6JJ轮辐拉伸与成形工艺研究设计

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1、本科毕业设计论文题 目6JJ15轮辐拉伸成形及 成形工艺研究 学生专业班级学 号院 系指导教师完成时间 44 / 51目 录摘要IABSTRACTII1绪论11.1课题的来源、目的与意义11.1.1课题的来源与设计要求11.1.2课题的目的与意义11.2车轮成型与冲压模具发展现状21.2.1 冲压模具工业的发展现状21.2.2车轮模具及成型技术31.2.3 冲压成型技术的发展方向51.3冲压模具结构与分类61.3.1 模具的作用及基本要求61.3.2冲压模具结构71.4冲压模具分类81.4.1按照冲模完成的冲压工序性质分类81.4.2按冲模完成的工作方式分类91.4.3按冲模大小分类92 车轮

2、轮辐模具设计102.1 轮辐成型工艺性分析102.1.1 制件结构分析13102.1.2 轮辐加工工艺方案的确定1415112.1.3 零件毛坯尺寸的确定16112.2拉伸模具设计17122.2.1工艺分析122.2.2进行必要的计算133实体设计143.1凸、凹模的设计143.1.1凹模设计143.1.2凸模设计153.1.3压边结构设计153.2模具架标准件选用153.3压力机的选择163.4模具的总体结构173.5模具工作过程194建模、装配与动画194.1 模具零件的设计194.2 模具组件的装配214.3制作动画225轮辐拉深成型过程计算机模拟255.1 数值模拟有限元分析255.1

3、.1 数值模拟技术在板料成形过程中的应用255.1.2 有限元分析方法20265.2 Dynaform软件对成型件进行分析265.2.1 Dynaform软件介绍265.2.2成型模拟的一般步骤275.3拉深成形分析285.3.1 曲面模型的建立285.3.2 导入文件285.3.3 模具的网格化295.3.4 定义工具315.3.5 定义毛坯325.3.7 定位工具335.3.8 定义载荷曲线345.3.9 分析计算365.3.10 后处理375.3.11 结论40结束语41致谢42参考文献43附录446JJ15轮辐拉伸成形工艺研究摘 要随着汽车工业的飞速发展,车轮制造业得到了前所未有的发展

4、机遇。提高我国车轮模具制造质量、技术和综合能力有助于我国加大市场占有份额。当今,随着科学技术的不断进步和工业化生产的发展,我国的车轮模具制造技术也在不断的发展。 本文以冲压模具设计理论为基础,调研了国外的轮辐模具行业发展状况,开展了具体的模具设计。采用基于特征的三维设计软件Pro/e对零件和模具开展了设计,完成了三维实体建模。该设计方案缩短了产品的研发周期、模具设计周期和加工周期, 提高了产品设计的可靠性。 将轮辐拉深曲面模型导入Dynaform软件,对轮辐的拉深成型过程进行了模拟分析,分析了成型过程中的应力应变、板料厚度变化、材料成形性等,优化了模具设计的合理性及拉深成型时的各工艺参数。 该

5、技术方案使用于轮辐模具和工艺设计及优化,对提高其生产质量和经济效益具有一定的指导意义。关键词 轮辐/模具设计/实体建模/模拟/Dynaform STRETCH FORMING PROCESS OF THESPOKES OF THE 6JJx5ABSTRACTIn recent years, with the rapid development of automobile industry, the wheel manufacturing industry hasan unprecedented development opportunity. Improving the manufacturi

6、ng quality, technology and comprehensive ability of the wheel have contribute to an increasing market share of China. Nowadays, with the continuously progress in technology and the development of the industrial production, the wheel manufacturing technology in our country has been continuously devel

7、oping. Based on the theory of stamping die design, and studied the state of development of die industry of home and abroad, the specific die design was made in the paper. Pro/e software was selected for three-dimensional design of the part and mold process. This technology shortened the time of the

8、product development, the die design and the processing plan, and also improved the reliability of the product design. The spoke modeling was introduced into the software of Dynaform. The process of the deep drawing processes was analyzed. In this way, many parameters, such as stress-strain, the chan

9、ges of blank thickness and blank forming ability were obtained. Finally, the rationalityof die design and the parameters of drawing process were optimized. The technology could be adopted by the design and optimize of die and process, and was an important guidance to improve production quality and e

