山东建筑大学表圆管偏心方形孔翻边成形预制孔优化设计方法研究.doc

山东建筑大学毕业论文开题报告表班级： 姓名： 指导老师:论文题目圆管偏心方形孔翻边成形预制孔优化设计方法研究一、选题背景和意义：三通管为管道连接件的一种，有效地节约了管路零部件用量，主要作用是改变流体方向，广泛应用于输水管路、输油管路及各种液体化工材料输送管路随着我国石化工业的迅速发展,管道联接件的需要量日益增多,且管件种类也越来越多,由于采用铸造方法生产的管件带有气孔、砂眼等组织缺陷,所以,对于中、高压管道系统大都使用优质无缝钢管冲压成形联接管件而现在大部分研究的三通管支管是圆形开口，方形支管因为研究起来比圆形支管要复杂，所以研究的人还不多，但是方形支管在某些方面具有圆形支管无法比拟的优点以及越来越大的市场份额，研究方形支管已经是大势所趋，所以本课题主要研究三通管偏心方形支管翻边成形预制孔设计方法，如下图1所示图1圆筒件偏心方向支管翻边成型目前三通管的成形方法有多种，其中有铸造成形、焊接成形、机加工成形、液压胀形、冲压成形，而每种工艺成形的三通管的特点都不尽相同1）采用铸造方法生产的三通管带有气孔、砂眼等组织缺陷，所以一般对于要求不高三通管可以采用这种方法生产。

2）用焊接和机加工的方法生产三通管，金属损耗大，产品质量差，生产成本高，生产效率低3）三通管的液压胀形是通过金属材料的轴向补偿胀出支管的一种成形工艺这种成形方法对设备的要求比较高，以及工人的操作水平，以至于生产成本相对于高，不利于普及4）冲压成形是在直管侧壁上加工出预制孔，而后利用翻边工艺来制出支管冲压成形能显著地提高制件的力学性能，还可大幅度地降低生产成本和提高生产效率这种方法操作简单，可以普及推广考虑到三通管翻边成形工艺参数的复杂性,往往需要大量的试验,耗费大量人力物力才能得到较为合适的产品本文主要研究通过一次翻边工艺来成形等径三通管首先,利用冲压变形规律设计出预制孔的孔形,通过Deform有限元软件模拟获得样本和检验结果,在模拟过程中根据工件的起皱和拉裂情况，调整压边力得到合适数据然后用误差修正法，对预制孔尺寸进行优化设计最后根据预制孔优化设计结果，设计出三通管方形支管翻边成形模具二、工艺方案论证：根据生活生产经验可以总结出以下几种方案：铸造成形法、螺纹连接法、焊接连接成形法、冲孔翻边法下面简单对这几种方法进行论证1、方案一：铸造成形法 虽然在机械制造中，铸造被广泛使用，但是，铸造生产过程中的工艺控制较困难，因而铸件质量不稳定，废品率较高。

另外，该成形方法劳动强度大，条件差，环境污染严重还有就是生产效率低，浪费材料2、方案二：螺纹连接法运用螺纹连接的方法，必须分别在球壳体和圆管上添加螺纹，包括内螺纹和外螺纹，采用机加工的方法获得，该方法劳动强度大，加工较困难，而且金属材料的纤维被切断，降低了材料的强度3、方案三：焊接连接法在生产实际中,管道之间的连接通过焊接方法实现是较为广泛的连接形式之一,但是所形成的接缝则是较为复杂的相贯线，相贯线的轨迹计算给实际操作增加了困难所以如果用人工焊接的方法则增加了困难度，如果利用机械手臂焊接又增加了成本由于管与管之间连通焊接的相贯线接缝较为复杂,故一般采用自动焊接以满足较高的焊接质量和效率要求目前,针对复杂相贯线接缝焊接的伺服运动控制技术的研究很少,而已有的数控焊接机床存在功能单一以及通用性较低的技术缺陷，为了完成多自由度的联动过程控制,很多设备往往选用成本较高的多轴运动伺服控制卡(如PMAC),依托硬件完成复杂算法的处理,大大增加了设备成本4.方案四：冲孔翻边法利用冲孔翻边成形法制造这种管路是一种新型工艺该工艺首先在球壳体上开设一个预制孔，然后利用翻边工艺成形支管，支管既可以垂直于球壳体表面，也可以呈一定的夹角。

