t汽車后底板的沖壓模具設(shè)計(jì)分析,汽車,底板,沖壓,模具設(shè)計(jì),分析 本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）附件 附件C：譯文 指導(dǎo)教師評(píng)定成績(jī) (五級(jí)制)： 指導(dǎo)教師簽字： 附件C：譯文 汽車后底板的沖壓模具設(shè)計(jì)分析 Fuh－kuo Chen，Jia－Hong Liu 臺(tái)灣國(guó)立大學(xué)機(jī)械工程系，臺(tái)北，臺(tái)灣 1994年10月10日接收 摘要 本文研究了客車后底板的沖壓制造過(guò)程。使用圓柵格分析和3-D有限元方法，對(duì)產(chǎn)生拉深開裂缺陷的最初的沖模設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。開裂缺陷是由于壓邊圈下大范圍的金屬限制了向杯狀區(qū)域的流動(dòng)。優(yōu)化的沖模設(shè)計(jì)，包括一個(gè)分離的沖模面和一個(gè)楔形機(jī)構(gòu)組成的凹模結(jié)構(gòu)，目的是在不添加工序的情況下，向杯狀區(qū)域提供額外金屬、消除開裂缺陷。這種優(yōu)化的沖模設(shè)計(jì)在第一次和第二次拉深的圓柵格分析結(jié)果中得到驗(yàn)證，獲得了合格的拉深面板。 關(guān)鍵字：沖壓模具；后底板；開裂；圓柵格分析 1.緒論 一般沖壓過(guò)程中的主要缺陷是開裂，在最近的十年中，很多研究都使用了成型極限分析和有限元分析方法來(lái)研究開裂問(wèn)題的起因和解決辦法。自Keeler和Backofen在1963年第一次引入成型極限圖（FLDS），在沖壓車間里它們就已經(jīng)被廣泛的使用在金屬的結(jié)構(gòu)分析中。即使這個(gè)成型過(guò)程極快，F(xiàn)LDS也可以顯示出應(yīng)力并提供一個(gè)有用的工具去測(cè)定，同時(shí)有限元方法能夠精確的計(jì)算沖壓部分的分布應(yīng)力，并且預(yù)知是否可能產(chǎn)生開裂缺陷。 一般來(lái)說(shuō)，解決開裂問(wèn)題的辦法是在主要的拉深過(guò)程開始前，向危險(xiǎn)地帶提供更多的金屬，這樣可以通過(guò)減少壓邊圈的壓力或是改善潤(rùn)滑條件而達(dá)到，但是為了輸送更多的金屬到危險(xiǎn)區(qū)域，最好最直接的方法是增加一個(gè)額外的工序，然而，這個(gè)額外的工序會(huì)多增加一套模具和額外的勞力從而增加生產(chǎn)成本。 在目前的研究中，優(yōu)化的模具設(shè)計(jì)，包括一個(gè)分離的沖模面和一個(gè)楔形機(jī)構(gòu)組成的凹模結(jié)構(gòu)，目的是為了消除發(fā)生在客車面板沖壓過(guò)程中的開裂缺陷。這種特殊的模具面和楔形結(jié)構(gòu)能為發(fā)生開裂缺陷的危險(xiǎn)區(qū)域提供額外的金屬，而不增加額外的工序。圓柵格分析和3-D有限元仿真能夠完成開裂缺陷分析的任務(wù)。 2.問(wèn)題描述 客車后面板的設(shè)計(jì)通常是由兩塊沖壓板焊合在一起，如圖1所示。之所以選擇兩塊板設(shè)計(jì)是由于開裂往往是發(fā)生在拉深成杯狀的壁上，使得沖壓一塊后底板很困難，如圖2所示。開裂的發(fā)生是由于在杯壁和壓邊圈之間有一段距離，如圖3中A-B處，這限制了壓邊圈下的金屬流入杯狀區(qū)域，同時(shí)兩塊板的距離很短，有足夠的金屬能夠輕易地流入杯中從而阻止杯緣的開裂，由于成本的考慮，一塊后底板容易得到，因此開裂問(wèn)題必須被攻克。 為了在沖壓車間生產(chǎn)出一塊后底板，最初的程序包括四步：拉深，再次拉深，清理焊縫，翻邊。第一次拉深操作僅僅能夠產(chǎn)生杯狀外形，如圖3所示。就杯子周圍的肋板來(lái)說(shuō)，這是在第二次拉深操作中形成的。像大多數(shù)沖壓過(guò)程一樣，后底板的主要變形是在第一次拉深操作中完成的 。