研究方向。板料在拉深成形過程中，工藝參數(shù)（如壓邊力的作用、凸模的運動速度、板料與模具間的潤滑條件等）的改變對成形影響是顯著的。只有恰當?shù)孛钄⒏鞣N工藝參數(shù)，使之較為接近真實情況，才能得到合理的仿真

21、結(jié)果。由于板料成形件模具的壓料面往往是復(fù)雜空間曲而，因此材料在成形過程中具有明顯的二個階段，即壓邊圈成形、凸模成形、卸載回彈。在描述壓邊力作用和凸摸運動速度時，必須要求壓邊力的作用能使凸摸在接觸板料之前，由壓邊圈將板料壓緊，即壓邊圈成形。一般認為壓邊力在壓緊坯料后保持恒定，并且讓凸模勻速運動。為了降低凸模運動的動力效應(yīng)，也可將凸模的運動描述為正弦曲線形式，這樣在凸模行程結(jié)束時。速度和加速度均為零。根據(jù)拉深工藝中摩擦狀況對板料成形性能的影響特點.在板料與模具接觸的不同區(qū)域應(yīng)采用不同的潤滑條件，即取不同的摩擦系數(shù)，以便真實地模擬材料的流動。具體摩擦系數(shù)值應(yīng)根據(jù)實驗來確定。1.6有限元分析商業(yè)軟件簡

22、介有限元法作為一個具有牢固理論基礎(chǔ)和廣泛應(yīng)用價值的數(shù)值分析工具，在工程應(yīng)用中起著越來越重要的作用。一些發(fā)達國家投入了大量的人力，物力和財力，開發(fā)了一系列的商業(yè)化軟件，如早期出現(xiàn)的SAP, ANSYS, MARC, NASTRAN, ADFNA等和近年來開發(fā)的專用于薄板金屬沖壓成形過程模擬的SHEET, LS-DYNA, LS-NIKE3D, AUTOFORM,OPTRIS, PAM-STAMP, ROBUST不Il ITAS-3D等軟件。許多文獻及NUMISHEET'99國際會議標準考題(Benchmark的研究者采用上述程序?qū)Ρ“褰饘俪尚芜^程進行了模擬。MARC分析公司(MARC A

23、nalysis Corporation于1971年推出MARC的第一個版本后，成為世界上第一家非線性有限元公司。MARC軟件中采用了TL、 U.L表述、歐拉描述和更新歐拉表述。瞬態(tài)問題可用包括牛頓法、擬牛頓法、直線搜索、弧長搜索、隱式動力學(xué)和顯式動力學(xué)在內(nèi)的不同時間積分求解器求解。MARC 軟件中包含豐富的材料庫，可對金屬塑性加1過程進行數(shù)值模擬。MARC軟件考慮了汽車部件加工分析中的以下問題:模具和工件的接觸和摩擦、厚度的變化、回彈、拉伸破壞、殘余應(yīng)力等。該軟件已成功應(yīng)用于汽車前擋泥板沖壓成形過程的模擬。PAM-STAMP足一個采用顯式時間積分有限元技術(shù)的用于薄板金屬沖壓成形過程仿真的專業(yè)軟

24、件包，由法國ESI (Engineering System Internal開發(fā)研制。該軟件著重考慮了拉延筋的作用，建立了一個與拉延筋作用等價的分析模型。軟件中包括了多種材料模型，分別考慮了非應(yīng)變率敏感和應(yīng)變率敏感的不同情況，還考慮了曲面壓料面的壓邊圈在壓邊過程中與毛壞初接觸及毛坯彎曲等頂成形過程，并且采川了簡便的有限元網(wǎng)格生成技術(shù).此外還采用了加速的接觸判斷算法，提高了處理接觸問題的效率。德國慕尼黑技術(shù)大學(xué)的M.Kohnhiiuser和北京航空航天大學(xué)的張曉京等人利用PAM-STAMP模擬了NUMISHEET'99會議給出的奧迪轎車前門內(nèi)板多步?jīng)_壓成形的標準考題。在PAM-STAMP