综上四种方案，采取方案四利用冲孔翻边成形工艺制造球壳体支管，其步骤明确，工艺简单，生产效率高，应用有限元模拟更是达到了事半功倍的效果采用该工艺避免了铸造方法浪费材料的缺点，无需进行复杂的攻丝工作，去掉了焊接以及之前复杂的预制工艺，支路的使用性能得到极大改善，且对于批量使用成本比较低所以，选择方案四进行研究，研究冲孔和翻边的有限元模拟，以及预制孔的形状和尺寸，以保证翻出支管的尺寸和平整度三、课题关键问题及难点：本课题是对球形壳体以及支管进行相关分析，利用有限元手段计算出相关所开孔数据，通过运用软件进行分析和模拟，最后得出合适的壳体所开孔的形状和尺寸，最后应用于实际生产成形关键问题：相贯线分析、冲压工艺、拉伸翻边工艺、Dynaform分析难 点: 1、相贯线的计算 2、冲压和翻边工艺3、UG三维造型4、Dynaform的参数设定并进行模拟，保证工件支管的要求尺寸和形状，避免拉裂或者起皱1.相贯线的计算在开始研究之前确定好方向后，就是做好研究前的准备，其中就是计算工作，即预制孔的形状和尺寸，这是要与后面的模拟工作结合起来，最后得出最合适的数值关系，然后利用编程软件实现自动化，从而提高工作效率和计算准确度和精确度。

2.冲孔和翻边工艺这一步是要根据冲孔和翻边工艺特04-性，设计出合适的模具结构，明确出制件的加工过程3. UG三维造型利用三维造型工具，做出制件模型，为后面的Dynaform的分析做好准备４. Dynaform分析 Dynaform分析过程是本次研究的重点，也是核心所有预期的研究结果以及数据都要通过Dynaform来得出，然后对结果数据进行分析，得出最终的结论，来支持研究本设计利用Dynaform对板料成形过程进行模拟加工预先得知工件的起皱和拉裂情况，从而调整压边力来调节变形程度得到合适的数据来指导我们其具体操作方法就是利用Dynaform进行模拟，然后把模拟的结果反馈到最开始的预制孔计算阶段，然后进行多次之后得到有价值的数值关系Dynaform软件是美国ETA公司和LSTC公司联合开发的用于板料成形数值模拟的专用软件，是LS-DYNA求解器与ETA/FEMB前后处理器的完美结合，是当今流行的板料成形与模具设计的CAE工具之一Dynafom的应用过程：1. 几何建模：利用软件进行几何板料的建模2. 条件设置：设置凸凹模、压边圈、压边力、运动方向、运动速度等3.得出数据，分析数据：根据输出的数据（起皱和拉裂）情况，分析出现问题原因，对压边力进行调节，获得合适的压边力。

四、文献综述1.冲压工艺1）冲压概念冲压工艺是使板料经分离或成形而得到制件的工艺靠压力机和模具对板材、带材、管材和型材等施加外力，使之产生塑性变形或分离，从而获得所需形状和尺寸的工件（冲压件）的成形加工方法冲压和锻造同属塑性加工（或称压力加工），合称锻压冲压的坯料主要是热轧和冷轧的钢板和钢带全世界的钢材中，有60～70%是板材，其中大部分经过冲压制成成品汽车的车身、底盘、油箱、散热器片，锅炉的汽包，容器的壳体，电机、电器的铁芯硅钢片等都是冲压加工的仪器仪表、家用电器、自行车、办公机械、生活器皿等产品中，也有大量冲压件2)冲压加工的三要素（1）冲床 供给变形所需的力2）模具 冲压所用的工具是各种形式的冲模，冲模对材料塑性变形加以约束，并直接使材料变成所需的零件3）原材料 所用的原材料多为金属和非金属的板料3）冲压生产的特点冲压是一种先进的板料加工方法，与其他加工方法（切削）比较，在技术上、经济上有如下优点1） 它是无屑加工，被加工的金属在再结晶温度以下产生塑性变形，不产生切屑，变形中金属产生加工硬化2） 在压力机简单冲压下，能得到形状复杂的零件3） 制得的零件一般不进一步加工，可直接用来装配，而且有一定精度，具有互换性。