這種傳統(tǒng)的拉深過(guò)程容許沖床從壓邊圈中拉出更多的金屬到模腔中。為了促進(jìn)金屬的流動(dòng)，未被拉深的焊料貼在壓邊圈的表面。然而，由于拉深很深和以上提及的幾何學(xué)上的難點(diǎn)，在第一次拉深操作后開裂仍在靠近杯壁的底部被發(fā)現(xiàn)，如圖2所示。開裂缺陷的位置表明，在杯壁的一側(cè)和壓邊圈之間有相當(dāng)大的距離，這阻止了金屬向杯狀區(qū)域流動(dòng)。為了減少壓邊圈的應(yīng)力，已經(jīng)做的努力是幫助金屬向杯狀區(qū)域流動(dòng)，但這致使在杯狀區(qū)域底部出現(xiàn)更多起皺，也沒(méi)有消除開裂，而改善薄金屬的質(zhì)量也被證明是徒勞的。改變潤(rùn)滑條件能減弱開裂問(wèn)題，然而這對(duì)大規(guī)模的生產(chǎn)并不節(jié)省成本。同時(shí)大量的潤(rùn)滑油被用在沖壓生產(chǎn)中可能會(huì)污染了車間。因此更有效的方式是解決沖壓形成杯狀之前向杯狀區(qū)提供更多金屬的問(wèn)題。為了達(dá)到這個(gè)目的，改變壓邊圈表面的形狀以便向杯狀區(qū)域提供更多的金屬。然而由于同樣的幾何學(xué)原因，在杯與壓邊圈一側(cè)有相當(dāng)大的距離，優(yōu)化的壓邊圈不容易獲得。最后，為第一次半自動(dòng)拉深設(shè)計(jì)的分模面是通過(guò)特殊楔形機(jī)構(gòu)安裝在凹模里，它能為杯狀區(qū)域提供更多的金屬，并且激發(fā)了沒(méi)有開裂缺陷產(chǎn)品的生產(chǎn)。 3.最初設(shè)計(jì)的分析 開裂問(wèn)題通常與危險(xiǎn)區(qū)域的應(yīng)力分布有關(guān)，在任何橫截面的成形部分中，應(yīng)力分布是由兩方面決定的：一個(gè)是由金屬流入壓邊圈的上方進(jìn)行拉深而造成的，另一個(gè)是由沖床和模具之間接觸所造成的延伸總量決定的。為了在金屬流動(dòng)中考察幾何學(xué)的效果，最初的設(shè)計(jì)是通過(guò)圓柵格分析CGA和有限元方法分析FEM。 3．1圓柵格分析 圓柵格分析已被廣泛用于沖壓車間的測(cè)量應(yīng)力分布當(dāng)中，因此能夠通過(guò)測(cè)繪成型極限圖的有規(guī)則的應(yīng)力來(lái)分析金屬片的可沖壓性。圓柵格比其他類型的柵格例如方形柵格有主要的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈儧](méi)有任何的方向性，這種優(yōu)勢(shì)在于圓變形后會(huì)成為橢圓。這兩個(gè)主要的方向清晰地通過(guò)長(zhǎng)軸與短軸展示出來(lái)。通過(guò)在成型極限圖上測(cè)量長(zhǎng)軸與短軸的長(zhǎng)度得出主張力的大小，就能夠估計(jì)成形部分的區(qū)域。 在目前的研究中，底板的生產(chǎn)利用原來(lái)的模具設(shè)計(jì)，第一次使用圓柵格分析，生產(chǎn)厚0.7mm，DDQ品質(zhì)的鋼，如圖4所示那樣的材料，鋼的供應(yīng)者提供材料相應(yīng)的成型極限圖在圖5中展示?？拷@個(gè)彎曲面的殘余應(yīng)力使這個(gè)區(qū)域有開裂的趨勢(shì)。實(shí)際上成型極限彎曲如圖在5中虛線所示，被移下來(lái)的10%作為設(shè)計(jì)彎曲。在成型極限彎曲之上的區(qū)域被稱作故障區(qū)域，在成型極限彎曲和設(shè)計(jì)彎曲之間的區(qū)域被稱為邊緣區(qū)域，在設(shè)計(jì)彎曲以下的區(qū)域被指定為安全區(qū)域。一般來(lái)說(shuō)，為了沖壓過(guò)程的穩(wěn)定，任何成形部分的應(yīng)力分布應(yīng)該下降到安全區(qū)域。沖壓過(guò)程穩(wěn)定是指對(duì)過(guò)程變化不敏感。沖壓之前模腔的危險(xiǎn)區(qū)域被圓心間相距6mm，直徑5mm的圓所標(biāo)記。