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本科學生畢業(yè)設計 （論文）附件 附件 C：譯文 件 C：譯文 汽車后底板的沖壓模具設計分析 灣國立大學機械工程系，臺北，臺灣 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程。使用圓柵格分析和 3限元方法，對產生拉深開裂缺陷的最初的沖模設計進行了分析。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。優(yōu)化的沖模設計，包括一個分離的沖模面和一個楔形機構組成的凹模結構，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)化的沖模設計在第一次和第二次 拉深的圓柵格分析結果中得到驗證，獲得了合格的拉深面板。 關鍵字： 沖壓模具；后底板；開裂；圓柵格分析 一般沖壓過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研究開裂問題的起因和解決辦法。自 1963 年第一次引入成型極限圖（ 在沖壓車間里它們就已經被廣泛的使用在金屬的結構分析中。即使這個成型過程極快， 可以顯示出應力并提供一個有用的工具去測定，同時有限元方法能夠精確的計算沖壓部分的分布應力，并且預知是否可能產生 開裂缺陷。 一般來說，解決開裂問題的辦法是在主要的拉深過程開始前，向危險地帶提供更多的金屬，這樣可以通過減少壓邊圈的壓力或是改善潤滑條件而達到，但是為了輸送更多的金屬到危險區(qū)域，最好最直接的方法是增加一個額外的工序，然而，這個額外的工序會多增加一套模具和額外的勞力從而增加生產成本。 在目前的研究中，優(yōu)化的模具設計，包括一個分離的沖模面和一個楔形機構組成的凹模結構，目的是為了消除發(fā)生在客車面板沖壓過程中的開裂缺陷。這種特殊的模具面和楔形結構能為發(fā)生開裂缺陷的危險區(qū)域提供額外的金屬，而不增加指導教師評定成績 (五級制 )： 指導教師 簽字： 本科學生畢業(yè)設計 （論文）附件 附件 C：譯文 外的工序。圓柵格分 析和 3限元仿真能夠完成開裂缺陷分析的任務。 客車后面板的設計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計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 ，這限制了壓邊圈下的金屬流入杯狀區(qū)域，同時兩塊板的距離很短，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，因此開裂問題必須被攻克。 為了在沖壓車間生產出一塊后底板，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生杯狀外形，如圖 3 所示。就杯子周圍的肋板來說，這是在第二次拉深操作中形成的。像大多數沖壓過程一樣，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。為了促進金屬的流動，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上的難點，在第一次拉深操作后開裂仍在靠近杯壁的底部被發(fā)現，如圖 2 所示。開裂缺陷的位置表明，在杯壁的一側和壓邊圈之間有相當大的距離，這阻止了金屬向杯狀區(qū)域流動。為 了減少壓邊圈的應力，已經做的努本科學生畢業(yè)設計 （論文）附件 附件 C：譯文 是幫助金屬向杯狀區(qū)域流動，但這致使在杯狀區(qū)域底部出現更多起皺，也沒有消除開裂，而改善薄金屬的質量也被證明是徒勞的。改變潤滑條件能減弱開裂問題，然而這對大規(guī)模的生產并不節(jié)省成本。同時大量的潤滑油被用在沖壓生產中可能會污染了車間。因此更有效的方式是解決沖壓形成杯狀之前向杯狀區(qū)提供更多金屬的問題。為了達到這個目的，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原因，在杯與壓邊圈一側有相當大的距離，優(yōu)化的壓邊圈不容易獲得。最后，為第一次半自動拉深設計的分模面是 通過特殊楔形機構安裝在凹模里，它能為杯狀區(qū)域提供更多的金屬，并且激發(fā)了沒有開裂缺陷產品的生產。 開裂問題通常與危險區(qū)域的應力分布有關，在任何橫截面的成形部分中，應力分布是由兩方面決定的：一個是由金屬流入壓邊圈的上方進行拉深而造成的，另一個是由沖床和模具之間接觸所造成的延伸總量決定的。為了在金屬流動中考察幾何學的效果，最初的設計是通過圓柵格分析 有限元方法分析 3． 1 圓柵格分析 圓柵格分析已被廣泛用于沖壓車間的測量應力分布當中，因此能夠通過測繪成型極限圖的有規(guī)則的應力來分析 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，因為它們沒有任何的方向性，這種優(yōu)勢在于圓變形后會成為橢圓。這兩個主要的方向清晰地通過長軸與短軸展示出來。通過在成型極限圖上測量長軸與短軸的長度得出主張力的大小，就能夠估計成形部分的區(qū)域。 在目前的研究中，底板的生產利用原來的模具設計，第一次使用圓柵格分析，生產厚 質的鋼，如圖 4 所示那樣的材料，鋼的供應者提供材料相應的成型極限圖在圖 5 中展示。靠近這個彎曲面的殘余應力使這個區(qū)域有開裂的趨勢。實際上成型極限彎曲如圖在 5 中虛線所示， 被移下來的 10%作為設計彎曲。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計彎曲之間的區(qū)域被稱為邊緣區(qū)域，在設計彎曲以下的區(qū)域被指定為安全區(qū)域。一般來說，為了沖壓過程的穩(wěn)定，任何成形部分的應力分布應該下降到安全區(qū)域。沖壓過程穩(wěn)定是指對過程變化不敏感。