10、conomic efficiency. KEYWORDSSpoke,Mold Design,Solid Modling,Simulation,Dynaform1绪论1.1课题的来源、目的与意义1.1.1课题的来源与设计要求本课题主要是对车轮轮辐模具进行设计及对轮辐拉伸成型进行分析计算,要求模具设计结构合理,能够保证产品的精度及表面质量。此外,要求对轮辐制品成型 的工艺进行分析与改进,对轮辐的工艺性进行分析并确定其具体冲压工艺方法,对 轮辐模具进行合理的工艺设计,结构设计及外观设计。最终运用有限元分析软件Dynaform对轮辐模具拉伸成型过程进行有限元的模拟分析,观察凸、凹模和拉伸件是否发生破裂

11、或存在缺陷,进一步修改模具设计结构及尺寸,以降低模具成本,提高产品质量。对制件的参数化三维模型进行模拟分析,以此检验模具设计的合理性,并提出改进的意见。 1.1.2课题的目的与意义本毕业设计的课题是车轮轮辐拉伸成型工艺的研究。随着汽车工业的飞速发展,车轮制造业得到了前所未有的发展机遇。提高我国车轮模具制造质量、技术和 综合能力有助于我国加大市场占有份额,提高我国车轮模具的整体水平。 通过采用基于特征的三维设计软件Pro/e对零件和模具开展设计,进行其三维实体建模,该设计方案能够缩短产品的研发周期、模具设计周期和加工周期,从而提高产品设计的可靠性。最后,对轮辐的拉伸成型过程进行模拟分析,分析其成

12、型 过程中的应力应变、板料厚度变化、材料成形性等,进一步优化模具设计的合理性及拉伸成型时的各工艺参数,其对提高其生产质量和经济效益具有一定的指导意义。 1.2车轮成型与冲压模具发展现状1.2.1 冲压模具工业的发展现状板料冲压成形是利用模具对金属板料进行压力加工,获得设计所需求的形状、尺寸和性能的产品零件。它具有节省材料、效率高和成本低等优点,是机械、电子、仪器仪表及航空航天等制造业中重要的加工工艺之一。冲压工艺在汽车、拖拉机、电机、电器、仪器、仪表、各种民用轻工产品以及航空、航天和兵工等生产方面占据十分重要的地位。现代各先进工业化国家的冲压生产都是十分发达的,在我国的现代化建设进程中,冲压生

13、产占有重要的地位。 当今,随着科学技术的不断进步和工业化生产的发展,我国的冲压模具制造技术也在不断的革新和发展1。这些革新与发展主要表现在以下几个方面： 工艺分析计算方法的现代化。例如生产汽车覆盖件的冲压工艺,传统方法是 根据已有的设计资料和设计者的经验,进行对比分析,确定工艺方案和有关参数,然后设计模具,进行试冲,经过反复试验和修改,才能转入批量生产。近几年来,国外的公司已经开始采用有限变形的弹塑性有限元法,对覆盖件成型过程进行计算机模拟,分析应力应变关系,从而预测某一工艺方案的可行性和可能出现的问题, 并将结果显示在图形终端上,供设计人员进行选择和修改。这样,不仅可以节省昂贵的模具试制费用

14、,缩短产品试制周期。而且,可以建立符合生产的先进设计方法,既促进了冷冲压工艺的发展,又可以发挥塑性成形理论对生产实际的指导作用。 模具设计及制造技术的现代化。为了加快产品的更新换代,缩短工装设计、制造周期,各国都正在大力开展模具的计算机辅助设计和制造技术的研究和应用。采用这一技术,一般可以提高模具设计和制造效率23倍,模具生产周期缩短1/22/3。发展这一技术的最终目标,是要达到模具CAD/CAM一体化,而模具图纸将只作为检验模具之用。采用模具CAD/CAM技术,还可以提高模具质量,大大减少制造人员的重复劳动,使设计者有可能把精力放在创新和开发上。 冲压生产的机械化和自动化。为了满足大量生产的

15、需要,冲压设备已由单工位低速压力机发展到多工位高速自动压力机。一般中小型冲压件,既可在多工位压力机上生产,也可以在高速压力机上采用多工位连续模加工,使冲压生产达到高度 自动化。大型冲压件如汽车覆盖件可在多工位压力机上利用自动送料和取件装置,进行机械化流水线生产,从而减轻劳动强度和提高生产率。 为了满足产品更新换代加快和生产批量减少的趋势,发展了一些新的成型工艺、简易模具、通用组合模具以及数控冲压设备和冲压柔性制造系统FMS等。这样,就使冲压生产不仅适合大量生产,也适用于小批量生产。 不断改进板料性能2,以提高其成形能力和使用效果。例如,研制高强度钢板,用来生产汽车覆盖件；研制新型材料板,用来生