為了標(biāo)記模腔危險(xiǎn)區(qū)域的圓，首先要使用一個(gè)特殊的清潔工具清潔，然后，有正確柵格的模板被放置在零件上，使用電解質(zhì)作為指揮者，被模板覆蓋的區(qū)域以柵格模式被標(biāo)記。為了阻止標(biāo)記區(qū)域生銹，用一塊濕清潔布把在標(biāo)記中多余部分的電解質(zhì)和殘留的氧化物擦干凈。標(biāo)記之后，開裂在杯壁靠近杯頂處被發(fā)現(xiàn)，如圖2所示。在裂縫周圍不成形圓的主要和次要的應(yīng)力如圖6所示。在成型極限圖上的測(cè)量和規(guī)劃如圖7所示。從圖中可看出有規(guī)則的張力緊挨著成型極限曲線，因?yàn)橹饕痛我膽?yīng)力是正應(yīng)力，衰退是由延伸而造成的，所以應(yīng)力非常接近水平應(yīng)力方式，即接近次要應(yīng)力為零的軸。 圓柵格分析的結(jié)果表明，原來(lái)的設(shè)計(jì)是非常不穩(wěn)定的。FLD也表明主要拉力太大，這是和目前作者的意見，即認(rèn)為杯與壓邊圈之間的距離限制了金屬向杯狀區(qū)域流動(dòng)這一結(jié)論是一致的，結(jié)果產(chǎn)生了大的拉力。在前一部分討論中最有效的減小主要拉力的方法是向杯狀區(qū)域提供更多的金屬。 3.2有限元分析 為了幫助進(jìn)一步了解沖壓過(guò)程中毛坯的變形，3-D有限元分析完成最初設(shè)計(jì)的第一次拉深操作的任務(wù)。明確了有限元是能夠把任何3-D模具形狀的PAM-STAMP譯成密碼。從3-D模具幾何學(xué)起，只有沖床、模腔、壓邊圈未被簡(jiǎn)化，有限元程序能更準(zhǔn)確模仿真實(shí)生產(chǎn)過(guò)程。 為了描述模具成分的幾何學(xué)，一個(gè)商業(yè)的CAD軟件被用來(lái)構(gòu)造這些成分的表面模型。網(wǎng)孔系統(tǒng)要求把PAM-STAMP作為幾何學(xué)模具的輸入數(shù)據(jù)，通過(guò)商業(yè)的CAD系統(tǒng)產(chǎn)生，如圖8所示。在早些時(shí)期，簡(jiǎn)單的3-D模型產(chǎn)生網(wǎng)孔系統(tǒng)是非常困難的，例如沖壓模。然而CAD系統(tǒng)被越來(lái)越多地用在模具和模具工業(yè)中。上述為模具幾何學(xué)產(chǎn)生網(wǎng)孔系統(tǒng)的程序變得容易起來(lái)。自PAM-STAMP代碼把模具成分當(dāng)作其堅(jiān)硬外殼以來(lái)，網(wǎng)孔系統(tǒng)僅僅被用來(lái)描述這些成分的幾何學(xué)，而不是對(duì)應(yīng)力進(jìn)行分析。在目前的調(diào)查中，3節(jié)點(diǎn)三角形和四節(jié)點(diǎn)矩形的原理被用來(lái)建造網(wǎng)孔系統(tǒng)，毛坯的網(wǎng)孔系統(tǒng)如圖8所示。從圖中可以看出網(wǎng)孔密度在杯狀區(qū)域比在其它地方高得多，因?yàn)楸瓲顓^(qū)域是開裂發(fā)生的位置。許多在分析時(shí)使用的原理被總結(jié)如下：模具：9910，沖床：5499，壓邊圈：4411，薄片：4891，總計(jì)24711。 有限元的物質(zhì)條件同前一部分一樣，其他的操作條件是：壓邊圈的張力57KPa，沖床速度10m/s，沖擊行程895mm，摩擦力系數(shù)0.12，在一臺(tái)SGI工作站上展示仿真結(jié)果，一臺(tái)HP735工作站單獨(dú)工作CPU需花費(fèi)的時(shí)間是11100秒。 4.改進(jìn)的模具設(shè)計(jì) 開裂缺陷導(dǎo)致杯狀周圍的金屬缺少，為了讓更多的金屬流向杯狀，要改變杯狀一側(cè)的壓邊圈，如圖12所示。模具和壓邊圈的幾何學(xué)仍與原來(lái)設(shè)計(jì)的一樣，因此未被在圖12中展示。為了使這種修改有效，3-D有限元仿真完成代替重修模具的任務(wù)。