25、的基礎(chǔ)上，1990年又出現(xiàn)了一個新的薄板金屬成形分析軟件OPTRIS.OPTRIS采用顯式時間積分，可允許網(wǎng)格細化，計算精度高，除繼承了PAM-STAMP的特點外，OPTRIS最大的特點是允許有限單元個數(shù)超過100000個。OPTRIS采用等效拉延筋模型可以模擬多工步薄板成形問題。LS-NIKE3D也是美國Lawrence Livermore國家實驗室開發(fā)的大型非線性有限元程序。它利用隱式算法來解決需要進行面與面接觸算法的靜態(tài)、準靜態(tài)載荷條件的結(jié)構(gòu)分析問題。它具有平面和軸對稱元素，用線接觸來解決二維或薄板成形截面分析。這一點對于彎曲過程、法蘭邊成形過程以及沖壓成形過程中工件局部區(qū)域的計算十分有

26、效。現(xiàn)在，LS-NIKE3D己被應(yīng)用于沖壓成形過程的回彈問題。由于隱式算法的限制，LS-NIKE3D版本更新的速度比LS-DYNA3D要慢得多。1.7 DYNAFORM軟件簡介本文的仿真工作是通過eta/DYNAFORM軟件完成的。LS-DYNA軟件是用來計算模擬的軟件，而eta/DYNAFORM 軟件則是用來建立零件有限元模烈，設(shè)置各種材料參數(shù)和邊界條件，生成LS-DYNA3D的計算文件，并讀入LS-DYNA3D的計算結(jié)果文件d3plot來察看計算結(jié)果的一個軟件包。eta/DYNAFORM軟件是由美國工程技術(shù)聯(lián)合公司(ETA研制的基于LS-DYNA的薄板金屬沖壓仿真計算軟件包，目前的最新版本

27、是5.2版。這個專業(yè)計算機輔助工程(CAE軟件把LS-DYNA，及LS-NIKE3D 963版的強大分析能力，與eta/FEMB的流程化前處理和后處理功能結(jié)合起來了。這些分析程序和交互功能被合成來在薄板金屬沖壓工業(yè)中服務(wù)于模具設(shè)計和研制。此軟件也最大利用了傳統(tǒng)的CAE技術(shù)來減少建立原型所需的昂貴費用和漫長的產(chǎn)品研制周期時間。eta/DYNAFORM分析引擎的主要部件是LS-DYNA3D和LS-NIKE3D，這兩個軟件都是由加利福尼亞州利弗莫爾市的利弗莫爾軟件技術(shù)公司(LSTC研制的，這兩個程序也都是通用的非線性動態(tài)有限元分析程序，LS-DYNA和LS-NIKE3D分別利用顯示和隱式計算方法來解

28、決流體和固體結(jié)構(gòu)問題。這些程序己被成功地研制應(yīng)用于汽車防撞性、乘員安全性、水下爆破、薄板金屬沖壓等方面。薄板金屬沖壓研究周期的瓶頸是模具設(shè)計先導(dǎo)時間。eta/DYNAFORM 軟件模擬了這個建模過程，從而縮短建模試驗時間、降低制造高品質(zhì)嵌鑲板和模具部件所需的費用。尤其是eta/DYNAFORM 簡單有效地研究了建模過程中的四個重要設(shè)計關(guān)系:壓邊、拉伸、回彈和多步模具。這些模擬使得工程師可在設(shè)計周期的早期進行產(chǎn)品設(shè)計的可行性研究。用戶也可利用定義好的模具曲面數(shù)據(jù)來預(yù)測覆蓋件在成形過程中的沖壓性能:開裂、起皺和變薄，還可預(yù)測滑痕和回彈效果。1.8 本文主要研究內(nèi)容1緒論： 了解模具最新的發(fā)展前景和

