汽車頂蓋模具設計,汽車,頂蓋,模具設計 畢 業(yè) 論 文（設 計） 題目：多目標優(yōu)化的汽車覆蓋件的設計 ——汽車頂蓋模具設計 （英文）：Mold Design of Automobile Covering Based on Multi-objective Optimization——Car Roof Die Design 院 別： 機電學院 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 姓 名： 學 號： 指導教師： 日 期： 2010年5月29日 多目標優(yōu)化的汽車覆蓋件的設計 ——汽車頂蓋模具設計 摘要 本文以建模軟件Pro/E和沖壓仿真分析軟件Dynaform為工具，以典型汽車覆蓋件（車頂蓋）為例，應用計算機對產品進行三維建模及仿真計算沖壓模具工作過程，通過分析結果，驗證模具設計是否合理，防止起皺、拉裂等不良現象。實踐證明，采用沖壓仿真分析軟件DYNAFORM對汽車覆蓋件成形過程進行模擬，并根據仿真結果進行沖壓工藝規(guī)劃和模具的設計，可以降低成本，縮短生產周期，提高模具的設計質量。主要講述仿真分析技術在汽車覆蓋件模具制造中的實際應用。探討了虛擬制造技術在汽車模具制造中的重要性和優(yōu)勢，提出了虛擬制造技術在汽車模具開發(fā)領域的應用。在簡單介紹了虛擬制造的原理及其組成部分后，對其在汽車覆蓋件模具制造中的應用給出了詳細說明，重點介紹了在汽車覆蓋件模具制造中如何使用虛擬制造技術，給出了應用的一般流程，并對其中的關鍵技術和難點技術給予了詳細說明。 關鍵詞：沖壓；仿真；Dynaform；覆蓋件；模具設計 Mold Design of Automobile Covering Based on Multi-objective Optimization——Car Roof Die Design ABSTRACT In this paper we use modeling software Pro/E and simulation software Dynaform as a tool, take the typical automobile cover (car roof) as an example, use the computer to model the product and simulate the stamping process，through result analysis, we confirm the mold is designed reasonably. Such design would prevent such bad phenomenon as wrinkle and fracture and so on. It has been proved, using the stamping simulation analysis software Dynaform to make the simulation of automobile cover forming process, and making the stamping process plan and the mold design according to the simulation results, can reduce the cost, shorten production cycle, enhance the mold design quality. In order to explain the Simulation Analysis Technology's application in automobile covering mould manufacturing, discusses the importance of the virtual manufacturing technology used in mould manufacturing, the application of virtual manufacturing technology was put forward in the field of auto mould development. After virtual manufacturing is simply introduced, a detailed explanation was given in the mould manufacturing application. Additionally, we also introduced how to use the virtual manufacturing technology in the mould manufacturing, and gave the general process, the key technology and some other technical. Key words: Stamping; Simulation; Dynaform; Covering; Mould design 目錄 1緒論 1 1.1汽車覆蓋件的概念與特點 1 1.1.1汽車覆蓋件的概念 1 1.1.2汽車覆蓋件的成形特點 1 1.1.3 覆蓋件的特殊要求 2 1.1.4 Dynaform 有限元模擬軟件的應用 3 1.2 冷沖壓模具發(fā)展現狀及CAE技術的前景 3 1.2.1我國冷沖壓模具的發(fā)展現狀 3 1.2.2 CAE技術的發(fā)展前景 4 1.3論文的提出及研究意義 