16、产航空构件等。巨大的市场需求将推动中国模具的工业调整和发展。在中国,人们已经越来越 认识到模具在制造业中的重要基础地位,认识到模具技术水平的高低,已成为衡量 一个国家制造业水平高低的重要标志,并在很大程度上决定着产品质量、效益和新产品的开发能力。许多模具企业十分重视技术发展,加大了用于技术进步的投资力度,将技术进步视为企业发展的重要动力。此外,许多研究机构和大专院校正在开展模具技术的研究和开发,这将进一步提高我国模具工业的发展。1.2.2车轮模具及成型技术车轮是车辆承载的重要部件,其质量直接关系到人的生命安全3。 汽车车轮承受着车辆的垂直负荷、横向力、驱动扭矩和行驶过程中所产生的各种应力,它是

17、高速回转运动的零件,要求尺寸精度高、不平衡度小、支撑轮胎的轮辋外形准确、质量轻,并有一定的刚度、弹性和耐疲劳性。因此要求车轮具有足够的负载能力及良好的缓冲性和气密性、良好的均匀性和质量平衡性、精美的外观和装饰性、尺寸精度高、质量小、价格低、拆装方便、互换性好等。车轮材料的选用、车轮结构和制造工艺与上述要求密切相关,是决定车轮性能好坏的关键因素。在结构上,车轮主要分为组合式车轮和整体式车轮；从材质上分则有钢板成型车轮和铝合金车轮。当前,组合式钢板成型车轮占有相当重要的位置,短期不会出现整体式铝合金车轮一统天下的局面。其中铝合金车轮的制造工艺有铸造、锻造以及前沿的旋压流动复合成形工艺和碾压旋压复合

18、成形工艺。组合式钢板成型车轮主要由轮辋和轮辐组成,轮辋与轮辐的生产工艺一直备受关注。钢制车轮的制造工艺有轮辋滚压技术4、轮辐冲压技术以及前沿的滚压整体成形技术。钢制车轮对于制造工艺的要求非常严格,合格的汽车车轮要经过四大流程,数十道工序。其中,四大流程包括轮辋滚压成形、轮辐冲压成形、组装焊接以及涂装,且每道工序对于最终产品都非常重要。目前,能够生产出合格乘用车的钢轮的企业屈指可数,在国外已形成寡头垄断的格局。其关键技术主要有以下两点： 轮辋滚压技术5。轮辋产品制造的主要过程是将卷圆焊接的钢圈通过六道滚压工序成形。为了进一步减轻车轮质量以抵御铝轮的渗透,近年来国外一些车轮企业,除了将轮辋材料以高

19、强度低合金钢或贝氏体钢取代传统的热轧低碳钢之外,在钢圈成形之前增加了旋压工艺,在原本厚度均匀的钢圈上旋压出几道较薄的槽,在轮辋槽底和轮缘受力较大的地方保持材料的原始厚度,而在受力较小的地方减薄材料厚度,从而有效地减轻轮辋的质量。轮辋旋压技术是国际钢轮行业的前沿技术之一,目前处在试验和改进阶段。这种技术一般可以使车轮产品质量进一步减轻10%以上。 车轮轮辐是连接汽车轮毂和轮胎的主要支撑件,也是决定车轮是否美观的关键部件。轮辐需要经过多次冲压方能成形,主要的工艺包括剪切落料、初拉伸、反向拉伸成形、切边、冲螺栓孔翻边、挤螺栓孔、冲风孔、挤毛刺等。就生产方式而言,欧美的车轮厂普遍采用多工位压机连续生产

20、,其压机能力一般在45005000吨,生产节拍每分钟1026次,多采用810个工位,采用三坐标电子送料系统和快速更换模具系统,极大地提高了生产效率,而国企业尚处在单机手工送料的阶段。冲压成形生产轮辐的工艺比较简单,早期采用多台单工位压力机分序成型的方法,后来采用多工位压力机在一台设备上连续完成。其模具也从早期的单工序模向多工序复合模发展。冲压成形的轮辐等壁厚,旋压工艺可获得变壁厚等强度结构轮辐,不仅可提高材料利用率和车轮寿命,而且可增加轿车高速行驶的安全性和可靠性。旋压成形生产线的典型工艺包括落料、强力旋压、修边、冲孔等工序。旋压成形生产线的主机是数控旋压成形机,第一滚轮对坯料预旋压完成布料,