29、方向，對模具行業(yè)有了整體的認識；2制件分析： 分析了制件的工藝性，確定了制件的沖壓工序和參數(shù)； 3基于DYNAFORM的工藝仿真分析： 運用DYNAFORM5.2軟件進行制件工藝參數(shù)的優(yōu)化分析，進行沖壓模擬仿真等其它仿真分析；4模具設(shè)計： 確定模具各主要部件的結(jié)構(gòu)和尺寸，進行刃口尺寸的計算，相關(guān)件的強度校核； 5用Pro/E繪制模具圖： 繪制模具的三維圖，并將三維圖轉(zhuǎn)換成二維工程圖，標出所有的尺寸，繪制出模具的裝配圖和主要零件圖。2 制件分析21制件的工藝分析本制件為盒形零件，Pro/E三維圖如圖2.1所示,工程圖如圖2.2所示，由圓角及直邊兩部分組成。在拉深加工成形時，其圓角部分相當于圓筒型

30、件得拉深，而直邊部分相當于簡單得彎曲變形。但是這兩者之間是相互關(guān)聯(lián)而不是相互分開的。因此，在拉深這類零件時，它們之間是相互影響的，這給拉深工藝帶來復(fù)雜性。 圖2.1制件三維圖根據(jù)沖壓件的成形特點確定該制件的沖壓工序為：落料拉深沖孔。 圖2.2制件工程圖 2.2拉深次數(shù)盒形零件的拉深次數(shù)主要與它的相對高度H/B和相對圓角半徑r/B有關(guān)。其相對高度計算值小于或等于許用數(shù)值時，可一次拉深成形，否則須采用多次拉深成形，其拉深次數(shù)可根據(jù)相對高度值在表7211中查取。對于本制件，其相對高度H/B40/43=0.93 （2.1）相對厚度：t/B0.8/43×1001.86 （2.2）由以上數(shù)據(jù)查表

31、322【9】可得該制件的拉深次數(shù)n1，本制件屬于淺盒形零件。對于一次拉深即能成形的矩形盒件，其凸模工作部分的形狀盒尺寸應(yīng)該取未等于盒形件的形狀和尺寸。而凹模工作部分的尺寸和形狀，基本上與圓筒形件選擇原則相似，即R凹（410）t （2.3）式中 R凹凹模圓角半徑（mm）t板料厚度（mm）本設(shè)計中R凹8.810t，滿足工藝性要求。2.3拉深成形極限與拉深系數(shù) 在拉深成形過程中，板料受壓縮失穩(wěn)產(chǎn)生皺摺與拉深失穩(wěn)產(chǎn)生破裂兩方面的限制。不起皺條件是(t/D×1004.5(1-m。但起皺不是主要問題，要采用壓邊圈或防皺拉深肋即可解決。板料破壞的主要形式，是因變形程度過大引起的破裂。衡量變形程度的

32、參數(shù)是m，對于一次成形的制件體：m=d/D （2.4）式中 d筒件壁厚中徑；D板料直徑；m為拉深系數(shù)，其倒數(shù)k=1/m稱為拉深比。顯然，m越小，變形程度越大。小于其極限值mmin時，必須進行多次拉深，否則會產(chǎn)生破裂。在該制件的工藝分析中,不起皺的條件是通過仿真軟件DYNAFORM分析活得的。在此不再詳述,具體見仿真分析部分。3 基于DYNAFORM的工藝仿真分析please contact Q 3053703061 give you more perfect drawings擋料銷擋料銷用于限定條料送進距離、擋住條料的搭邊或工件輪廓，起定位作用。擋料銷有固定擋料銷和活動擋料銷兩類。固定擋料銷分