4 1.3.1論文的提出 4 1.3.2研究意義 4 1.4研究的主要內容 5 2汽車覆蓋件拉延模沖壓工藝分析 6 2.1產品的工藝分析 6 2.1.1覆蓋件沖壓工藝的特點 6 2.2沖壓工藝的確定 6 2.2.1沖壓方向的確定 7 2.2.2 工藝補充部分設計 8 2.2.3壓料面的確定 9 2.2.4工藝孔及工藝切口 10 2.2.5 增加拉延筋或拉延檻 10 2.2.6加工方案的確定 11 3對汽車覆蓋件的拉延工藝的有限元分析 13 3.1 DYNAFORM軟件的三大組成部分 13 3.1.1 DYNAFORM前處理 13 3.1.2 DYNAFORM求解器 14 3.1.3 DYNAFORM的后處理 14 3.2 DYNAFORM軟件在板料成形過程中的分析流程 14 3.3采用仿真技術的優(yōu)點 15 3.4模具設計的有限元分析與仿真 16 3.4.1參數初步確定 16 3.4.2模型的建立 16 3.4.3對零件進行網格劃分 17 3.4.4 沖壓方向的調整 19 3.4.5創(chuàng)建壓料面和工藝補充部分 20 3.4.6對壓料面進行裁剪 22 3.4.7毛坯的確定 23 3.4.8 Draw Die模塊參數設置 25 3.4.9成形缺陷的分析判斷 26 3.4.10解決起皺的方法 29 3.4.11解決開裂的方法 31 4模具結構設計的確定及ISIGHT分析 31 4.1對DYNAFORM仿真結果進行多目標優(yōu)化 31 4.1.1 iSIGHT簡介 31 4.1.3 響應面法的簡單介紹 33 4.1.4 多目標優(yōu)化的基本思路 33 4.1.5 目標函數對產品的影響與控制 38 4.2選用模具的類型及結構 39 4.2.1三種拉延模的比較 39 4.2.2確定拉延模的類型 41 4.2.3 壓力機的選擇 41 4.3汽車覆蓋件沖壓成形的沖壓方式 41 4.3.1拉延模的主要組成部分 42 4.4結構尺寸參數 42 4.4.1凸模結構 43 4.4.2空氣孔的設計 43 4.4.3導向板 44 4.4.4壓邊圈和凹模的導向 45 4.4.5 壓料筋和壓料檻 46 4.4.6 升降機頂件器 48 4.4.7 模具總體裝配圖 49 總結 51 參考文獻 52 致謝 54 附錄 A 圖紙清單 55 多目標優(yōu)化的汽車覆蓋件的設計 1緒論 1.1汽車覆蓋件的概念與特點 1.1.1汽車覆蓋件的概念 汽車覆蓋件（以下簡稱覆蓋件）是指構成汽車車身或駕駛室、覆蓋發(fā)動機和底盤的薄金屬板料制成的異形體表面和內部零件。轎車的車前板和車身、載重車的車前板和駕駛室等都是由覆蓋件和一般沖壓件構成的。覆蓋件組裝后構成了車身或駕駛室的全部外部和內部形狀，它既是外觀裝飾性的零件，又是封閉薄殼狀的受力零件。覆蓋件的制造是汽車車身制造的關鍵環(huán)節(jié)。 覆蓋件的分類： （1）按功能和部位分類：可分為外部覆蓋件、內部覆蓋件和骨架類覆蓋件三類。外部覆蓋件和骨架類覆蓋件的外觀質量有特殊要求，內部覆蓋件的形狀往往更復雜。 （2）按工藝特征分類： （a）對稱于一個平面的覆蓋件。諸如發(fā)動機罩、前圍板、后圍板、散熱器罩和水箱罩等。這類覆蓋件又可分為深度淺呈凹形彎曲形狀的、深度均勻形狀比較復雜的、深度相差大形狀復雜的和深度深的幾種。 （b）不對稱的覆蓋件。諸如車門的內、外板，翼子板，側圍板等。這類覆蓋件又可分為深度淺度比較平坦的、深度均勻形狀較復雜的和深度深的幾種。 （c）可以成雙沖壓的覆蓋件。所謂成雙沖壓既指左右件組成一個便于成型的封閉件，也指切開后變成兩件的半封閉型的覆蓋件。 （d）具有凸緣平面的覆蓋件。如車門內板，其凸緣面可直接選作壓料面。 （e）壓彎成型的覆蓋件。 以上各類覆蓋件的工藝方案各有不同，模具設計結構亦有很大差別。本論文研究的是外部覆蓋件，屬于對稱于一個平面的覆蓋件。 1.1.2汽車覆蓋件的成形特點 與一般沖壓件相比，覆蓋件具有材料薄、形狀復雜、結構尺寸大和表面質量要求高等特點。覆蓋件的工藝設計、沖模結構設計和沖模制造工藝都具有特殊性。因此，在實踐中常把覆蓋件從一般沖壓件中分離出來，作為一各特殊的類別加以研究和分析。 在板材沖壓成形中，汽車覆蓋件是最復雜的沖壓件。零件上經常有許多局部的凸起、筋條等形狀，且零件尺寸大，毛坯相對厚度小。往往要經過拉延、切邊、翻邊等多道工序甚至十幾道工序才能得到一個汽車覆蓋件的成品件。 1.1.3 覆蓋件的特殊要求 1、表面質量 覆蓋件表面上任何微小的缺陷都會在涂漆后引起光線的漫反射而損壞外形的美觀，因此覆蓋件表面不允許有波紋、皺折、凹痕、擦傷、邊緣拉痕和其他破壞表面美感的缺陷。覆蓋件上的裝飾棱線和筋條要求清晰、平滑、左右對稱和過渡均勻，覆蓋件之間的棱線銜接應吻合流暢，不允許參差不齊?？傊采w件不僅要滿足結構上的功能要求，更要滿足表面裝飾的美觀要求。 2、尺寸形狀 覆蓋件的形狀多為空間立體曲面，其形狀很難在覆蓋件圖上完整準確地表達出來，因此覆蓋件的尺寸形狀常常借助主模型來描述。主模型是覆蓋件的主要制造依據，覆蓋件圖上標注出來的尺寸形狀，其中包括立體曲面形狀、各種孔的位置尺寸、形狀過渡尺寸等，都應和主模型一致，圖面上無法標注的尺寸要依賴主模型量取，從這個意義上看，主模型是覆蓋件圖必要的補充。 3、剛性 覆蓋件拉延成型時，由于其塑性變形的不均勻性，往往會使某些部位剛性較差。剛性差的覆蓋件受至振動后會產生空洞聲，用這樣零件裝車，汽車在高速行駛時就會發(fā)生振動，造成覆蓋件早期破壞，因此覆蓋件的剛性要求不可忽視。檢查覆蓋件剛性的方法，一是敲打零件以分辨其不同部位聲音的異同，另一種是用手按看其是否發(fā)生松馳和鼓動現象。 