4） 在耗料不大的情况下，能得到强度高、足够刚性而重量轻的零件，由于加工过程中不损坏原材料的表面质量，制得的零件外表面光滑美观5） 生产效率高，冲床一次一般可得一个零件6） 冲压零件的质量主要靠冲模保证，所以操作简单，便于组织生产7） 在大量生产的条件下，产品的成本低2.Dynaform软件的应用Dynaform 软件基于有限元方法建立, 被用于模拟钣金成形工艺Dynaform软件包含BSE、DFE、Formability三个大模块，几乎涵盖冲压模模面设计的所有要素，包括：定最佳冲压方向、坯料的设计、工艺补充面的设计、拉延筋的设计、凸凹模圆角设计、冲压速度的设置、压边力的设计、摩擦系数、切边线的求解、压力机吨位等 　　Dynaform软件可应用于不同的领域，汽车、航空航天、家电、厨房卫生等行业可以预测成形过程中板料的裂纹、起皱、减薄、划痕、回弹、成形刚度、表面质量，评估板料的成形性能，从而为板成形工艺及模具设计提供帮助 Dynaform软件设置过程与实际生产过程一致，操作上手容易来设计可以对冲压生产的全过程进行模拟：坯料在重力作用下的变形、压边圈闭合过程、拉延过程、切边回弹、回弹补偿、翻边、胀形、液压成形、弯管成形。

本次研究就是在计算机有限元分析的基础上利用Dynaform软件完成对翻边过程的模拟，然后再根据得出的数据分析得出合适预制孔尺寸、翻边高度、翻边形状之间的关系3.文献综述雒亚涛[1]将预制孔简化为椭圆，通过特殊位置计算椭圆的长轴和短轴，确定椭圆形预制孔的形状和尺寸古丽[2]应用“变形区中性层素线长度不变”的假设，建立了三通管翻边成形预制孔形状和尺寸的计算公式刘丽敏[6]采用实验和模拟的方法对大口径三通管的翻边成形工艺进行了研究；课题组的李兆东[8]采用理论公式推导与有限元结合的方法，提出了基于修正法的预制孔确定方法实验或模拟的方法可以较好的解决预制孔设计问题，但是需要进行多次反复的实验和模拟，浪费了大量的时间，而且在实验或模拟的过程中，对预制孔的修正依据操作人员的经验，自动化程度低、可靠性差肖小亭，肖景荣[9]研究了薄壁三通管翻边成形工艺参数，首先通过几何作图的方法确定预制孔，然后再翻边系数以及翻边极限高度这篇文章根据圆柱体与平面成等距对应这一几何特点，将空间曲面成形问题转化到平面上来进行研究，使问题在一定程度上得到了简化张朝阁，卢险峰，褚亮[10]根据塑性变形体积不变原则和翻边变形的力学特点，探讨了翻孔预孔孔径的计算方法，分析了现有的按弯曲件展开原则计算翻孔预加工小孔孔径方法的欠妥之处，提出合理的计算方法。

唐炳涛[13-14]研究了反向成形模拟前面提到的无论是模拟，还是实验确定预制孔尺寸的方法，都可归结为设计结果验证的试错法，对不合理设计的修改还需要由设计者根据经验提出，设计过程的自动化程度还很低为了提高设计的效率和自动化程度，采用优化设计方法进行优化设计是预制孔设计的一种有效方法白燕超[15]采用误差修正的方法对复杂翻边工艺的切边线进行了优化设计；谢延敏[16]基于Kriging模型对翻边成形的工艺参数进行了优化设计；古丽[2]将预制孔简化为椭圆，以椭圆的长轴和短轴为优化设计变量，以神经网络系统为优化目标函数求解器，应用遗传算法，对大口径三通管翻边成形工艺参数进行了优化设计参考文献[1]. 雒亚涛.不锈钢弯管上用预制椭圆孔翻边成形圆孔[J].火箭推进,2009,35(2):50-53.[2]. 古丽,张建,褚亮.大口径三通管翻边成形工艺参数优化[J].锻压技术,2010,35(3):71-75.[3]. 刘建生,王冰,田继红等.厚壁筒体接管翻孔工艺的实验和模拟研究[J].2005,12(Z1):74-76.[4]. 王冰,刘建生.凸模形状对厚壁筒体上热翻接管孔的影响[J].太原理工大学学报,2005,26(3):16。