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XX大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)翻譯 院（系）名稱 工學(xué)院機(jī)械系 專業(yè)名稱 材料成型及控制工程 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 20xx年 03 月 10 日 沖壓模具設(shè)計(jì)中檔壁起皺分析 摘要：目前，正在研究發(fā)生在沖壓圓錐方杯和階梯式矩形杯的起皺。發(fā)現(xiàn)這兩種起皺類型有一個(gè)共同特點(diǎn)―皺紋發(fā)生在相對(duì)沒(méi)有支撐的檔壁上。在沖壓錐形方盒的過(guò)程中，效果工藝參數(shù)，如模具的間隙和壓邊力，在研究起皺過(guò)程中??利用有限元模擬的方法。仿真結(jié)果表明，越是較大的模具間隙，起皺越是嚴(yán)重，并且增加壓邊力不能抑制起皺。在分析起皺發(fā)生在沖壓的階梯長(zhǎng)方形杯的過(guò)程中，借助對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)類似的幾何類型的調(diào)查。檔壁上發(fā)現(xiàn)的皺紋是由于金屬板材之間的沖頭和臺(tái)階邊的不平衡伸展造成的。為了達(dá)到消除皺紋的目的，最佳的模具設(shè)計(jì)中確定使用有限元分析。仿真結(jié)果和那些觀察到的無(wú)皺的部分生產(chǎn)驗(yàn)證了有限元分析的精度，并演示了使用有限元分析在沖壓模具設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)。 關(guān)鍵詞：檔壁起皺，沖壓模具，階梯式矩形杯，圓錐方杯 1簡(jiǎn)介 起皺是金屬板材成型工藝中的主要缺陷之一。兼具功能性和視覺(jué)的原因，皺紋在成品中是不允許存在的。通常在金屬板材成形工藝中有三種類型的皺紋：法蘭起皺，墻面起皺，彈性屈曲變形的區(qū)域(由于殘留彈性壓應(yīng)力造成的)。在對(duì)復(fù)雜形狀的板材沖壓成形工藝中，檔壁起皺意味著皺紋的發(fā)生在模具型腔。由于在壁上的金屬板部分相對(duì)沒(méi)有工具的支撐，因此消除壁上的皺紋比抑制法蘭皺紋更加困難。眾所周知，額外的拉伸不受支撐的壁體面的材料，可以防止起皺，并且可以在實(shí)踐中通過(guò)增加壓邊力來(lái)實(shí)現(xiàn)；但過(guò)度的拉伸應(yīng)力的應(yīng)用可能會(huì)撕裂壁體材料從而導(dǎo)致失敗。因此，壓邊力必須保持在一個(gè)狹窄的范圍之內(nèi)，總的來(lái)說(shuō)，一方面要抑制皺紋，另一方面要防止產(chǎn)生裂紋。這種壓邊力的窄幅難以確定。對(duì)于形狀復(fù)雜且發(fā)生在中央的皺紋面積的沖壓件，一個(gè)可行的壓邊力范圍，甚至不存在。 為了研究皺紋的形成機(jī)制，Yoshida等[1]開(kāi)發(fā)了一個(gè)在薄非均勻拉伸板沿其其中一條對(duì)角線的測(cè)試。他們還提出了一個(gè)近似的理論模型來(lái)說(shuō)明起皺的發(fā)病是由于彈性屈曲產(chǎn)生在非均勻壓縮側(cè)向應(yīng)力應(yīng)力場(chǎng)。 Yu等[2,3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析研究起皺問(wèn)題。起皺可能發(fā)生是根據(jù)他們的理論分析中有兩個(gè)環(huán)形波，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示4至6個(gè)皺紋。 narayanasamy和Sowerby ，通過(guò)一個(gè)圓錐形的模具，使用平底和半球形沖頭檢查起皺。他們還試圖排列似乎抑制起皺的屬性。 