【精品】有限元为基础的渐进式拉伸工艺设计.doc

有限元为基础的级进模拉伸工艺设计摘要渐进式拉伸模是垠强大的一种拉伸工艺，因此它也是所有级进模中加工最困难的在 这项研究中，提出了一•个基于有限元的渐进式拉伸模分析和设计方法，并形成了汽车照明组 件灯泡罩证明有限元模拟预测，不仅符合变薄和应变，但也有助于消除表而变形相比较 于传统的基于经验的设计，有限元法为基础的开发方法允许工程师在模具制造之前去预测潜 在的成型缺陷，从而缩短磨具开发时间关键字级进模拉伸，增量有限元法，i步有限元法，起皱，断裂，表面变形，灯泡罩1 •介绍级进模是生产大规模金属冲压件的工具，这在家用品中是很常见的，比如生产家电， 汽车，办公设备和其他现代餐具级进模制造复朵的金屈冲压件，通过按顺序在每一个工作 站传送钢板，执行不同的操作，例如，穿孔，开槽，切断，冲裁，切割，弯曲，報形，拉 伸，起伏，压印，和修边山于板条自动传输通过每个工作点和传感器控制的试验指导下, 具有高效率，高质量，更安全的特点的级进模成型过程为了在一个模具中完成各种工序, 级进模是一个复杂的结构，一般山150-200 31件组成，因而级进模的设计是一项繁琐和耗时 的过程1.1 CAD/CAM在级进模开发中的应用自上世纪70年代，计算机技术已被用来提高级进模设计效率。

在这节中，简要介绍一个 全而的文献冋顾关于计算机辅助级进模设计从19世纪70年代中期到80年代中期，第一•代级 进模的CAD/CAE系统，提高了设计效率，通过提供了基本的计算机图形功能，购置数据库 模具纽•件和设计过程的标准化自九十年代以来，曲于级进模设计是以经验和设计规则为基 础的实践，人工智能技术（AL）（如知识库，专家系统，模糊推理，规则推理，神经网络） 与基于特征建模和知识表征相结合，以进一步提高设计效率近几年來，主营CAD/CAM系 统述提供了定制功能级进模设计，例如，VISI-series-CAD/CAM模具和模具解决方案，來自 UGS的级进模向导NX, ProSHEETMETAL的Pro/Engineer和3DQuick- Press with Solidworks 然而，基于人工智能和功能技术仅能帮助设计师快速找到解决方法，类似于存储知识或简单 应变元件的变形，例如，冲裁，拼接，弯曲，起伏等，以往的经验范鬧之外的问题依然依赖 于设计者的经验和直觉，从而薄板相关的故障，如起皱，断裂，都不能确定，育到物理芯片 的制造和测试1.2 FEM在级进模开发中的应用饭金仿真技术在过去的十年L1经成熟。

主要商用有限元分析软件有DYNAFORM, PAM-STAMP, AUTOFORM,它们分析饭金成型过程的能力很强大 Byun等人在进行了有 限元分析关于CRT部分的级进模成型两个关键的操作，卷边弯曲和圧卬，选||于己被模拟 和比较测量结果的16个工序，Park等人使用硬质蜩料有限元分析，模拟一•个级进的廉加处 理，形成了精密电机铁芯仿真结果有助于开发相应的模具和工艺设计，Lee SB等人进行精 密动态有限兀分析关TIC引线脚成羽的级进模冲裁过程他们模拟级进模冲裁过程和己加工 好的引线脚的冋弹影响Sim等人开发了一个级进式U型弯曲过程，通过共同使用有限元分 析和三维建模然而，这个级进式深拉伸过程，是所有级进模中最困难的，因此很少拿來研 究在这项研究中，提出了-•个以有限元为基础的级进模设计方法，这个方法主要为了实现对灯泡罩级进模的开发在以有限元分析为基础帮助下，饭金成型缺陷可以被检测和改善在 物理磨具制造前，因此可以缩短开发时间2 •以FEM为基础的级进式拉伸膜设计级进模设计有两部分纽成，一•部分是建模，展开，嵌套，毛培布局和模具结构配置，在 所推荐的以有限元分析方法为基础级进模拉伸过程方法，VISI-CAD软件执行扳金冬件 成型，展开，条料布局以及模具结构建模，而商业DYNAFORM软件V5.2有限元程序可 以进行计算毛培的形状和模具设计以及成型工艺分析，一个设计序列图如图-1。