除了沖床和壓邊圈的幾何學(xué)被改變以外，仿真條件與原來(lái)的設(shè)計(jì)是一樣的，如圖12所示。 整塊板從有限元仿真為修改模具設(shè)計(jì)而得到主要和次要的應(yīng)力分布，如圖13所示。從圖中看出，由于大量的金屬?gòu)牟皇芟拗频膮^(qū)域流向杯狀，應(yīng)力分布往下移了一點(diǎn)，但仍在邊緣處。圖14展示了畸形的形狀，觀察到在不受限制的區(qū)域內(nèi)有嚴(yán)重的起皺。雖然在改進(jìn)的設(shè)計(jì)中開裂問(wèn)題可能避免，但嚴(yán)重的起皺是不能接受的。因此，通過(guò)3－D有限元分析改進(jìn)技術(shù)并不可行。 5.優(yōu)化的模具設(shè)計(jì) 正如前面部分所述，在生產(chǎn)面板中消除開裂缺陷的最有效的方法是為杯狀區(qū)域提供更多的金屬，為了達(dá)到這個(gè)目的已經(jīng)作出了多次嘗試，下面描述的模具設(shè)計(jì)已經(jīng)被證明是可行和有效的。 在沖壓車間，后底板通過(guò)兩根氮柱為壓邊圈的單一沖壓動(dòng)作提供力量，為了在不增加額外工序的情況下向杯狀區(qū)域提供更多的金屬，凹模的形狀被分為兩部分，如圖15所示。模具形狀的中間部分被楔形機(jī)構(gòu)推動(dòng)，并能夠與固定的凹模進(jìn)行相對(duì)的上下運(yùn)動(dòng)。為了消除開裂缺陷設(shè)計(jì)改進(jìn)的模具形狀，活動(dòng)部分的位置選擇在杯狀區(qū)域。當(dāng)壓邊圈關(guān)閉時(shí)，活動(dòng)部分通過(guò)楔形機(jī)構(gòu)向上驅(qū)動(dòng)，把毛坯提高到一個(gè)特殊的高度。當(dāng)它在模具關(guān)閉過(guò)程期間與頂模接觸時(shí)，倘若與原來(lái)的設(shè)計(jì)相比杯狀區(qū)域有更多的金屬，活動(dòng)部分就被迫向下移動(dòng)。在模具關(guān)閉時(shí)，活動(dòng)部分重新回到它的位置，加工成型完好部分。 6、結(jié)論 為了使優(yōu)化的模具設(shè)計(jì)有效，在上述相應(yīng)計(jì)算基礎(chǔ)上改進(jìn)凹模結(jié)構(gòu)。結(jié)果，在試驗(yàn)期間使用改進(jìn)的模具獲得了優(yōu)質(zhì)量的后底板。為了評(píng)估質(zhì)量，圓柵格分析被又一次應(yīng)用到成形過(guò)程中，與原來(lái)設(shè)計(jì)一樣，圓被標(biāo)記在同樣的區(qū)域，開裂經(jīng)常發(fā)生的杯壁周圍，主要和次要應(yīng)力被標(biāo)注在成型極限圖中，如圖16所示。從圖中可看出，所有的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力在安全區(qū)域，其顯示出用改進(jìn)模具進(jìn)行第一次拉深操作是非常穩(wěn)定的，它對(duì)于處理變化并不敏感。 為了使它更完整，圓柵格分析也同樣完成第二次拉深操作的任務(wù)。除了在面板內(nèi)形成肋骨之外，如圖1所示，第二次拉深操作還在杯頂加大圓角半徑。因此，第二次拉深將有點(diǎn)拉長(zhǎng)杯狀區(qū)域。在第一次拉深和第二次拉深中，測(cè)量杯狀區(qū)域主要和次要應(yīng)力在圖17中展示。在圖17中很清楚的表明第二次拉深時(shí)拉力要大，盡管幾個(gè)應(yīng)力是在邊緣區(qū)域，但大部分應(yīng)力仍在安全區(qū)域。因落入邊緣區(qū)域的點(diǎn)數(shù)少并且它們的應(yīng)力仍然接近設(shè)計(jì)彎曲，第二次拉深操作仍被認(rèn)為是穩(wěn)定的，至于第三次和以后的操作，只不過(guò)是修整和簡(jiǎn)單翻邊操作。因此，這兩項(xiàng)操作不能夠引起進(jìn)一步的變形，也不需要分析。 譯文原文出處：Journal of Materials Processing Technology 55 (1995) 408-416 C8