4、 工藝性 覆蓋件的結構形狀和尺寸決定該件的工藝性。覆蓋件的工藝性關鍵是拉延工藝性。覆蓋件一般都采用一次成型法，為了創(chuàng)造一個良好的拉延條件，通常將翻邊展開，窗口補滿，再加添上工藝補充部分，構成一個拉延件。工藝補充是拉延件不可缺少的組成部分，它既是實現拉延的條件，又是增加變形程度獲得剛性零件 的必要補充。工藝補充的多少取決于覆蓋件的形狀和尺寸，也和材料的的性能有關，形狀復雜的深拉延件，要使用08ZF鋼板。工藝補充的多余料需要在以后工序中去除。拉延工序以后的工藝性，僅僅是確定工序次數和安排工序順序的問題。工藝性好可以減少工序次數，進行必要的工序合并。審查后續(xù)工序的工藝性要注意定位基準的一致性或定位基準的轉換，前道工序為后續(xù)工序創(chuàng)造必要的條件，后道工序要注意和前道工序銜接好。 1.1.4 Dynaform 有限元模擬軟件的應用 汽車覆蓋件多為空間自由曲面，具有結構尺寸大，形狀復雜，材料薄等特點，成形過程涉及幾何非線性，材料非線性和復雜的接觸摩擦問題。傳統(tǒng)的模具設計方法難以預先估計板料成形過程中板料的成形性和模具設計的正確性。利用板料沖壓成形有限元模擬軟件Dynaform可以預測成形過程中板料的裂紋、起皺、減薄、劃痕和回彈，評估板料的成形性能。 1.2 冷沖壓模具發(fā)展現狀及CAE技術的前景 1.2.1我國冷沖壓模具的發(fā)展現狀 由于冷沖壓模具有表面質量好、重量輕、成本低的優(yōu)點,它還是一種經濟的加工方法,這是其他加工方法不能與之競爭的。因而冷沖壓工藝在機械制造業(yè)中得到廣泛應用,它在現代汽車、拖拉機、電機、電器、儀器、儀表以及飛機、導彈、槍彈、炮彈和各種民用輕工業(yè)中已成為主要的工藝之一。目前,大量產品均可以通過鋼板沖壓直接生產,有些機械設備往往以沖壓件所占的比例作為評價結構是否先進的指標之一。 其中，汽車、摩托車行業(yè)的冷沖壓模具需求占國內冷沖壓模具市場的一半左右。汽車、摩托車行業(yè)的發(fā)展將會大大推動冷沖壓模具工業(yè)的高速增長,特別是汽車覆蓋件冷沖壓模具、塑料冷沖壓模具和壓鑄冷沖壓模具的發(fā)展，對中國冷沖壓模具工業(yè)和技術的發(fā)展產生巨大的推動作用。 從1997年開始對部分冷沖壓模具企業(yè)實行了增值稅返還 70%的優(yōu)惠政策。所有這些國家對冷沖壓模具工業(yè)采取的優(yōu)惠政策也將對其發(fā)展提供有力支持。雖然我國的冷沖壓模具工業(yè)和技術在過去的十多年得到了快速發(fā)展,但與國外工業(yè)發(fā)達國家相比仍存在較大差距,尚不能完全滿足國民經濟高速發(fā)展的需求。 1.2.2 CAE技術的發(fā)展前景 為了加快產品更新?lián)Q代的速度,克服模具設計周期長等缺點。應大力開展模具計算機輔助設計和制造(CAD/CAM/CAE)技術的研究。因為利用CAE技術，可以有效地降低對模具設計人員的技術和經驗要求，對模具設計中常出現的起皺、拉裂等現象制止于設計階段，提高模具的設計精度，降低模具的生產成本，縮短模具的設計開發(fā)周期。 中國冷沖壓模具工業(yè)和技術的主要發(fā)展方向包括:(1)在冷沖壓模具設計制造中廣泛應用CAD/CAE/CAM技術；(2)研究和應用冷沖壓模具的高速測量技術與逆向工程；(3)開發(fā)新的成形工藝和冷沖壓模具。 1.3論文的提出及研究意義 1.3.1論文的提出 目前國外汽車覆蓋件模具CAD/CAM技術的發(fā)展已進入實質性的應用階段，不僅全面提高了模具設計的質量，而且大大縮短了模具的生產周期。近些年來，我國在汽車覆蓋件模具CAD技術的應用方面也取得了顯著的進步，但傳統(tǒng)的沖壓模具加工工藝依然占據著主導地位。從理論上說，模具設計是CAD/CAE技術最能發(fā)揮優(yōu)越性的領域。但我國目前模具CAD的成果并不十分顯著，尤其是在汽車覆蓋件模具CAD技術應用方面，這項技術的巨大潛力還未充分發(fā)揮出來，解決這個問題的關鍵就是要提高CAD/CAE技術在模具設計領域的應用水平。 歐美推出一種新車型需要48個月，日本則只需30個月。我國在對汽車新車型，尤其是轎車車型的開發(fā)設計技術方面比較落后，其中一個重要的原因就是覆蓋件模具的設計效率低。國內傳統(tǒng)的模具設計方法已適應不了汽車工業(yè)的發(fā)展需要，而引進國外的覆蓋件模具產品不僅要花費大量的外匯，而且會嚴重阻礙汽車產品的更新?lián)Q代。要解決上述問題，就必須研究開發(fā)我國自己的模具CAD技術。同時引進國外先進的通用造型軟件進行二次開發(fā)無疑是一種必要而又有效的手段。本論題就是在這樣的背景下提出的。 1.3.2研究意義 在傳統(tǒng)的汽車覆蓋件模具開發(fā)過程中，當模具設計及制造完成后，需要經過反復的調試修改，才能得到滿意的汽車零件。在調試過程中，一些成形缺陷，如破裂、起皺、回彈、翹角等問題，主要是憑借模具鉗工師的經驗，通過試模、修模、再試模、再修模的循環(huán)過程才能解決。這種方法不但降低了生產效率，而且生產出的模具精度往往達不到預期的要求，還會加長模具的開發(fā)周期。在汽車覆蓋件設計過程中,由于技術能力、開發(fā)周期和開發(fā)成本等諸多因素的限制,技術人員不可能僅依靠大量的傳統(tǒng)試錯分析對覆蓋件的成形方案進行改進。因此,基于成形過程數值模擬,尋求適用于汽車覆蓋件成形過程的優(yōu)化方法,具有重要的工程意義和研究價值。 