21、第二滚轮将壁厚旋压至预定值。目前的主流车轮都是采用先造出固定轮胎的轮辋和连接轮辋与轮毂的轮辐两个配件,然后将二者结合到一起的双轧结构。中国车轮的生产工艺装备特别是模具的发展比较落后,滚压工艺与旋压工艺均有极大的发展空间。从国外的发展趋势看,旋压工艺虽然有生产效率低的缺点,但其加工精度高、可生产变截面等强度轮辋和轮辐、制件刚度大、回弹小等优点仍不容忽视,特别适合新产品开发和中小批量生产。车轮模具的发展制约着车轮行业的规模和车轮的制造效率,提高车轮模具制造质量、技术和综合能力有助于我国加大车轮模具的市场占有份额。1.2.3 冲压成型技术的发展方向模具设计技术大多依赖个人的经验积累,模具设计长期以来

22、一直依靠人的经验和机械制图来完成。自从20世纪80年代我国发展模具计算机辅助设计技术以来,这项技术已被大家认可,并且得到了越来越快的发展,已在模具制造中显示出了巨大的优越性。20世纪90年代开始发展的模具计算机辅助工程分析技术,现在也已有许多企业应用,它对缩短模具制造周期及提高模具质量有着显著的作用。除了模具CAD/CAE/CAM技术之外,模具工艺设计也非常重要。计算机辅助工艺设计技术已在我国模具企业中开始应用。为了对各种成型加工过程进行更精确的模拟,目前各国学者都在研究新模型、新算法及新的成型模拟系统,并将模拟软件与制品设计、模具设计及制造紧密结合,开发一体化的集成技术,与CAD、CAM、C

23、APP、PDM、ERP技术软件的渗透、协调能力加强,使计算机模拟技术呈现智能化、集成化的趋势。作为汽车行驶系中的重要部件,车轮起着承载、转向、驱动和制动等作用,其性能的好坏直接影响汽车行驶的安全性、操纵的稳定性、乘坐的舒适性等。同时对能源的消耗、轮胎的寿命和驾驶员的劳动强度也有较大的影响。我国加入WTO后,汽车工业的整体水平有了较大的提高,因此对汽车零部件的质量要求也必将会越来越高,车轮生产行业间的竞争也会愈加激烈。近几年来,随着计算机技术的飞速发展,以二维实体造型技术,有限元分析技术,计算机辅助制造技术为基础的零部件的结构设计、性能分析、运动仿真和模拟加工等得到了广泛应用,并形成了CAD/C

24、AE/CAM一体化技术。利用CAD/CAE/CAM一体化技术对车轮进行结构设计、受力分析、寿命预测、性能优化、模拟加工等力一而的研究,从而在保证车轮的性能和使用要求的条件下,达到缩短车轮的开发周期,降低生产成本的目的。1.3冲压模具结构与分类1.3.1 模具的作用及基本要求模具的作用一方面是将压力机的作用力通过模具传递给金属板料,在其部产生使之变形的力。当力作用达到一定的数值时,板料毛坯或毛坯的某个部分便会产生与力作用性质相对应的变形,从而获得满足一定性能要求及符合所需尺寸及形状的制品；另一方面,通过模具的作用,可以保证上下模之间的正确导向,并使坯料稳固的压紧与精密的定位,从而冲制出达到一定精

25、度要求的冲件。在生产实际中,模具的作用在于保证冲压件的质量、提高生产效率和降低成本等。为此,除了采用行之有效的工艺手段、进行正确的模具设计及选择合理的模具结构外,还必须以先进的模具制造技术作为保证。对于各类的模具制造,一般都应满足以下几个基本要求6： 制造精度高模具的精度主要是由冲件精度和模具结构的要求所决定的。为保证冲压件的精度,模具工作部分的精度一般要比冲件的精度高23倍,为此,对于组成模具的零部件也就要提出较高的要求。如对于凸模和凹模之间的间隙,必须要有严格的控制,并精确的保证期间隙的均匀性；对拉深凸模和凹模刃口部分的圆角要求保持相当准确的尺寸,零件其他的尺寸精度、导向精度、孔的位置精度