33、圓形與鉤形兩種，一般裝在凹模上。圓形擋料銷結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，但銷孔離凹模刃口較近，會削弱凹模的強度。鉤形擋料銷遠離凹模刃口，不會削弱凹模強度。為防止形狀不對稱的鉤頭轉(zhuǎn)動，需要加定向銷，因此增加了制造的工作量。綜合以上兩種擋料銷，考慮到本制件精度要求不高，為了簡化制造工藝，降低模具成本，選用容易制造的活動擋料銷。卸料裝置卸料裝置的型式較多，它包括固定卸料板、活動卸料板、彈壓卸料板和廢料切刀等幾種。卸料板除把材料從凸模上卸下外，有時也起壓料或為凸模導(dǎo)向的作用。因此，在大批量生產(chǎn)用的模具上，要用淬硬得的卸料板。固定卸料板適用于沖制材料厚度大于和等于0.8mm的帶料或條料。彈壓卸料板主要用于沖制薄件

34、和要求平整的沖件。此卸料板常用于復(fù)合沖裁模。其彈力來源于彈簧或橡皮。推件裝置推件裝置有剛性和彈性兩種。彈性推件器一般裝于模座下面，與下模板相連。這種裝置除有推出工件的作用外，還能壓平工件，還可以用于卸料和緩沖。剛性推件器一般置于上模，推件力大且可靠，其推件力通過打桿推板推桿推塊傳至工件。推桿常選用34個且分布均勻、長短一致。推桿裝載上模板的孔內(nèi)，為保證凸模支承剛度和強度，放推桿的孔不能全挖空，推板的形狀要按被拆下的工件形狀來設(shè)計。導(dǎo)向零件設(shè)計與標準導(dǎo)向零件可保證模具沖壓時，上、下模有一精確的位置關(guān)系。在中、小型模具中廣泛采用的導(dǎo)向零件是導(dǎo)柱和導(dǎo)套。導(dǎo)柱（導(dǎo)套）常用兩個。對中型沖模或沖制精度要求

35、高的自動化沖模，則采用四個導(dǎo)柱。在安裝圓形沖件等一類無方向性的沖模時，為避免裝錯，將對角模架和中間模架上的兩個導(dǎo)柱，做成直徑不等的型式；四導(dǎo)柱的模架，可做成前后導(dǎo)柱的間距不同的模座。對可能產(chǎn)生側(cè)向推力時，要設(shè)置止推塊，使導(dǎo)柱不受彎曲力。一般導(dǎo)柱安裝在下模座，導(dǎo)套安裝在上模座，分別采用過盈配合。高速沖裁、精密沖裁或硬質(zhì)合金沖裁模具，要求采用滾珠導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。考慮到本套模具的成本和精度，選用滑動導(dǎo)柱、導(dǎo)套。滑動導(dǎo)柱、導(dǎo)套的型式和尺寸通過沖壓模具標準手冊選取。中、小型沖模通過模柄將上模板固定在壓力機的滑塊上。常用的模柄形式如下。(1）壓入式模柄 它與上模座孔采用H7/s6的過渡配合，并加銷釘防轉(zhuǎn)。如圖4

36、.6所示。(2）旋入式模柄 通過螺紋與模座聯(lián)接，用螺釘防松，裝卸方便，多用于有導(dǎo)模的沖模。(3）凸緣模柄 用34個螺釘固定在上模座的窩孔內(nèi)，多用于較大型的模具上。(4）浮動模柄 通過凹球面模柄與凸球面墊塊聯(lián)接，裝入壓力機滑塊后，允許模柄與模柄軸心線之間的偏離，可減少滑塊誤差對模具導(dǎo)向精度的影響。本模具采用比較常見的壓入式模柄。凸模固定板將凸模固定在模座上，其平面輪廓尺寸除應(yīng)保證凸模安裝孔外， 圖4.6模柄還要考慮螺釘與銷釘孔的位置。其型式有圓形和矩形兩種。厚度一般取凹模厚度的0.60.8倍。墊板的作用是直接承受和擴散凸模傳遞的壓力，以降低模座所受的單位壓力，保證模座以免被凸模端面壓陷壓縮彈簧的