通過CAD和CAE集成設計了汽車覆蓋件模具、壓料面以及工藝補充部分，在有限元分析軟件內部實現了覆蓋件模具設計， 解決了模擬后的模具形狀參數化調整問題，不但節(jié)省了大量時間，而且也能保證模擬順利進行，提高了設計可靠性。 1.4研究的主要內容 本論文主要研究內容包括以下幾個方面：1.用PRO/E軟件對產品（汽車頂蓋）進行三維建模并生成AotoCAD格式的圖紙，同時也轉換成IGES格式的文件。2.通過有限元軟件DYNAFORM對沖壓成形過程的仿真選擇適合的材料。3.利用DYNAFORM的BSE模塊精確的計算毛坯的外形尺寸。4.分析車頂蓋在沖壓成型過程中可能會出現的局部減薄破裂、增厚起皺現象。通過分析預測，可以有效的提高產品的生產效率，減少單件的生產成本。 本課題選用DYNAFORM軟件對車頂蓋沖壓成形進行數值模擬，因為DYNAFORM對用戶的工程背景及理論知識要求并不高，具有界面友好和方便以及操作流程自動的特點。圖1.1是應用DYNAFORM進行車門沖壓成形模擬分析的方法過程。 從PRO/E軟件讀入幾何模型（IGES） ↓ 有限元網格劃分并進行模型檢查(Model Check) ↓ 定義成形工具 ↓ 生成毛坯 ↓ 設置成形參數 ↓ 求解器計算 ↓ 后置處理，分析計算結果得到應力極限圖、應力應變圖和厚度云圖 圖1.1 DYNAFORM軟件車頂蓋成形分析流程圖 2汽車覆蓋件拉延模沖壓工藝分析 2.1產品的工藝分析 2.1.1覆蓋件沖壓工藝的特點 (1)盡可能用一道工序成形出覆蓋件的形狀。因為二次成形經常發(fā)生成形不完整的情況，造成覆蓋件表面質量惡化。 (2)覆蓋件的成形深度盡可能平緩均勻，使各處的變形程度趨于一致。在多道工序成形時，預先要很好考慮前后各工序間的相互協(xié)調，并保證使各工序成形條件都達到良好狀態(tài)。 (3)覆蓋件上的孔一般應在零件成形之后沖出，以防預先的孔在成形過程中發(fā)生變形。如孔位于零件上不變形或變形極小的部位時，當孔的精度要求不高時，也可在零件成形前沖出。 (4)覆蓋件在主成形之后，一般為翻邊、修邊等工序，在進行主成形工序的坯料形狀尺寸和成形工藝設計時，應充分考慮為后續(xù)翻邊、修邊等工序提供良好的工藝條件，包括變形條件、模具結構、零件定位、送料、取件等。 2.2沖壓工藝的確定 拉伸件的工藝性是編制覆蓋件沖壓工藝首先要考慮的問題，只有設計出一個合理的、工藝性好的拉伸件，才能保證在拉伸過程中不起皺、不開裂或少起皺、少開裂。在設計拉伸件時不但要考慮沖壓方向、沖壓位置、壓料面形狀、拉伸筋的形狀及配置、工藝補充部分等可變量的設計，還要合理地增加工藝補充部分，正確確定壓料面。各可變量設計之間又有相輔相成的關系，如何協(xié)調各變量的關系是成形技術的關鍵，要使之不但滿足該工序的拉伸，還要滿足該工序沖模設計和制造工藝的需要，并給下道熔邊、翻邊工序創(chuàng)造有利條件。 2.2.1沖壓方向的確定 零件的沖壓方向是確定拉伸工藝首先要遇到的問題，它不但決定能否拉伸出滿意的拉伸件，而且還影響到工藝補充部分的多少和壓料面的形狀。合理確定沖壓方向應滿足以下3方面的要求： 1、保證凸模能夠進入凹模 如圖 2.1所示，凹模右方下邊的形狀向外凸出，最凸出點超過凹模口尺寸，使凸模不能進入凹模，這個拉伸方向是不能進行拉伸的，必須改變拉伸方向，使凸模能夠進入凹模。如圖2.1(b)所示，將圖2.1(a)沿逆時針方向旋轉一個角度．使凸棋能夠進入凹模。 1 2 注：1、凸模； 2、沖壓件 （b） （a） 圖2.1 沖壓方向調整圖 2、使凸模接觸毛坯的面積大 接觸面越大，接觸面與水平面的夾角越?。髟讲灰装l(fā)生局部應力過載而使零件產生破裂。材料在拉伸時貼模性能提高，容易獲得完整的凸模形狀，有利于提高零件的變形程度。 3、壓料面各部分進料阻力要均勻可靠 壓料應盡量保證毛料平放，壓料面各部位進料阻力應均勻。拉延深度均勻，拉入角相等，才能有效地保證進料阻力均勻。 2.2.2 工藝補充部分設計 為了給覆蓋件創(chuàng)造一個良好的拉延條件，需要將覆蓋件上的窗口填平，開口部分連接成封閉形狀，有凸緣的需要平順改造使之成為有利成型的壓料面，無凸緣的需要增補壓料面，這些增添的部分稱為工藝補充部分。 工藝補充是拉延工藝不可缺少的部分，拉延后又需要將它們修切掉，所以工藝補充部分應盡量減少，以提高材料的利用率。工藝補充部分除考慮拉延工藝和壓料面的需要外，還要考慮修邊和翻邊工序的要求，修邊方向應盡量采取垂直修邊。可能采用的幾種修邊型式如下: 圖2.2 工藝補充部分的幾種況 （1）修邊線在拉延件壓料面上，如圖2.2（a）所示。此時壓料面應是覆蓋件的凸緣面，修邊采取垂直修邊。為了在模具使用中打磨壓料筋槽不致影響修邊線，修邊線至拉延筋的距離A一般取25mm。 （2）修邊線在拉延件底面上，如圖2.2（b）所示。采用垂直修邊，工藝補充尺寸一般取： B＝3～5mm； C＝10～20mm； D——按保留有多于1.5根完整拉延筋形狀考慮。 R凸＝3～10mm，深度淺和直線部分取下限，深度深和曲線部分取上限； R凹＝8～10mm。 （3）修邊線在拉延件短斜面上，如圖2.2（c）所示。采用垂直修邊，工藝補充尺寸一般?。? E＝B＝3～5mm； α≥5o。 （4）修邊線在拉延件長斜面上，如圖2.2（d）所示。垂直修邊，修邊線是按覆蓋件翻邊展開確定的，所以拉延輪廓外形不能完全平行修邊線，圖中F是變化的，不同情況取不同最小值，F還和拉延件在修邊時的定位有關，如圖11所示。一般取： F≥8mm（用拉延檻定位）； F＝3～5mm（用側壁定位）； β＝6o～12o。 （5）修邊線在拉延件側壁上，如圖2.2（e）所示。