深波波纹板冷冲成形规律研究

发布时间：2016-08-31 07:03

第 1 章   绪论 

1.1   引言 
随着社会的进步和发展，制造业向集约化生产的方向发展，生产成本低，质量高，生产快速和原型制造系统将成为主流。精度高、效率高、重量轻是未来几代材料加工技术的重要特征和努力实现的方向。材料成形与制造将面向低成本、高精度、短周期、高产品质量方向发展。同时，随着计算机性能的迅速提高，计算机仿真和模拟仿真技术已成为现代材料加工和技术的主流。在产品设计的过程中，运用数值模拟软件对与产品的加工过程进行精确模拟仿真，以最前沿的技术和最低成本来预测在材料成形过程中可能会出现的各种缺陷以及工艺技术的问题。本论文就是在这种背景下，对深波波纹板的成形过程进行 Dynaform 数值模拟，探讨成形过程中金属材料的变形规律。零件二维图如图 1.1，模具图如图 1.2 和 1.3 所示： 
........

1.2   本课题研究的目的 
冷冲成形是材料塑性成形生产的最基本工艺和方法，这种方法基本特征是将钢板放在模具内部，通过一定吨位的压力机在一定压力下冲压成预先设定的形状与尺寸。 本课题对涵洞波纹板的成形规律研究目的在于，通过了解国内外冷冲压发展过程与发展现状以及数值模拟软件的应用，总结前人研究与经验，根据理论研究以及试验分析，探索涵洞深波波纹板的冷冲成形规律，采用 Dynaform 软件进行数值模拟，有效预测和研究冲压过程中出现的回弹问题，以及在不同板厚，不同摩擦系数，不同凸凹模间隙条件下成形规律的研究，并对整形前后的制件进行多方面比对，最后使用 Catia进行模具三维设计。 通过本课题的研究，对深波波纹板冷冲成形过程中问题进行了分析，在一定程度上提高了金属材料利用率，实现了综合效益的最大化，为涵洞波纹板冷冲成形在本行业生产中的广泛应用奠定基础。 
..........

第 2 章   有限元模型的建立

2.1   引言 
最近 30 年来，在金属塑性加工领域，有限元模拟分析法的应用越来越广泛，在板料成形领域，DYNAFORM  、Auto Form 和 PAM-STAMP 三款软件应用非常广泛，DYNAFORM 是现今流行的板料成形与模具设计的 CAE 软件之一，在航天、汽车、造船等行业中广泛应用。 板材成形过程基本工序包括：落料、冲孔、弯曲、拉深、翻边、整形等[34]。深波波纹板是一个大型零件，零件形体比较大，属于中厚板成形。拉深成形技术的应用与加工尺寸范围是非常广泛的，轮廓尺寸从几毫米到几米范围不等、厚度为 100~300mm的大型冲压件都可以应用拉深成形[35]。如图 2-1 所示，长1.55m，宽 0.6m，厚度 4-12mm，依据不同施工要求做出不同选择，截面形状相对简单,其形状呈现波纹状。本文应用Dynaform 软件对深波波纹板成形过程进行模拟分析，选择的材料为 St13 冷轧钢板，化学成分如表 2.1 所示，其抗拉强度为 270~370MPa，各项材料性能均可满足要求。
.........

2.2   DYNAFORM  模拟分析过程

我国在板料有限元的数值模拟相关软件方面进行的研究相比较来说起步较晚，可喜的是经历多年的发展与研究模拟软件方面技术有了非常大的进步，在高等院校以及金属材料研究所里进行相关数值模拟分析，有非常多额高校都研发了自己的模具CAD/CAE/CAM 软件[36-38]。吉林大学使用了 lagrange 法大变形的弹塑性有限元方法[39]，我国研制的软件主要有精密模具 CAD/CAM 系统和冷冲压模具 CAD/CAM 系统[40]。板料的拉延成行的分析一般分为以下几步：首先需要通过 CATIA 和 PRO/E 等绘图软件进行相应的 CAD 造型设计之后再将文件保存成为为 igs 格式，然后输入进入到DYNAFORM 软件中，进行相应的网格划分等等一系列的前置处理设置，在设置完成之后需要提交到求解器进行相应的分析，最后能够得出后处理的结果，当模拟的结果不符合技术的要求时，则需要重新设置相应的工艺参数进行下一次的提交和求解或者需要重新的设置相应的 CAD 造型进行新的数值模拟，如果模拟的结果与要求相符合，就可以进行模具的设计。我国在“十二五规划”中明确规定了一个重要目标即：模具的生产周期需要缩短至少 30%，制造精度需要达到±0.001mm；大中型精密模具的生产制造至少要提高至 10%；这也促进了模具设计及其发展[41]。  第一步进行相应的零件三维模型设计，并进行有限元网格的划分。凸凹模和毛坯三维造型的 CAD 软件一般有三种：UG、Pro-E、CATIA。待三维造型结束后，需要将igs 格式导入 DYNAFORM 模拟软件中，进行模型网格的相应划分。 第二步，定义成形的工具。依据零件结构和尺寸以及所使用不同的冲压设备来进行定义工具。模具三维设计过程还可以分为单动以及双动两种预设模式。 第三步，定义毛坯的设置与成形相应参数。首先使用坯面工程的 BSE 来计算出相应的毛坯尺寸，随后软件能够自动生成出一个相应的轮廓，需要使用这个轮廓当做毛坯的零件之后，则可以进行相应的网格划分，最后需要进行毛坯的材料以及厚度等诸多的参数设定；预设的拉深形成的压边力以及运动的相应形式需要经过经验的公式进行换算才可以最终的设计出来，最开始的拉伸速度可以通过实验进行设置但是不应设置太大，如果要求得最佳的参数，那么需要做更多组的模拟才可以进行比较。 

.........