37、選用彈簧的選用：（1） 根據(jù)凸模周圍可以安裝彈簧的空間大小，確定彈簧個數(shù)m=4（2） 根據(jù)卸料力P和彈簧個數(shù)m計算單個彈簧所受的載荷。P=2980+3970+3310=10260（N） P/m=10260/4=2565（N ） （3） 根據(jù)單個彈簧的載荷選彈簧，使得所選彈簧的最大工作載荷大于彈簧所受載荷。所選彈簧的型號為：（GB2089-80）F=2800Nd= h=50mmL=1556mmF 工作極限負荷N。d 材料直徑。h - 工作極限負荷下的變形量。L 展開長度 。（4） 計算彈簧在卸料裝置中可能的總的壓縮量H。 =20+6+40=66mm式中 H 彈簧預(yù)壓縮量mmH 凸?？?cè)心チ恳饛?/p>

38、簧壓縮量的增加，一般取 410mmH彈簧的工作壓縮量，mm 數(shù)值上等于卸料板的工作行程。（5）檢查壓縮量：H h 表示彈簧不僅滿足卸料力的要求，而且滿足卸料板的工作行程要求。4.10拉深模結(jié)構(gòu)設(shè)計拉深模得間隙z/2(單面一般比毛坯略大些,其值按下式計算:單面間隙z/2=tmax+ct （4.12）式中 tmax板料得最大厚度, tmax=t+;板料得正偏差;c 間隙系數(shù).查表4-312得: c=0.2=0.22故有,非圓形凸、凹模的制造公差可根據(jù)工件公差確定,IT12級以上,則凸、凹模制造公差采用IT8、IT9級精度;若為IT14以下時,則凸、凹模制造公差采用IT10級精度·對于凸、

39、凹模的制造公差,根據(jù)工件的材料的厚度與工件直徑來選定,其數(shù)值查表4-332得:的值d=0.06=0.22工件在拉深時,計算sin43°cos13°sin47°cos103°的結(jié)果等于使工件很容易粘貼附在凸模上. A. B. C.圖4.7拉深凸凹模 D.答案A 解析原式sin43°cos13°cos43°sin13°sin(43°13°sin30°.2已知sin，cosPro/E繪制模具圖Pro/E進行實體造型的步驟：分析零件的形狀特征選擇特征造型命令選擇繪圖平面繪制特征輪廓草圖完成特征

40、的建立。其中拉深凸凹模的三維實體模型如圖5.1所示。其他零件圖略。是第二象限角，是第四象限角，那么sin(裝配圖如圖A. B. C D答案A解析因為是第二象限角，且sin，所以cos 圖5.3爆炸圖5.2 Pro/E三維造型向AutoCAD二維圖形的轉(zhuǎn)換 在機械設(shè)計中，現(xiàn)已廣泛使用計算機繪圖，而AutoCAD是目前我國使用最普遍 的計算機繪圖軟件之一。AutoCAD以其強大的繪圖和編輯功能，相對于以往的手工繪圖大大提高了繪圖效率。但AutoCAD不具備參數(shù)化繪圖功能，繪制零件上的每條線、每個尺寸都要靠人工操作，這點與在圖板上手工繪圖非常相似。由于在產(chǎn)品設(shè)計階段以及隨后的各個階段，設(shè)計人員對所設(shè)計的零件不可避免地要進行多次修改，每次形狀的修改都會引起相關(guān)的尺寸變動，故會導(dǎo)致視圖上相應(yīng)的線條和尺寸都要重新繪制。如此反復(fù)，導(dǎo)致工作量大，操作非常繁瑣，且極易出錯。若所關(guān)聯(lián)的視圖越多，則工作量越大。本文介紹了用Pro/E生成零件的三維造型，再將其轉(zhuǎn)成二維工程圖，然后輸出到AutoCAD中生成人們熟悉的工程圖的方法。這種方法可以克服AutoCAD的不足，大大地提高機械產(chǎn)品的設(shè)計、繪圖、改型等工作的效率和質(zhì)量。首先在“零件”模塊下進行零件的三維實體造型，然后在“繪圖”模塊下生成二維工程圖。(1）創(chuàng)建零件的三維模型 Pro