采用水平修邊或傾斜修邊，修邊線至凹模圓角半徑的距離G是一個變量，它決定水平修邊凹模鑲塊的強度。 設計中應根據修邊線的位置確定各工藝補充部分的尺寸，特別是凹模R圓角處，因凹模圓角部分對抗伸毛坯進料阻力影響很大，直接關系到拉伸件的起皺或開裂，所以取值要合理。工藝補充部分的凹模圓角半徑一般取8～10mm，在能夠拉出滿意的拉伸件的條件下，盡可能減少工藝補充部分，但必要時還要有意增加工藝補充(如凹槽、斜槽、凸筋等)。如果在設計拉伸件時，經過仔細分析，已考慮到某一部分(形狀變化急劇的部分)在拉伸時有多余的金屬，材料易流動，可能會產生起皺，那么在這部分的工藝補充上加凹槽或凸筋等，使多余的金屬在拉伸過程中流到凹?；蛲菇钪?，充分吸收多余的材料，使拉伸不易起皺。同時加凹槽時要考慮到修邊容易去掉，這個方法可有效地解決拉伸起皺問題。 2.2.3壓料面的確定 覆蓋件拉延成形的壓料面形狀是保證拉延過程中材料下破不裂和順利成型的首要條件，確定壓料面形狀應滿足如下要求。 1、有利于降低拉延深度 平壓料面奪料效果最佳，但為了降低拉延深度，常使壓料面形成一定的傾斜角。 2、壓料面應保證凸模對毛料有一定程度的拉延效應。 壓料圈和凸模的形狀應保持一定的幾何關系，使毛料在拉延過程中始終處于緊張狀態(tài)，并能平穩(wěn)漸次地緊帖凸模，不允許有多余的產生皺紋。為此，必須滿足下列條件： （1）壓料面展開長度比凸模表面展開長度短； （2）凸模表面夾角比壓料面表面夾角小。 3、壓料面平滑光順有利于毛料往凹模型腔內流動。 壓料面上不得有局部的鼓包、凹坑和下陷。如果壓料面是覆蓋件本身的凸緣上有凸起和下陷時，應增加整形工序。壓料面和沖壓方向的夾角大于90o，會增加進料阻力，也是不可取的。 2.2.4工藝孔及工藝切口 工藝孔或工藝切口必須在修邊線之外的多余材料上，修邊時不應影響工件的形狀。覆蓋件需要局部反拉延時，如果采用加工該部圓角和使側壁成斜度的辦法，仍然拉不出所需深度時，往往采取沖工藝切口的辦法來改善反拉延的條件，使反拉延變形區(qū)從內部工藝補充部分得到補充材料。 工藝孔在拉延前預先沖制，一般和落料工序合并，采取落料沖孔復合模。工藝孔的數量、尺寸大小和位置需要由拉延模試沖確定。工藝切口一般在拉延過程中切出，廢料不分離，和拉延件一起退出模具。工藝切口的最佳沖制時間是在反拉延成型到最深，即將產生破裂的時刻，這樣可以充分利用材料的塑性，使反拉延成型最需要材料補充的時候能夠獲得所需要的材料。工藝切口也要由試沖決定。 2.2.5 增加拉延筋或拉延檻 覆蓋件拉延成型時，在壓料面上設拉延筋或拉延檻，對改變阻力，調整進料速度使之均勻化和防止起皺具有明顯的效果。歸納起來設拉延筋的主要作用有如下幾點： （1）增加局部區(qū)域的進料阻力，使整個拉延件進料速度達到平衡狀態(tài)； （2）加大拉延成型的內應力數值，提高覆蓋件的剛性； （3）加大徑向拉應力，減少切向壓應力；延緩或防止起皺。 拉延筋和拉延檻的設定原則如下： （1）拉延件有圓角和直線部分，在直線部分設拉延筋，使進料速度達到平衡； （2）拉延件有直線部分，在深度淺的直線部分設拉延筋，深度深的直線部分不設拉延筋； （3）淺拉延件，圓角和直線部分均設拉延筋，但圓角部分只設一條筋，直線部分設1～3條筋。當有多條拉延筋時，注意使外圈拉延筋“松”些，內圈拉延筋“緊些”，改變拉延筋高度可達到此目的； （4）拉延件輪廓呈凸凹曲線形狀，在凸曲線部分設較寬拉延筋，凹曲線部分不設拉延筋； （5）拉延筋或拉延檻盡量靠近凹模圓角，可增加材料利用率和減少模具外廓尺寸，但要考慮不要影響修邊模的強度。 經驗表明，某些拉延件，不用拉延筋也能成型，但形狀不夠穩(wěn)定，剛性較差。拉延筋是否設置，設置位置、數量和形狀等是拉延成型中的重要問題，它往往成為拉延成敗的關鍵。圓形嵌入筋、半圓形嵌入筋、方形嵌入筋三種拉延筋中，半圓形嵌入筋加工和調整較方便，國內較多采用。本覆蓋件選取半圓形嵌入筋。通過Dynaform進行對覆蓋件的設置。 2.2.6加工方案的確定 圖2.3 車頂蓋 車頂蓋大體上呈對稱結構，形狀較簡單。根椐制件結構特點，因為被加工工件形狀完整，面積較大，故采用一模一件的生產方案。 (a)主視圖 (b)左視圖 (C)府視圖 (d)軸測圖 圖2.4 一模一件工藝補充設計 3對汽車覆蓋件的拉延工藝的有限元分析 3.1 DYNAFORM軟件的三大組成部分 3.1.1 DYNAFORM前處理 DYNAFORM具有功能豐富的前處理功能。首先，它具有強大的圖形文件導入功能，能夠方便而無數據丟失地讀入IGES格式文件以及UG，PRO/E，CATIA等主流CAD軟件的圖形文件，同時用戶也可以在DYNAFORM中很方便地創(chuàng)建點，線，面等幾何模型。做到從導入幾何模型開始到計算結果的獲得，無須用戶再借助其他工具就可以方便地完成。其次，DYNAFORM具有強大的網格自動剖分功能。它不但可以得到高精度的工具網格，也可以產生出用戶所需的四邊形網格和三角形網格。用戶只需要輸入簡單的控制參數就可以快速地獲得復雜幾何曲面網格，并且得到的網格質量非常高，使用戶無須花費更多的時間對網格進行再修復，節(jié)省了大量的時間。再次，DYNAFORM中的最具需要導入產品曲面，DFE模塊可以完成網格剖分，網格邊界自動光順，對稱的定義，法蘭的展開，沖壓方向的調整，內部孔洞的自動補充，各種復雜壓料面的產生，壓料面的裁剪，各種工藝補充面的設計，拉延筋的設計和網格劃分，載荷曲線的定義，模具的定位等一系列功能。方便用戶在得到分析結果后對產品零件進行反復修改的操作過程。