這些努力都集中在與起皺問(wèn)題相關(guān)的簡(jiǎn)單形狀的成型操作中，如一個(gè)圓形的杯子。在20世紀(jì)90年代初，三維動(dòng)態(tài)/顯式有限元法在單金屬成形工藝中的成功應(yīng)用，使得分析起皺問(wèn)題涉及形狀復(fù)雜沖壓件成為可能。在目前的研究中，在沖壓圓錐方杯和階梯式矩形杯的工藝中采用三維有限元法分析金屬流動(dòng)工藝參數(shù)引起皺紋的影響問(wèn)題。 圖1（a）在圓錐方杯和（b）階梯式矩形杯 圖2 有限元網(wǎng)格 一個(gè)方錐形杯，如圖所示：1（a）中，有一個(gè)傾斜借鑒杯的每一側(cè)的墻上，與現(xiàn)有一個(gè)圓錐形杯子類似。在沖壓過(guò)程中，板材在壁面上是相對(duì)沒(méi)有支持的，因此容易起皺。在本研究中，對(duì)各種引起起皺的工藝參數(shù)進(jìn)行了調(diào)查。在階梯的矩形部分的情況下，如圖所示：1（b），另一種類型的起皺觀察。為了估算效益分析，在目前的研究中對(duì)與階梯幾何有關(guān)的實(shí)際生產(chǎn)中的一部分進(jìn)行了調(diào)查。決定用有限元分析法來(lái)分析導(dǎo)致皺紋的影響因素并且提出了優(yōu)化模具設(shè)計(jì)來(lái)消除皺紋。實(shí)際生產(chǎn)部分的意見(jiàn)驗(yàn)證了有限元分析在模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。 2有限元模型 模具的幾何形狀，包括沖壓，模具和壓邊力，設(shè)計(jì)采用CAD軟件Pro /工程師。 3節(jié)點(diǎn)和4節(jié)點(diǎn)殼單元通過(guò)上述工具的生成網(wǎng)格系統(tǒng)使用相同的CAD程序。對(duì)于有限元模擬，本模具被認(rèn)為是剛性的，相應(yīng)的網(wǎng)格僅用于定義刀具幾何并且不適用于應(yīng)力分析。相同的CAD程序，用4 - 節(jié)點(diǎn)殼單元構(gòu)建網(wǎng)格系統(tǒng)板的間隙。圖2顯示了網(wǎng)格系統(tǒng)一套完整的工裝，板材在使 用空白沖壓錐形方盒。由于對(duì)稱條件下，只有四分之一的方杯進(jìn)行了分析。在模擬過(guò)程中，模具下移，以打擊空腔來(lái)完成沖壓。然后，沖頭上升引導(dǎo)金屬進(jìn)入型腔。 圖3 為金屬板材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 為了進(jìn)行精確的有限元分析，實(shí)際板材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系作為輸入數(shù)據(jù)的一部分。在目前的研究中，鈑金拉深質(zhì)量是在模擬中使用。拉伸實(shí)驗(yàn)已進(jìn)行軋制方向沿軋制方向(0°)和(45°)恰逢表面與(90°)軋制方向相切。平均流動(dòng)應(yīng)力，計(jì)算從方程，每個(gè)真實(shí)應(yīng)變的測(cè)量，如圖所示3，用于方錐形杯和階梯式矩形杯沖壓的模擬。所有在本研究中進(jìn)行模擬運(yùn)行SGI的靛藍(lán)2工作站使用的有限元親克的PAMF印花稅。為了完成模擬中所需要輸入的一系列數(shù)據(jù)，打孔速度設(shè)置為10M 每秒并且假設(shè)1庫(kù)侖摩擦力等于0.1 acoefficient。 3圓錐方杯起皺 示意圖說(shuō)明一些有關(guān)尺寸的圓錐方杯如圖1（a），正如圖1（a）所示每平方米沖頭端度（2WP級(jí)），模具型腔開(kāi)口處（2We），壁高度（H）都作為影響起皺的關(guān)鍵尺寸。在目前的研究中，有一半型腔的尺寸之間的差異來(lái)自于模具型腔開(kāi)口處和沖頭之間的模具差異（G）。相對(duì)不受支持的鈑金壁體的起皺與模具的間隙有關(guān)，并且起皺被認(rèn)為是通過(guò)增加壓邊力來(lái)抑制的。