26、也都必须达到规定的加工精度要求,并且还必须保证其装配质量。 操作性能良好将模具安装到冲床上时,其方法要简便,调整工作量要少,操作时送料的定位要快速、准确可靠,出料要顺畅自如。在整个使用过程中,冲件的尺寸和形状变化极小,可以放心地进行生产,取出制件要方便,无螺钉松动及模具零件破损等故障的出现。 使用寿命长模具加工费用约占成本的10%30%,其使用寿命的长短将直接影响到产品成本的高低、工艺部分负荷的轻重等。为了保证高效率的进行生产,都要求模具具有较长的使用寿命。 制造周期短模具制造周期的长短主要取决于制模技术和生产管理水平的高低。为了满足生产的需要,提高产品的竞争能力,必须在保证质量的前提下缩短模

27、具的制造周期。在规定的时间完成制造,且在规定的使用期间,冲件的冲制能符合使用要求。 模具成本低模具的成本应该是生产单件或千件时所发生的模具费用。模具成本与模具结构的复杂程度、模具材料、加工精度和加工方法等有关。在设计和加工模具时,应根据实际情况做全面的考虑。即应在保证冲件质量的前提下,选择与冲件生产量相适应的模具结构和方便使用的零件制造方法,尽量降低模具的制造费用和维修费用。在不影响使用的前提下,模具结构应尽量简单、材料便宜、并尽量采用标准件,使模具成本降低到最低限度。1.3.2冲压模具结构冲压成形是现代工业产品生产中广泛应用的一种高效率加工方法。它是在常温下,把金属或非金属板料放入模具,借助

28、于压力机传给模具的压力对板料施压,使板料在模具压力作用下产生分离或塑性变形而成形为具有一定形状和尺寸精度要求的制件的工艺方法。冲压模具是冲压成形过程中必不可少的工艺装备,冲压模具的结构对成形制件的质量和尺寸精度以及成形过程的稳定性都具有重要影响。因此,冲压模具的结构必须满足成形合格制件的要求。实际生产中的冲压模具结构类型有很多,复杂程度各异。但通常的冲压模具结构,大致由以下几部分组成7： 工作零件冲压模具的工作零件包括凸模、凹模、凸凹模等。这类零件工作时直接与板料接触,对板料作用一定压力以完成板料的成形过程。凸模的工作表面是与板料接触的外表面部分,凹模的工作表面是其形孔的表面。 定位零件冲压模

29、具的定位零件,主要包括挡料销、定距侧刃、导正销、定位板、导向板等。这类零件的作用主要是确定坯料相对于冲模的正确位置,确保冲压制件的质量。 卸料装置卸料装置主要由卸料板、推件杆等组成。卸料零件的主要作用是卸除冲压后套在凸模上的制件或废料,保证下一工作行程的正常进行。 导向零件导向零件主要包括导柱、导套、导板等。导向零件的主要作用是保证冲压时,凸模与凹模之间具有准确的位置。导套多固定在上模座,导柱则多固定在下模座。 支承零件支承零件主要包括上、下模板、模柄、凸、凹模固定板、垫板等。支承零件用来连接固定工作零件,使之成为完整的模具结构。上模板工作时紧贴压力机滑块,并通过模柄与压力机滑块固定；下模板工

30、作时直接固定在压力机工作台面或垫板上,垫板主要用以减低模板承受的单位面积的压应力。 缓冲零件缓冲零件包括弹簧、缓冲橡胶垫等。主要利用弹性元件的弹力,起卸料作用。 紧固零件紧固零件作用是用来连接、紧固各类冲模零件,使其成为一个整体。主要有各类螺钉、销钉等。同时,销钉还起牢靠的定位作用。 压料装置零件压料装置零件主要包括压料板、压料圈等。其作用是压住坯料或坯件,保证冲压时材料能顺利变形。通常将工作零件、定位零件、卸料与推料零件统称为模具工艺零件；而导向、支承、紧固和缓冲零件则称为模具辅助零件。1.4冲压模具分类1.4.1按照冲模完成的冲压工序性质分类按照冲模完成的冲压工序性质,可将冲模分为两种类型

31、,其中每种类型又可分为很多种不同结构。 使材料产生分离变形的冲模：如落料模、冲孔模等。 使材料产生塑性变形的冲模：如弯曲、拉深、翻边、冷挤压模具等。1.4.2按冲模完成的工作方式分类这种分类方法,可将冲压模具分为四种主要类型8：简单冲模,它是在压力机一次行程中,只完成一个冲压工序的冲模。复合模,是指在压力机的一次行程中,可同时完成两个或两个以上不同冲压工序的冲模。连续模,在压力机几次行程中,连续完成两个或两个以上冲压工序的冲模。自动冲模,是指带有自动送料、推料和排除废料等装置的能实现连续冲压的冲模。1.4.3按冲模大小分类有些领域中,由于冲模的大小差别较大,为便于组织生产、合理配置设备和使用管