第 3 章   深波波纹板成形工艺分析 ....... 21    
3.1   成形力对成形过程的影响 .......... 21
3.2   摩擦系数对深波波纹板成形过程的影响 .......... 29
3.3   凸凹模间隙对波纹板成形的影响 ...... 34
3.4   不同料厚的回弹对比分析 .......... 37    
3.5   本章小结 ....... 39 
第 4  章   深波波纹板整形分析 ...... 41    
4.1   引言 ....... 41    
4.2   模型导入与零件编辑 .......... 41    
4.3   不同成形力整形前后对比 .......... 42   
4.4   摩擦系数为 0.125 时整形前后对比 ........... 45
4.5   凸凹模间隙为 8.8mm 时整形前后对比 ..... 47
4.6   不同料厚整形前后回弹对比....... 50    
4.7   本章小结 ....... 52 
第 5 章   深波波纹板模具设计 ........ 55    
5.1   引言 ....... 55    
5.2   模具结构设计 ....... 55
5.3   模具间隙的确定以及模具冲压方向的选择 ...... 59    
5.4   模具最终装配图 ........... 60    
5.5   本章小结 ....... 61 

第 5 章   深波波纹板模具设计 

5.1   引言 

深波波纹板是一个大型零件，零件形体比较大。如图 5.1 所示，长 1.555m，宽 0.6m，厚度依据不同施工要求做出不同选择，截面形状相对简单。其形状呈现波纹状，根据模拟结果，可以假定设置两条生产线，第一条生产线包括一套单一成形模具，满足对回弹角度要求较低的产品需求。第二条线也只包括一套模具，采用级进形式，在成形之后级进整形，保证较小的回弹角度，目的是使最终的成形件达到较高的质量要求与装配要求。设置两条线的目的在于满足不同客户对产品精度的不同需求。成形后的制件三维图和二维图如图 5.2 所示：导向装置是每一套模具所必须的装置，它能够使凸凹模和压边圈准确的进行定位，保证了制件的质量和精度，确保冲压的顺利完成，这样能够提高模具的使用寿命。深波波纹板的模具导向装置用来确保凸凹模的精确结合，由于板料厚度较厚，所以本套模具不需要加装压边圈。模具导向装置有以下几种：导套式，导板式以及导块式几种。表 5.1 为每种方式的特点： 深波波纹板模具凸模采用分装形式，将各部分凸模用螺栓固定在上模板上，可以保证凸模在工作时稳定与可靠，便于拆卸与更换。凸模镶块为半径为 81mm，长度为518mm 的圆柱体，材料为 Cr12Mo V，如图 5.5 所示。使用半径为 25mm，长度为 100mm的内螺纹销将镶块与凸模基体固定，如图 5.6 所示。模具凸模基体使用材料为 40Cr，凸模基体装配图如图 5.7 所示。上模板采用铸造方式加工，材料为球磨铸铁，为了减轻模具重量，凸模模板加工出减重槽。

.........

结论

本文对深波波纹板的成形过程进行了有限元模拟分析，通过对不同参数的设定，确定了成形工艺参数。在对波纹板成形过程进行分析之后，进行了整形过程的模拟分析，对比整形前后波纹板的表面质量，厚度变化，以及回弹角度变化。在模拟分析的基础上进行了两套模具的设计。本论文主要的研究成果如下： 
1.波纹板的发展与现状以及课题介绍：叙述了波纹板的优点，与钢筋混泥土结构对比所占据的优势，国内外波纹板的使用与发展现状。描述了课题的组成部分，以及课题研究方法。 
2.有限元模型的建立：对有限元软件 Dynaform 进行了介绍，三种软件优缺点进行了对比。描述了模型的设置过程，以及工艺参数的设置过程。 
3.对深波波纹板成形工艺的研究：最终确定成形力达到 3000KN 与 3200KN 之间时，制件的减薄率和增厚率最为理想。综合考虑制件的表面质量以及回弹角度，最终可以确定 3200KN 为最终成形力。随着摩擦系数的增大，波纹板的回弹角度呈现逐渐增大的趋势，，结合对波纹板表面质量以及厚度变化的分析，选定摩擦系数为 0.125。随着凸凹模间隙的增大，制件的褶皱逐渐增大，回弹角度增大，虽然模具间隙在 8mm 时制件状态和回弹角度都达到最佳，但考虑到模具的使用寿命与设计经验，最终将间隙设定为 8.8mm。通过对不同料厚之下的波纹板进行模拟分析，可以发现，其它参数在合理范围内的前提下，随着料厚的增大，回弹角度逐渐减小。 
.........
参考文献(略)

本文编号：106474