沖壓之前模腔的危險區(qū)域被圓心間相距 6徑 5圓所標記。為了標記模腔危險區(qū)域的圓，首先要使用一個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，使用電解質作為指揮者，被模板覆蓋的區(qū)域以柵格模式被標記。為了阻止標記區(qū)域生銹， 用一塊濕清潔布把在標記中本科學生畢業(yè)設計 （論文）附件 附件 C：譯文 余部分的電解質和殘留的氧化物 擦干凈。標記之后，開裂在杯壁靠近杯頂處被發(fā)現，如圖 2 所示。在裂縫周圍不成形圓的主要和次要的應力如圖 6 所示。在成型極限圖上的測量和規(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，因為主要和次要的應力是正應力，衰退是由延伸而造成的，所以應力非常接近水平應力方式，即接近次要應力為零的軸。 圓柵格分析的結果表明，原來的設計是非常不穩(wěn)定的。 表明主要拉力太大，這是和目前作者的意見，即認為杯與壓邊圈之間的距離限制了金屬向杯狀區(qū)域流動這一結論是一致 的，結果產生了大的拉力。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。 限元分析 為了幫助進一步了解沖壓過程中毛坯的變形， 3限元分析完成最初設計的第一次拉深操作的任務。明確了有限元是能夠把任何 3具形狀的 3具幾何學起，只有沖床、模腔、壓邊圈未被簡化，有限元程序能更準確模仿真實生產過程。 本科學生畢業(yè)設計 （論文）附件 附件 C：譯文 了描述模具成分的幾何學，一個商業(yè)的 件被用來構造這些成分的表面模型。網孔系統(tǒng)要求把 過商業(yè)的 統(tǒng)產生，如圖 8 所示。在早些時期，簡單的 3型產生網孔系統(tǒng)是非常困難的，例如沖壓模。然而 統(tǒng)被越來越多地用在模具和模具工業(yè)中。上述為模具幾何學產生網孔系統(tǒng)的程序變得容易起來。自 碼把模具成分當作其堅硬外殼以來，網孔系統(tǒng)僅僅被用來描述這些成分的幾何學，而不是對應力進行分析。在目前的調查中， 3 節(jié)點三角形和四節(jié)點矩形的原理被用來建造網孔系統(tǒng)，毛坯的網孔系統(tǒng)如圖 8 所示。從圖中可以看出網孔密度在杯狀區(qū)域比在其它地方高得多，因為杯狀區(qū)域是開裂發(fā)生的位置。許多在分析時使用的原理被 總結如下：模具： 9910，沖床：5499，壓邊圈： 4411，薄片： 4891 ，總計24711。 有限元的物質條件同前一部分一樣，其他的操作條件是：壓邊圈的張力 57床速度 10m/s，沖擊行程895一臺 作站上展示仿真結果，一臺 作站單獨工作 花費的時間是 11100 秒。 本科學生畢業(yè)設計 （論文）附件 附件 C：譯文 開裂缺陷導致杯狀周圍的金屬缺少，為了讓更多的金屬流向杯狀，要改變杯狀一側的壓邊圈，如圖 12 所示。模具和壓邊圈的幾何學仍與原來設計的一樣，因此未被在圖 12 中 展示。為了使這種修改有效， 3限元仿真完成代替重修模具的任務。除了沖床和壓邊圈的幾何學被改變以外，仿真條件與原來的設計是一樣的，如圖 12 所示。 整塊板從有限元仿真為修改模具設計而得到主要和次要的應力分布，如圖 13所示。從圖中看出，由于大量的金屬從不受限制的區(qū)域流向杯狀，應力分布往下移了一點，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)域內有嚴重的起皺。雖然在改進的設計中開裂問題可能避免，但嚴重的起皺是不能接受的。因此，通過 3－ D 有限元分析改進技術并不可行。 本科學生畢業(yè)設計 （論文）附件 附件 C：譯文 正如前 面部分所述，在生產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，為了達到這個目的已經作出了多次嘗試，下面描述的模具設計已經被證明是可行和有效的。 在沖壓車間，后底板通過兩根氮柱為壓邊圈的單一沖壓動作提供力量，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構推動，并能夠與固定的凹模進行相對的上下運動。為了消除開裂缺陷設計改進的模具形狀，活動部分的位置選擇在杯狀區(qū)域。當壓邊圈關閉時，活動部分通過楔形機構向上驅動， 把毛坯提高到一個特殊的高度。當它在模具關閉過程期間與頂模接觸時，倘若與原來的設計相比杯狀區(qū)域有更 本科學生畢業(yè)設計 （論文）附件 附件 C：譯文 的金屬，活動部分就被迫向下移動。在模具關閉時，活動部分重新回到它的位置，加工成型完好部分。 6、結論 為了使優(yōu)化的模具設計有效，在上述相應計算基礎上改進凹模結構。結果，在試驗期間使用改進的模具獲得了優(yōu)質量的后底板。為了 評估 質量，圓柵格分析被又一次應用到成形過程中，與原來 設計 一樣，圓被標記在同樣的區(qū)域，開裂經常發(fā)生的杯壁周圍，主要和次要應力被 標注 在成型極限圖中，如圖 16 所示。從圖中可看出，所有的標準應力在安全區(qū) 域，其顯示出用改進模具進行第一次拉深操作是非常穩(wěn)定的， 它 對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。除了在面板內形成肋骨之外，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 點拉長杯狀區(qū)域。在第一次拉深和第二次拉深中，測量杯狀區(qū)域主要和次要應力在圖 17 中展示。在圖 17 中很清楚的表明 第二次拉深時 拉力 要大，盡管幾個應力是在邊緣區(qū)域， 但大部分應力仍在安全區(qū)域。因落入邊緣區(qū)域的點數少并且 它們的應力仍然接近設計彎曲，第二次拉深操作仍被認為是穩(wěn)定的，至于第三 次 和 以后的操作，只不過是修整和簡單翻邊操作。因此，這兩項操作不能夠引起進一步的變形，也不需要分析。 譯文原文出處： 5 (1995) 408