32、理等,常将冲模按其轮廓尺寸大小来进行分类：如汽车工业中,按冲摸下模板的长宽尺寸之和将其划分为大、中、小三种类型,其尺寸划分的界限为：当下模板的长、宽尺寸之和小于1200 mm时,称为小型冲模。在12003000 mm之间的称为中型冲模。大于3500 mm的则称为大型冲模。2 车轮轮辐模具设计2.1 轮辐成型工艺性分析2.1.1 制件结构分析如图2.1所示为汽车轮辐零件,材料为Q235,料厚为3.5mm,生产纲领为大批量生产。该零件结构非常复杂,需要多道工序才能加工完成,而各工序之间相互影响较大,必须加以考虑。所以,其工艺方案的制定至关重要。图2.1 6JJx15型车轮轮辐从零件图可以看出,该零

33、件在底部有一个直径为54的中心孔,四个需要挤压成型的S17的螺栓孔及四个工艺凸台,在零件的底侧面还有16个等距的通风孔。由于零件的形状极为复杂,工序又多,使得零件安装面的结构形状好坏将直接影响车轮在行驶时的稳定性、平顺性以及配套轮胎的使用性能和使用寿命,以上这些情况在模具设计时均应予以考虑。2.1.2 轮辐加工工艺方案的确定围绕着该零件的技术难点和使用要求, 经过分析、探索, 并借鉴同种类型的车轮轮辐加工工艺, 该零件可以选择如下冲压工艺方案9：圆形件落料 - 轮辐拉伸成形 - 冲中心孔及螺栓孔 - 冲侧壁十六个通风孔 - 挤螺栓孔 - 切边。由于该零件结构形状极复杂,加工工序较多,减少工序间

34、的相互影响极其重要。该零件的形状复杂,成形时易起皱, 拉伸成形模上需考虑加压边装置；冲中心孔时,应保证不破坏拉伸成型的零件底部形状；孔的边缘变薄严重,容易出现裂纹,要求提高中心孔的加工精度,减少孔边毛刺及加工硬化；冲中心孔及底部的螺栓孔和工艺孔后,冲侧壁十六个通风孔时,由于有较大的侧向应力存在,应避免中心孔和螺栓孔和工艺孔变形。该零件的成形难点在零件的拉伸成形,轮辐零件拉伸成型的质量将一定程度上直接决定该轮辐零件的最终质量。拉伸成型结束后,冲中心孔、螺栓孔和冲十六个通风孔相对比较简单,并且可以保证其尺寸精度。因此本设计着重对拉伸成形模具的设计进行论述研究。对落料模、冲中心孔及螺栓孔和十六通风孔

35、模、挤孔螺栓孔模等设计只做简要介绍。2.1.3零件毛坯尺寸的确定因为该零件为中心对称的筒形件,因此坯料可直接为圆形,根据复杂形状旋转体零件的坯料求解公式进行坯料尺寸计算,具体方法是：把形成旋转体的绕轴母线分为若干直线或圆弧l1, l2, ln,找出每一段母线的重心,并求出每段母线重心到轴线的旋转半径之后求和,据等面积原理和重心法原理,毛坯直径为10：将如图2.2所示尺寸代入式得圆形毛坯直径为518mm。还可利用有限元软件,将零件导入有限元软件Dynaform之后利用BSE模块,进行坯料反求得其坯料尺寸。此外,坯料尺寸还必须进行拉伸成形模试验进一步修正,再切割毛坯进行试验。一般经过13次修正即能

36、满足要求。图2.2 毛坯尺寸计算2.2拉伸模具设计2.2.1工艺分析 计算毛坯直径毛坯尺寸在2.1.3中以计算得毛坯直径为518mm。 判断拉伸次数工件总的拉伸因数 =d1/D=381/518=0.726毛坯的相对厚度 t/D=3.5mm/518mm=0.0068查模具设计简明手册知,该拉伸模需要加压边圈。查模具设计简明手册得,总拉伸因数为在0.61.0之间时,首次拉伸的拉伸因数为m 1=0.530.55。此时,m 1则对于无凸缘拉伸件的工件只需一次拉伸成型。2.2.2进行必要的计算计算压边力、拉伸力11a由文献 计算压边力 查实用冲模设计手册表4.13,取单位压边力P为3Mpa。其中,D=5