最后，DYNAFORM中的BSE模塊，可以幫用戶快速地設計出坯料的形狀，并且根據用戶的要求提供各種實際應用中常用到的排樣結果報告，做到充分利用材料，提高材料的利用率，節(jié)約成本。 3.1.2 DYNAFORM求解器 DYNAFORM的求解器采用了業(yè)界非常著名的非線性動力顯示有限元分析軟LS-DYNA。LS-DYNA是采用顯隱結合的算法進行板料成形模擬的最具有代表性的軟件。它采用動力顯示求解器模擬沖壓成形過程，計算效率高，穩(wěn)定性強。同時LS-DYNA近幾年來加強了隱式算法的開發(fā)，并且實現了顯，隱式無縫集成的功能，在完成沖壓分析后，自動切換到隱式求解器進行回彈分析。在回彈分析過程中，可以采用大的時間步長，提高回彈的計算效率。LS-DYNA包括豐富的材料模型和單元模型，用戶可以根據實際沖壓的材料選擇合適的材料模型和單元類型。此外，LS-DYNA的接觸分析功能強大，現在具有40多種接觸類型可以求解下列接觸：變形體對剛體的接觸，變形體對變形體的接觸，變形體對剛體的接觸，剛體對剛體的接觸，板殼結構的單面接觸，與剛性墻接觸、變形體對剛體的接觸、剛體對剛體的接觸、板殼結構的單面接觸等。因此，借助LS-DYNA強大的求解能力，顯式加載隱式卸載等。LS-DYNA是目前業(yè)界公認的板料成形模擬結果準確性最好的軟件之一。 3.1.3 DYNAFORM的后處理 ETA-POST是ETA公司開發(fā)的一款專門爭對DYNAFORM的后處理軟件。它可以方便用戶直觀地得到求解結果。用戶可以用云圖顯示板料變形后的應力、應變信息，材料的厚度分布信息等。用戶可以通過定義任意截面，得到截面上的各種結果信息。在ETA-POST中新增加的GRAP模塊，使用戶可以利用曲線圖表功能顯示拉深過程中各種參數隨時間變化的曲線，如界面力的變化、拉延筋阻力的的變化、拉深力曲線等。 3.2 DYNAFORM軟件在板料成形過程中的分析流程 在應用DYNAFORM軟件分析板料成形過程時主要包括三個基本部分，即建立計算模型、求解和分析計算結果，其流程如圖3.1所示。 具體應用步驟表述如下： （1）直接在DYNAFORM的前處理器中建立模型或在CAD軟件（如UG、CATIA、PRO/E等）中根據擬定或初定的成形方案，建立板料、對應的凸模和凹模的型面模型以及壓邊圈等模具零件的面模型，然后存為IGES、STL或DXF等文件格式，將上述模型數據導入DYNAFORM系統(tǒng)。 （2）利用DYNAFORM軟件提供的網格劃分工具對板料、凸模、凹模、壓邊圈進行網格劃分，檢查并修正網格缺陷（包括單元法矢量、網格邊界、負角、重疊結點和單元等）。 （3）定義板料、凸模、凹模和壓邊圈的屬性，以及相應的工藝參數（包括接觸類型、摩擦系數、運動速度和壓邊力曲線等）。 （4）調整板料、凸模、凹模和壓邊圈之間的相互位置，觀察凸模和凹模之間的相對運動，以確保模具動作的正確性。 （5）設置好分析計算參數，然后啟動LS-DYNA求解。 （6）將求解結果讀入DYNAFORM后處理器中，以云圖、等值線和動畫等形式顯視數值模擬結果。 （7）分析模擬結果，通過反映的變化規(guī)律找到問題的所在。重新定義工具的形狀、運動曲線，以及進一步設置毛坯尺寸，變化壓邊力的大小，調整工具移動速度和位移等，重新運算直至得到滿意的結果。 圖3.1 板料成形過程分析的流程 3.3采用仿真技術的優(yōu)點 用仿真技術來解決成型缺陷的問題, 就是一個重復修改模具或工藝方案, 再進行計算機仿真。這個過程實際上對應于傳統(tǒng)方法上的修模和試模的過程。但在計算機實現修模和試模有許多獨特的優(yōu)點, 主要包括如下幾個方面: (1)節(jié)省時間，一旦給定零件的仿真模型建好, 修改起來就較方便, 只要計算機功能足夠強, 計算起來也可以很快。而實際的修模與試模需要的時間較長。更重要的是, 一旦修過度就需要補模甚至使模具報廢, 這就更增加了時間。另外, 仿真還可在無人干涉情況下自動進行, 這就可以充分利用晚上或節(jié)假日的時間。 (2)節(jié)省費用 用計算機仿真技術可減少實際的修模次數,從而減少模具設計和制造費用。減少模具報廢率也是節(jié)省費用的一個方面。 (3)提高模具品質和使用壽命，通過對沖壓過程進行仿真和優(yōu)化設計, 使模具具備最合理的結構和受力狀態(tài), 從而提高工件的精度和模具的使用壽命。 (4)提高工件的品質和使用性能，通過計算機仿真, 不僅可較好地保證工件的形狀和尺寸精度, 還可有效地控制成型中材料的塑性變形程度, 從而控制材料的塑性硬化程度, 改善工件在使用中的力學性能。 (5)減少廢品率，計算機仿真技術用來優(yōu)化工藝方案和模具設計后就可減少生產中的廢品率, 從而提高生產效益。 (6)減少原材料，浪費用計算機仿真技術進行毛坯尺寸的準確計算, 可減少不必要的原材料浪費, 從而降低生產成本。 3.4模具設計的有限元分析與仿真 3.4.1參數初步確定 通過對模具結構初步設計，模具類型選用單動拉深模，拉深力為1000kN，壓邊力為450kN。選擇材料厚度為0.8mm的37#高強度板，由于37#材料考慮了材料的各向異性，在回彈過程中一般不會出現收斂的問題，導入US標準的材料類型為37#型號為DP600、厚度為0.8mm的板料。 3.4.2模型的建立 (1) 根據對實際汽車頂蓋的尺寸估計，用Pro/E軟件進行三維建模（圖3.2）。在這里，為了方便觀察，把零件進行渲染。 圖3.2 零件渲染 (2)把數據格式為IGES的車頂蓋導入到Dynaform中，得到如圖3.3所示的曲面模型。 