图・1：基丁有限兀法为基础的级进式拉伸模设计序列图Part geometryProduction图-2：灯泡罩和头灯8：头灯b：灯泡罩和反射灯泡C：灯泡罩的丁作机制C饭金模型，它通常是山客八提供的三维模型设计方法开始最后的拉伸产生于 VISI.CAD的部分边延长部分，扳后拉伸的几何形状的衣面几何形状网状山DYNAFORM V5.2自动生成网格毛培形状是山一步有限元计算，初始条料的布局和工作部件设计 规则和经验，进一步验证了增量模拟如果在模拟中没有确定故障，将尝试少拉伸仿 真结果证明，故障免费设计将会被原型工装测试验证，如果拉伸部分满足质彊要求，设 计被批准，就可以送到加工部门加工了，如果没有，条料的布局和工件需要被改进，以 消除通过以上的设计和验证检测到的缺陷图灯泡罩6845 (单位:mm)2・1动态显示有限元拉伸过程通过DYNAFORM V5.2的动态显示方法进行模拟，使用中央差分法直接集成在 时间(内的虚功平衡I TijSuijdV = J tiSiiidA — piiiduidV (1)v a vTij是柯西应力张ui,j是位移梯度，ti是矢嵐的牵引力，是变异算子,卩是密度，ui是 物质粒子的加速度，在给定的时间t内，加入阻尼期，平衡便得：［讪/+ ［C］/十｝ - ｛门 (2)这里的［M］是质量集中矩阵，［C］是一个人工阻尼矩阵，｛F｝是载体的外力，｛1｝ 是载体的内力。

解决平衡(2)的中央差分法：W=⑷(5)il =(广必-广％)/A/为了使中央差分法的稳定，时间不得不小于:\ / L 2 LAr < — —=•■ Q ⑷ ^e/p这里的L是一个元索的特征长度，Cd是工件材料的声速，W是系统的最大特征 频率，E是Young的材料的弹性模量表T：商业优质钢板材料性能MaterialCommercial quality sheet steelStripWdth*thickness 114.3 mm (4.5">06 mm(0.024Flow stress (MPa)<7=479.4严？AnisotropyRO R45R901.45 1.11.732. 2 一步逆向有限元分析模拟关于计算毛培形状通过山DYNAF0RUV5. 2提供的所谓的一•步逆向计算法，从垠终冬件的几何形状预测初始毛 培的形状不同于增量有限元数值模拟方法，一步有限元分析法以垠终工件几何尺寸，最初 的板材厚度，板材性能开始逆向计算式基于一个理想的变形假设，它假设外部的作用有助 于板材变形而忽略摩擦和变形均匀因此，在最后的冲也配置C,虚功方程如下:―陷=卜“-卜恤= (6)V V冬件的几何形状网状山四边形等参元素，包括退化的三角元素，可变现为：M = (1 +“)(1 = 1,2,3,4 (7)通过元素离散冲压陀置c可表示为：炉=刀QCS -醞)=-工⑷疋= (8)e e方程转化为：w = 0(血- F"= 一心=0 (9)这是山Newton-Raphson方法解决，对以表示为第i个迭代：R(U) = F* (U) 一 尸皿)/0 (10)(11)UM = U + \U(12)kt =f)R(U)~OU~\u^(13)图-4：—-步有限元法毛培形状计算a灯泡罩b最终拉伸形状网格形式c 一步有限元 法计算毛培形状d毛培13 12 11 10 98 76 54 32 1图-5：初步设计条料布局：1穿孔2枪3拉伸4闲置5拉伸6拉伸7修边8翻边9滚动10修 剪11修剪12滚动13切断2. 3基本关系基于假设，在相同的状态下，应力分量与应变分量相当，且服从H订1的齐向异性屈服准则, 应力和应变与上述的有限元模拟Hencky的变形理论有关：(1 + % + + ")(1 +心 +，)2a3F1 +rx + ry x(1 + U)(U + D + ")U(1 +rx + ry) 5(16)2a 2 山 + y + “)3W (1 + 2厂45 )(/x + rv) f英中，2, /分别是应变和应力的有效值，/;,广45，□分别是压制方向为0 , 45 , 90 的 Lankford 值。