37、18mm,d1=381mm,r凹=5mm将以上数据代入公式2.2,则有=5182-23=272006.2Nb计算拉深力由于待加工零件是采用带压边圈的圆形件,则由冲压模具简明手册表知2.3由冲压模具简明手册查得修正因数K=1.0,Q235钢的强度极限是475Mpa。将以上各参数代入公式2.3得拉伸力为=1971643.9N C压力机的公称压力为=1.4=3141.6KN故压力机的公称压力要大于3141.6KN,应取4000KN。模具工作部分尺寸计算a拉伸模的间隙由模具设计简明手册4.53,查得拉伸模的单边间隙为：=1t=13.5=3.5mm则拉伸模的间隙为Z=7mm。 b拉伸模的圆角半径凹模的圆

38、角半径17.5mm凸模的圆角半径=14mmC凹凸模工作部分的尺寸和公差,由于工件要求外形尺寸,则以凹模为设计基准。凹模尺寸： 凸模尺寸： 由模具设计简明手册表4.56得=0.20mm,=0.140mm,把D=381mm,=0.4mm,代入式2.4 ,得凹模和凸模尺寸分别为：=380.7mm = 373mm 3实体设计模具的工作零件、定位零件、压料和卸料零件、导向零件、连接和紧固零件、弹簧等零件的设计,首先按冷冲模国家标准选用,若不能按标准选择,则对其进行设计。3.1凸、凹模的设计3.1.1凹模设计该凹模的形尺寸由计算知380.7mm,由于轮辐材料为厚钢板,所需的变形力比较大,模具必须有足够强度

39、和刚度。所以选择该凹模的外型尺寸为480mm,高度为60mm。活动凹模通过卸料螺钉和弹簧与上模板连接,活动凹模高度为80mm,活动凹模高度与凹模高度相对应,以保证零件形状。其中,活动凹模用的弹簧在自然状态下应使活动凹模比凹模凸出10mm。当上凹模处于自由状态时,活动凹模较外活动凹模处于较低位置。这样,当滑块带动上模下降时,活动凹模首先与板料接触,能起到一定的压料作用,从而保证制件的质量。当拉伸完成时,滑块带动上模上移,直壁凹模在上模固定座的带动下向上移动,而活动凹模则在压缩弹簧的作用下不动,使拉伸件不能停留在凹模,这样,就可以保证拉伸件肯定会脱离凹模,达到卸料的目的。3.1.2凸模设计因凸模尺

40、寸较大,也将其设计成镶块结构。凸模与活动凹模形状尺寸相对应。外凸模固定于下模固定板上然后与下模座相连,凸模底部有一厚度为10mm,宽度为10mm的环形槽,以保证其与下模固定板之间的定位。3.1.3压边结构设计本模具压边采用半固定压边装置,压边圈外圆尺寸与凹模外型尺寸相同,圆尺寸为381 mm,厚度为60mm,压边圈由卸料杆和弹簧相连接,同时起到压料和卸料作用。3.2模具架标准件选用冲模模架由上、下模座及导向装置导柱与导套组成。根据上、下模座材料性质分为铸铁模架与钢板模架两种,根据导向装置中导柱与导套间的摩擦性质,模架又可分为滑动与滚动导向模架两大类。每类模架中又可由导柱的安装位置及导柱数分为多

41、种12。如图3.1所示,本模具模架设计采用按国标选用铸铁中间导柱模架。其凹模面积是导套间的有效区域,其具有导向精度高、上模座在导柱上,运动平稳的特点 。 图3.1 模架结构图根据凹模周界为480mm,因此选用模架500500320360,其中上模板为下模板为3.3压力机的选择压力机的选择主要包括类型和规格选择。压力机类型的选择主要依据所要完成的冲压性质、生产批量、冲压件的尺寸及精度等。压力机规格的选择主要依据冲压件的尺寸、变形力及模具尺寸等,选择压力机规格时主要选择压力机的公称压力、闭合高度等参数,闭合高度要在模具零件设计完之后,进行必要的校核再确定具体尺寸。1 公称压力的选择拉伸时,所选压力

42、机的公称压力要大于拉伸力的总和,即P0F压 其中,F压=3141KN,所以,本压力机的公称压力可初选为4000KN,选择型号为闭式单点单动压力机,其标称压力为4000kN。2 闭合高度压力机的闭合高度是指冲模在最低工作位置时,上模座上平面至下模座下平面之间的距离。a 压力机的闭合高度可以通过调节连杆长度来改变其大小,将连杆调至最短时,闭合高度最大,称最大闭合高度。将连杆调至最长时,闭合高度最小,称最小闭合高度。标称压力为4000kN闭式单点单动压力机最大装模高度为550mm,装模高度调节量为250mm。b模具的闭合高度是指模具在最低工作位置时,上模座上平面至下模座下平面之间的距离。它与压力机的