模具的差別和壓邊力對(duì)圓錐方杯起皺的影響將在接下來(lái)的章節(jié)中進(jìn)行研究。 3.1模具間隙的影響 為了檢查模具間隙對(duì)起皺的影響，用三種不同的模具沖壓錐形方盒20毫米，30毫米和50毫米的差距進(jìn)行了模擬。在每個(gè)模擬開(kāi)幕，模具型腔固定在200毫米，并且錐形方杯都是100毫米的高度。在所有三個(gè)模擬中使用的都是380毫米×380毫米并且板厚度均為0.7毫米的方型板塊，圖 3為應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線。 仿真結(jié)果表明，起皺發(fā)生在所有三個(gè)方錐形杯，根據(jù)模擬的形狀如圖繪制模具間隙為50毫米的模具杯。如圖 4可見(jiàn)，起皺發(fā)生在不受支持的墻體而且特別明顯的是在相鄰的角落墻壁?？梢?jiàn)，起皺大部分是由于不受支持的壁體在沖壓過(guò)程中產(chǎn)生的，同時(shí)，由于模具的差異導(dǎo)致沖頭的邊長(zhǎng)和模具型腔的差異。由于壓縮的橫向應(yīng)力的存在，導(dǎo)致鈑金伸展之間的圖4。起皺的方錐形杯（七50毫米）。開(kāi)幕式是由于以不同的模具間隙。鈑金伸之間的沖頭和模具型腔的肩膀變得不穩(wěn)定。無(wú)約束的鈑金拉伸似乎是不受支持的壁體起皺的主要原因。為了比較三個(gè)不同的模具差異，兩個(gè)主要比較的結(jié)果是，最小值/最大值，其中最大和最小的主要和次要的主要菌株。Hosford和 Caddell [5]表明，如果絕對(duì)值大于某一臨界值，起皺應(yīng)該發(fā)生，絕對(duì)值越大，起皺可能性越大。 圖4 起皺的方錐形杯（高度=50毫米） 圖5 不同的模具間隙下沿截面M-N值 在相同高度的三個(gè)模擬模具差異中，根據(jù)沿橫截面的M-N值，作為標(biāo)記圖，如圖 4，繪制圖 5。據(jù)悉，從圖 5可知，嚴(yán)重的皺紋都靠近角落并且這三個(gè)差異模具很少皺紋發(fā)生在中間的墻體上。人們還注意到，模具間隙越大，絕對(duì)值越大。因此，增加模具的間隙將增加在圓錐方杯壁體起皺的可能性。 3.2壓邊力的影響 眾所周知，增加的壓邊力有助于消除在沖壓過(guò)程中起皺。為了研究增加壓邊力的有效性，方錐形杯沖壓模具間隙50毫米，如上所述嚴(yán)重起皺，不同的壓邊力數(shù)值模擬。壓邊力從100千牛增加到600千牛，分別產(chǎn)生了一個(gè)壓邊壓力0.33兆帕和1.98兆帕。余下的模擬條件保持在上一節(jié)中指定的相同高度的另外兩個(gè)擁有不同模具間隙的模具中。也使用一個(gè)中間的壓邊力為300千牛來(lái)仿真。 仿真結(jié)果表明，增加壓應(yīng)力并不能幫助消除發(fā)生在墻體上的皺紋。沿橫截面的值M-N，標(biāo)記如圖 4，與另外兩個(gè)壓邊力為100千牛和600千牛的沖壓工藝相比較。仿真結(jié)果表明，沿截面M-N值在這兩種情況下幾乎是相同的。為了檢查在兩個(gè)不同壓邊力皺紋形狀的差異，繪制在不同高度從底部行至M-N線的M-N值，標(biāo)記在圖4和圖6兩種情況下。從圖6可知兩種情況下的橫截面波形是類似的。表明壓邊力在方錐杯得沖壓工藝中不影響起皺的發(fā)生，這是因?yàn)樵诓皇苤С值谋隗w上的皺紋的形成主要是因?yàn)闄M向壓力的存在。壓邊力對(duì)沖頭和模具型腔的肩膀之間的不穩(wěn)定材料沒(méi)有影響。 圖6 不同高度截面線不同的壓邊力(a)100千牛和(b)600千牛 4階梯式矩形杯 在階梯長(zhǎng)方形杯的沖壓加工過(guò)程中，起皺發(fā)生在即使在壁體模具的間隙并不是那么顯著。圖1（b）顯示了一幅沖頭形狀的草圖，沖壓用在壁體C其次階梯矩形杯的D與E。在本研究中，這種類型的幾何研究是實(shí)際生產(chǎn)中的一部分。在生產(chǎn)中使用的是0.7毫米厚的材料，應(yīng)力拉伸試驗(yàn)獲得的應(yīng)變關(guān)系如圖3。 