2.4缺陷监测在一个拉伸过程中，会因为很多缺陷而导致失败n根据这些原因，这些缺陷可列为：（1） 成形性相关的缺陷如起皱，断裂和表而变形，（2）相关的微观缺陷，如桔皮，起垄或拉拢,（3）润滑相关的缺陷，如擦伤，划伤等当润滑缺陷发生时，润滑油不能提供给模具及板 材有效分离，因此需要一个口 I行的润滑剂通过测杲表面粗糙度可以识别微观结构相关的缺 陷，和避免通过选择适当品粒尺寸的板材的微观结构受多种因素影响，如薄板成形，模具 的几何形状，毛坏形状，成形性相关的缺陷增最模拟和原型工具测试共同使用，以检测这 种类型的缺陷6： C A D模型和F EM模型Draw 1 Draw 2FEM modelDraw 3punchdie表一2 :三种拉伸的摩擦系数工位冲裁压边拉伸10.1250.1250.12520.120.120.1230 . 1 10.110.11d起皱：起皱受许多因素影响，诸如工艺参数，接触条件，力学性能和毛培的几何形状通 过数值精度的积累生成明确的代码，和普遍预测准确的起皱区域从模拟寒件的几何形状, 起皱可以直接测量，然而，起皱幅度的测量时■一个繁琐的过程，如果嵌入式的起皱测量过子 程序是不可用的。

另一种方法采用了起皱极限图是山轻微的应变和主应变之间的比率确定 山于应变是比较容易被有关组成部分蚀刻圈网格，应变率可以更有效地预测起皱的风险b断裂：断裂是一种不稳定的现象，发生在局部区域的应变集中和后续变形变化，发生的明 显变化般情况下，断裂可以预测：（1 ）基于应变的标准，例如，成型极限图（F L D ） 和最大的一部分变薄（2 ）基于应力的标准，例如，成形极限应力图（F L S D） （3）韧 性损伤准则，例如，Cockroft和Latham准则部分壁变薄常用于工业上表明骨折的概率，因此，在目前的研究中，管辟•变薄选择作为 断裂准则这个过程是一个近似的方法，I丸为应变路径对尿大减薄量有所影响然而，细化 标准仍然是有用的和有效地估计断裂的发生在大多数深拉伸操作中Curvellnear distance (mm)c表面变形：农面变形可能发生在多个拉伸过程中不同于起皱，它发生在圆周方向，表而 变形出现在垂直截面区域，当目前拉伸提供了伸展不能伸直弯曲的区域，在前面拉伸阶段 当整形的吸引是一个主要的问题，其至一个非常小，例如，0.5 mm,超过2 0 mm的曲 线半径的变化可能会失败一部分山于表面变形小，很难确定变形网格.原型工具测试与应 力分析相结合，用于确定表面变形。

在3.3中将详细讨论一个表面上的变形23.90041411.M35S?5.44O1C7 A713247 & 866661 UAXn/A25.124931 31.4W11B 加QZV 43.WU ・49^40543图一 7 ：最后拉伸模拟部分变薄和主应变比的分布a变薄分布 b主应变比在垂直方向的 分配3实施灯泡罩，它是山金属板和镀鎳制成的，安装在车辆前面的前照灯灯泡，用來防止不必要 的光线（防炫光），产生头灯的前照灯灯泡罩的质最有•接影响光束质量山于几何形状的复 杂性，灯泡罩的成型需要级进式拉伸模，即一个典。