圖3.3 曲面模型 3.4.3對零件進行網格劃分 1、網格劃分要點 DYNAFORM軟件的汽車覆蓋件模面設計在實現過程中很多步驟必須基于有限元網格，因此有限元網格的自動生成是整個汽車覆蓋件模面設計的基礎，生成有限元網格質量的好壞對模面設計和后續(xù)有限元分析的結果都有重要影響。劃分有限元網格要求考慮的問題較多，需要的工作量較大，所以劃分網格時應考慮的一些基本原則有： （1）網格數量 網格數量的多少將影響計算結果的精度和計算規(guī)模的大小。一般來講，網格數量增加，計算精度會有所提高，但同時計算規(guī)模也會增加，所以在確定網格數量時應權衡兩個因素綜合考慮。 （2）網格疏密 網格疏密是指在結構不同部位采用大小不同的網格，這是為了適應計算數據的分布特點。在計算數據變化梯度較大的部位（如應力集中處），為了較好地反映數據變化規(guī)律，需要采用比較密集的網格。而在計算數據變化梯度較小的部位，為減小模型規(guī)模，則應劃分相對稀疏的網格。這樣，整個結構便表現出疏密不同的網格劃分形式。 （3）單元階次 許多單元都具有線性、二次和三次等形式，其中二次和三次形式的單元稱為高階單元。選用高階單元可提高計算精度，因為高階單元的曲線或曲面邊界能夠更好地逼近結構的曲線和曲面邊界，且高次插值函數可更高精度地逼近復雜場函數，所以當結構形狀不規(guī)則、應力分布或變形很復雜時可以選用高階單元。但高階單元的節(jié)點數較多，在網格數量相同的情況下由高階單元組成的模型規(guī)模要大得多，因此在使用時應權衡考慮計算精度和時間。 （4）網格質量 網格質量是指網格幾何形狀的合理性。質量好壞將影響計算精度。質量太差的網格甚至會中止計算。直觀上看，網格各邊或各個內角相差不大、網格面不過分扭曲、邊節(jié)點位于邊界等份點附近的網格質量較好。網格質量可用細長比、錐度比、內角、翹曲量、拉伸值、邊節(jié)點位置偏差等指標度量。 （5）網格分界面和分界點 結構中的一些特殊界面和特殊點應分為網格邊界或節(jié)點以便定義材料特性、物理特性、載荷和位移約束條件。即應使網格形式滿足邊界條件特點，而不應讓邊界條件來適應網格。常見的特殊界面和特殊點有材料分界面、幾何尺寸突變面、分布載荷分界線(點)、集中載荷作用點和位移約束作用點等。 經過以上步驟完成對凹模的有限元建模，在此基礎上，通過單元復制等手段完成對模具其它部分的有限元建模。同樣，對壓料面和凸模的有限元模型也要經過所有的檢查，以保證其質量。通過對導入的凹模前處理，以及模型、單元檢驗，最終得到如圖3.4所示的DYNAFORM分析軟件中對汽車頂蓋進行網格劃分的結果。 圖3.4 網格劃分 3.4.4 沖壓方向的調整 沖壓方向是拉延工序設計中應首先確定的參數。它不但決定能否拉延出合格的覆蓋件,而且影響到工藝補充部分的多少,以及拉延后各個工序(如整形、修邊、翻邊等)的設計方案。調整沖壓方向時,要考慮零件便于成形及放置。利用Dynaform中DEF模塊,以Preparation命令中的Tipping進行沖壓方向調整。采用自動調整(Auto-Tipping)及手動調整(Manual Tipping)功能聯(lián)合調整,結合Tip Check中的Undercut功能，以保證無死區(qū)及盡可能減小拉延深度為原則確定沖壓方向。最終調整沖壓方向如圖3.5所示： 圖3.5 調整沖壓方向 3.4.5創(chuàng)建壓料面和工藝補充部分 1、創(chuàng)建壓料面（Create Binder） 為了便于拉伸成形，壓料面的形狀不能有異常的凸起或凹坑，要求平滑、光順，盡量簡單化;合理地選擇壓料面與拉伸方向的相對位置;保證壓料面各部分進料阻力均勻可靠。所以說，設計壓料面的關鍵技術是保證拉伸深度基本均勻，將變形方式由拉仲為上的深拉伸變?yōu)槊浶螢橹鞯臏\拉伸。這樣可以減少工藝余料，提高材料的利用率。另外還會減輕模具的粘著情況，提高產品的質量。選擇模具型面設計模塊（DFE）的Binder命令，設定壓料面類型為平壓料面（Flat Binder)，繼而確定壓料面尺寸，創(chuàng)建壓料面。 （a）主視圖 （b）自由角度 圖3.6 創(chuàng)建壓料面 2、通過計算機對截面線的設置 截面線是用來控制工藝補充面的縱向形狀，最終生成的工藝補充面必須和截面線完全吻合。如圖3.7所示，截面線由 3 段組成： 圖3.7 截面線的組成 過渡段： 與零件相連，是圓弧或直線段，包含翻邊展開部分； 模板段： 根據零件特征及成形條件要求不同可以歸納出常用的幾種典型形狀，或者完全自定義，模板段構成拉延側壁； 末尾段： 與壓邊圈（或壓料面）相連，是圓弧。 由于工藝補充面的二維截面特征線形式比較固定，可以根據修邊位置及修邊方式的不同，DYNAFORM分析軟件將工藝補充面常用的截面形式分為幾個經典類型，做成截面線類型庫。設計者從庫中選擇線型，通過 2D 與 3D 窗口交互生成截面線并且可根據實際情況在一定范圍內修改相關的特征參數。如圖3.8所示，其為汽車車頂蓋補充面的二維截面特征線設置。 圖3.8 設計庫中的線型 連接線是一條經過截面線各段的端點并連接所有截面線的 NURBS 曲線，它和零件邊界一起構成了工藝補充面的輪廓線。第一條連接線最為重要，因為它緊挨著零件的邊界。必須滿足如下條件： （1）沿沖壓方向投影時，第一條連接線必須是零件投影的凸包 （2）不能和零件邊界相交 因此，生成第一條連接線僅用截面線第一段的終點作為插值點是不夠的，需要對插值點加密。本文是利用DYNAFORM分析軟件進行自動加密。生成工藝補充面如圖3.9所示。 