在沖壓車間生產(chǎn)沖壓件的過(guò)程中，包括微調(diào)的拉深。在拉深過(guò)程中，沒(méi)有平面珠在模具表面以促進(jìn)金屬流動(dòng)。然而，由于小沖角半徑和復(fù)雜的幾何形狀，在實(shí)際生產(chǎn)中分裂發(fā)生在頂部邊緣的角和皺紋發(fā)現(xiàn)發(fā)生在壁體，如圖7。從圖可以看出。 皺紋分布在壁體嚴(yán)重的拐角處邊緣，標(biāo)志著A-D和B-E如圖1（b）。金屬被撕裂沿整個(gè)沖頭的頂部邊緣，如圖7，形成分裂。 圖7在生產(chǎn)部分的分割和皺紋 圖8 模擬形狀與生產(chǎn)分割和皺紋的一部分 為了提供一個(gè)進(jìn)一步了解沖壓過(guò)程中的變形，決定采用有限元素分析。首先進(jìn)行原始設(shè)計(jì)，模擬形狀如圖8所示。在網(wǎng)頂邊的一部分明顯被拉長(zhǎng)，皺紋分布?jí)w上，類似在實(shí)際上觀察到的。 小沖半徑，如沿邊緣的半徑A-B和半徑的沖角，標(biāo)記在圖1（b）被認(rèn)為是壁體裂紋的主要。然而，根據(jù)有限元的結(jié)果分析，分裂可避免通過(guò)增加上述半徑。這一概念在實(shí)際生產(chǎn)，通過(guò)生產(chǎn)具有較大的圓角半徑得到驗(yàn)證。 也作了幾次嘗試，以消除皺紋。首先，壓邊力增加至原來(lái)的兩倍，然而，正如在前面所取得的部分成果繪制的方錐形杯，效果上消除起皺的壓邊力并不是那么的重要。也得到相同的結(jié)果通過(guò)增加摩擦或增加間隙的大小。我們的結(jié)論這種起皺不能通過(guò)增加拉伸力來(lái)抑制。 皺紋的形成，是因?yàn)檫^(guò)多的金屬在某些地區(qū)流動(dòng)受到大的壓力，講簡(jiǎn)單的方法，消除皺紋可以通過(guò)添加在皺紋區(qū)域的拉桿，吸收多余的材料。應(yīng)補(bǔ)充的拉桿平行方向的皺紋，使多余的金屬液體有效地被吸收?；谶@個(gè)概念，兩個(gè)拉桿添加到相鄰的墻壁，如圖9所示，吸納過(guò)度的物質(zhì)。仿真結(jié)果表明，步在角落的皺紋都由拉桿吸收的如預(yù)期，但仍然出現(xiàn)一些皺紋在墻體上。這表明需要用更多的拉桿吸收所有多余的材料。然而，從零件設(shè)計(jì)考慮這是不容許的。 圖9 拉桿添加到檔壁 圖10 皺紋形成時(shí)空腔觸及階梯邊緣 利用有限元分析的優(yōu)點(diǎn)在于可以在整個(gè)沖壓過(guò)程中控制沖壓工藝的變形的板材，然而，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中是不可能的。細(xì)看在沖壓過(guò)程中的金屬流動(dòng)揭示了，空腔第一次被卷入由沖壓模具型腔頭部和皺紋都沒(méi)有形成直到空腔觸及臺(tái)階邊的D-E的標(biāo)記圖 1（b）。滿臉皺紋如圖10所示。這為模具設(shè)計(jì)的修改過(guò)程提供了有益的信息。 起皺發(fā)生的原因初步推測(cè)是由于不均勻伸展的金屬板之間的沖圓角半徑A和步驟角落半徑D所造成的，如上圖1（b）。因此，模具的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改的階梯角落，被切斷，如圖11所示，以至于使彈力的有利條件改變，允許臺(tái)階邊緣增加的更加舒展。然而，皺紋仍發(fā)現(xiàn)在壁體的一側(cè)。這一結(jié)果意味著，皺紋的產(chǎn)生是因?yàn)檎麄€(gè)沖頭邊緣與整個(gè)臺(tái)階邊之間的不平衡舒展造成的，并不只是之間的沖角和一步一個(gè)角落。為了驗(yàn)證這一想法，兩個(gè)修改模具設(shè)計(jì)建議：一個(gè)是削減整個(gè)步驟；另一種是添加一個(gè)繪圖操作，繪制所需的形狀，使用兩個(gè)繪圖操作。前一種方法的模擬形狀如圖12。由于較低的一步被切斷，拉絲工藝與矩形杯引伸頗為相似，所示圖12。從圖12可以看出，皺紋被消除。 圖11 切斷的階梯角落 圖12 修改后的模具設(shè)計(jì)的模擬形狀 在這兩個(gè)拉絲工藝操作過(guò)程中，空腔 首先向更深一步的繪制，如圖所示13（a）所示。通常情況下，較低的一步操作是在第二步繪制過(guò)程中，然后得到所需的形狀，如下所示圖13（b）。從圖13（b）可以看出，可以通過(guò)兩步操作繪制過(guò)程制造無(wú)起皺的階梯矩形杯，同時(shí)還應(yīng)該指出，兩個(gè)操作繪圖過(guò)程中，如果一個(gè)相反的順序得到應(yīng)用，即較低的第一步先形成，其次更深一步，更深一步的邊緣繪圖，由圖1（b）A-B所示，很容易撕裂，因?yàn)榻饘俨荒茌p易流過(guò)較低的表面進(jìn)入型腔。 有限元模擬表明， 沖壓所需的階梯式矩形杯使用的模具設(shè)計(jì)勉強(qiáng)達(dá)到一個(gè)單一的繪制操作。然而，制造成本預(yù)計(jì)為高得多是由于額外的模具成本和操作拉絲工藝運(yùn)營(yíng)成本。為了保持較低的制造成本，部分設(shè)計(jì)工程師提出了合適的形狀變化和修改模具設(shè)計(jì)，根據(jù)有限元仿真結(jié)果切斷較低的步驟，如圖所示12。修改后的模具設(shè)計(jì)，實(shí)際沖壓模具生產(chǎn)制造和部分生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)無(wú)皺紋，如圖所示14。部分形狀也同意從有限元模擬取得。 圖13 （a）第一次手術(shù)（b）在第二次手術(shù)的兩個(gè)操作的拉絲工藝 為了進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元模擬結(jié)果，G-H沿厚度分布的模擬與結(jié)果得到圖14，與生產(chǎn)環(huán)節(jié)的測(cè)量相比，比較如圖15。從圖15可以看出，有限元預(yù)測(cè)的厚度分布與在生產(chǎn)中實(shí)際測(cè)量的仿真吻合。該觀點(diǎn)承認(rèn)了有限元分析有效性。 圖14 無(wú)缺陷生產(chǎn)的一部分 圖15 G-H沿厚度分布模擬結(jié)果與實(shí)測(cè) 5總結(jié)和結(jié)束語(yǔ) 在沖壓過(guò)程利用有限元分析發(fā)生的兩種類型的起皺，調(diào)查起皺原因和研究消除這種皺紋的方法。 第一種類型的皺紋出現(xiàn)沖壓錐形方盒的壁體上。起皺的發(fā)生歸因于大型模具的差異，這是區(qū)別主要是在模腔開(kāi)口的邊長(zhǎng)和側(cè)面沖頭的長(zhǎng)度上。大型模具有很大的差距，當(dāng)金屬被卷入不受支持面積板材和不利舒展的沖頭和模具型腔時(shí)，不受支持面積板材板材容易起皺。有限元仿真結(jié)果表明，這種類型的起皺不能通過(guò)增加壓邊力來(lái)抑制起皺。 另一種類型的起皺調(diào)查發(fā)生在實(shí)際有一個(gè)階梯的矩形幾何沖壓件上。發(fā)現(xiàn)起皺發(fā)生在壁體高于上述步驟即使模具差距不是夠的大。根據(jù)有限元分析起皺是由于不平衡的沖頭和舒展之間的加強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。幾個(gè)在模具設(shè)計(jì)的嘗試，以消除皺紋，使用有限元模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)這一步被切斷終于成立了。修改后用于消除皺紋的模具設(shè)計(jì)通過(guò)生產(chǎn)無(wú)缺陷的一部分得到驗(yàn)證。仿真結(jié)果和生產(chǎn)實(shí)踐觀察的吻合充分展示了有限元分析的準(zhǔn)確性。用有限元模擬代替昂貴的方法，證實(shí)了有效元分析的有效性。 參考文獻(xiàn) 1. 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