圖3.9 工藝補充效果 3.4.6對壓料面進行裁剪 本步驟主要是通過工藝補充面所產生的外形輪廓線對壓料面進行剪裁以生成最終的壓料面的形狀，如圖3.10所示： （a）DFE Modification編輯模塊 （b）修剪后的結果 圖3.10 修剪壓料面 3.4.7毛坯的確定 在BSE下的Perparation編輯模塊中，點擊BLANK SIZE ESTIMATE，進入毛坯設置界面，在Material Library中選擇DP600高強度板作為毛坯材料，具體設置如3.11所示： 第一步 第二步 第三步 圖3.11 毛坯的設定步驟 隨著汽車工業(yè)對于板材要求的不斷增高，高強度化對于板料沖壓成形技術提出了更高的要求。高強度鋼板具有屈強比低、高的碰撞吸收能和減重效果明顯等優(yōu)點。本論文中的零件采用LS-DYNA 仿真軟件中的37# 參數材料(DP600) ,材料的主要參數如表3.1: DP600參數 數據 楊氏模量Y 210000Mpa 泊松比 0.3 強化系數K 946Mpa 硬化系數n 0.164 厚向異性系數R00 0.8 厚向異性系數R45 0.7 厚向異性系數R90 0.9 鋼板厚度t 0.8mm 表3.1 DP600材料參數表 根據產品的模型和工藝補充面，通過系統(tǒng)計算生成毛坯圖，因為計算出來的毛坯大小是與凹模相當的，所以應該把毛坯適當增大，最終確定的毛坯圖如3.12所示： 圖3.12 最終的毛坯圖 3.4.8 Draw Die模塊參數設置 在Draw Die模塊里進行一些簡單的參數設置，利用計算機的計算能力，就能代替復雜的人工工藝計算，取得設計者想要得計算結果。影響沖壓成形結果的因素很多，包括模具的形狀和結構、拉延筋參數、板坯的大小、厚度及材料流動、壓邊力、摩擦和潤滑等情況。通過對影響成形結果的因素進行合理修改，可以得到更好的仿真效果，減少實際生產中的調模、修模時間。打開Draw Die模塊，并選擇各個部分進行設置，設置相應的參數加載材料，在沒有定義前的線條為紅色，加載后為綠色，各項參數設置好后如圖3.13所示： 圖3.13 Draw Die參數設置界面 3.4.9成形缺陷的分析判斷 沖壓成形中主要缺陷是開裂、起皺、回彈及影響外觀質量的沖擊線、滑移線等, 由于引起成形缺陷的原因不同, 判斷的方法也不相同, 對于不同用途的沖壓件, 其判斷的標準出不同。開裂的分析判斷。開裂可以從兩個方面進行: 一是從實驗或理論計算得到的成形極限曲線( FLC) , 給10%的安全裕度,在成形極限圖( FLD) 中, 超過這個范圍的部位被認為有開裂的可能; 二是變薄率( Thinning) , 有時板材雖然沒有超過成形極限, 但過分的變薄也影響其使用性能, 一定厚度的材料在模擬分析中如果變薄率超過一定范圍也應判定為開裂。起皺的分析判斷。一是產品在分析中出現明顯的皺褶, 仿真過程中如果沖壓行程式離下死點一定距離還有明顯起皺也認為產品最終會起皺; 三是增厚率分析, 增厚率超過一定百分比也認為起皺。變形不足分析判斷。對于某些外覆蓋件, 塑性變形不足將影響產品的剛性和精度, 當板材的主應變小于一定百分比時判為變形不足。沖擊線及滑移線分析判斷。板料與模具的初始接觸線在最終成形后是否落在產品區(qū)域內, 判定時在外觀件上尋找圓角半徑小于10mm 的輪廓線, 測量其與凸模或凹模的初始接觸線在后續(xù)成形過程中的滑移量。 在模具設計中得到的車頂蓋沖壓件形狀, 以及表示特征的工藝補充面、壓料面。在定義好模具各部分運動和邊界條件, 然后提交工作到LS- DYNA 進行計算。計算結果可以在DYNAFORM的后處理器中通過各種表達方式來觀察, 如等值線圖、彩色云圖、曲線圖等可以方便地獲知板料成形中各個階段的應力應變、厚度變化、變形位移等。本設計考慮到車頂蓋的變形特點, 選用成形極限圖和厚度變化圖作為評價成形性能好壞的主要指標。 1、成形極限圖（FLD）分析 圖3.14設計不合理圖 FLD圖中顏色變化自上而下的顏色變化為紅、黃、綠、灰、藍、粉紅，其顯示色系的意義如下： (1)紅色區(qū)—— 破裂 (2)黃色區(qū)—— 有破裂危險趨勢的區(qū)域 (3)橙色區(qū)——劇烈變薄區(qū) (4)綠色區(qū)——正常變形過程．屬安全變形 (5)灰色區(qū)——變形不太充分區(qū)，屬安全變形 (6)藍色區(qū)——起皺趨勢區(qū) (7)粉紅色區(qū)—— 起皺區(qū) 從上圖中的成型極限圖可以看出，整個毛坯出現了大范圍的拉裂，此方案不可行，問題主要在于壓邊圈的壓邊力過大，在拉延過程中材料的流動變形嚴重受阻，導致拉裂的發(fā)生，故要對壓邊圈的壓邊力進行調整，以降低壓邊力，從而減少拉裂的可能性。 圖3.15 設計合理產品圖 通過多次減少壓邊力，最終得到了比較合理的成型極限圖，從上圖分析可知，整個制件沒有出現明顯拉裂和有破裂危險的區(qū)域，制件的外邊區(qū)域出現了比較大的起皺區(qū)和起皺趨勢區(qū)，但這些不合格的區(qū)域都不在最終產品的內部，通過修邊工序后對產品沒有影響，所以上圖的方案合理。 2、厚度變化圖 圖3.16 厚度分布圖 根據右邊的顏色條，可以知道板料不同區(qū)域的厚度情況，例如在1區(qū)顏色為藍色為厚度最大區(qū)域，最大厚度為0.838425mm，比0.8mm的板料厚度增加了0.038425mm,增厚了4.803%，增厚率在10%之內屬于合理范圍。2區(qū)為紅色為最少厚度區(qū)域，最少厚度為0.711136mm,比原厚度0.8mm變薄了0.088864mm，變薄率為11.108%,減薄率不超過30%可以接受。通過分析可知，增厚率與減薄率都符合要求。 3、應力變化圖 圖3.17 應力圖 如圖3.17所示，車頂蓋四個圓角位置應力相對較集中，出現了局