43、配合应该遵守下列关系Hmax-H1-5 H Hmin-H1+10 压力机上设置垫板,将模具闭合高度代入式2.6得模具的闭合高度为：499mmH 245mm其中,Hmax压力机的最大闭合高度；Hmin压力机的最小闭合高度；H模具的闭合高度mm ；H1垫板厚度。c压力机工作面尺寸应大于下模周界5070mm,所选型号压力机的工作台面尺寸前后左右为800800mm,远远满足要求。d模具的压力中心应与冲床滑块轴线重合,否则冲模在工作中就会产生偏心负荷弯矩,模具发生歪斜,导向机构不均匀磨损,直接影响模具寿命和冲压件质量。此拉伸零件为轴对称零件,其压力中心就是工件的对称中心。凹模中心、下模座中心及模柄中心应

44、该在一条直线上。3.4模具的总体结构针对拉伸中可能出现的问题 ,在成形模上增加了压边圈 ,同时增加压制停留时间,能有效地解决拉伸中出现的问题。由于零件是以原点对称的,故毛坯各部分能均匀地进入凹模,但零件容易在凹模卡紧,有时无法靠弹性卸料自动弹出,为了防止零件在凹模中卡紧我们将拉伸模改为凹模在上的倒装结构,并采用卸料螺钉卸料,冲压出来的零件能够满足设计的要求13。图2.41.上模座 2.导柱 3.导套 4、12.定位销 5、6、18、24、25固定螺钉 7、27卸料螺钉 8、26弹簧 9.模柄 10.止动销 11.活动凹模 13.上模固定座14.导柱 15.导套 16.凹模17.定位圈 19.压

45、边圈 20.下模座 21.外凸模 22.垫板 23.凸模 由于该零件结构复杂,且尺寸较大,因此,该模具的凸、凹模不能设计为整体结构,应采用凸、凹模镶块结构,镶块结构有利于模具维修及镶块更换。模具结构图拉伸成形模具结构如图2.4所示,由于轮辐材料为厚钢板,所需的变形力比较大,模具必须有足够强度和刚度。模架采用中间式导柱,下模板放在垫铁上,构成空腔以放置推料板,凹模16、活动凹模11和上模固定座13构成凹模腔,活动凹模还兼卸料作用,能在凹模腔靠压缩弹簧作用上下移动,活动凹模11装有3个压缩弹簧。当上模在自由状态时,活动凹模11较凹模16伸出一段距离,在压缩弹簧8作用下,起到了预先压料作用,并能防止

46、轮辐翘起,限制轮辐轴向位移,且卸料时,活动凹模11较凹模16继续下降一段距离,保证轮辐零件能够顺利脱离凹模。外凸模21、凸模23、垫板22固定于下模座上,当下模在自由状态时,将轮辐放置在压边圈19上使其定位,凸模外径处的压边圈19与凸模采用较精密的配合,以保证压边圈上下精确运动,并起到卸料作用。垫板22用于轮辐厚度限位,以便对轮辐料厚度不一进行控制,保证压边力均匀一致。3.5模具工作过程模具工作时,上模固定于4000 kN压力机滑块中,下模安装于工作台上。开动冲床,使工作台气垫顶杆落在推料板的合适位置上,调整冲床工作行程后,将轮辐放到压边圈上。冲床滑块下行,凹模接触轮辐后一起压在压边圈上,使压

47、边圈下移,在推杆作用下冲床气垫压缩,板料开始拉进凹模腔,滑块继续下行,上模矩形弹簧逐渐压缩,活动凹模11首先与板料接触,之后凹模16与板料接触,直至板料全部进入凹模,达到极限位置,从而完成了轮辐拉伸成形任务。同时,为提高拉伸成型质量,可增加压制时间,能有效地解决拉伸中出现的问题。之后,滑块上行,上模退出凸模,活动凹模11受压缩弹簧的推动,使轮辐不随凹模上行,与此同时冲床顶出缸通过推杆、推料板和压边圈将轮辐顶出卸料,完成一个工作循环。4建模、装配与动画4.1 模具零件的设计根据前面的设计计算结果,采用Pro/E三维实体建模板块,对该模具各零部件进行设计。在主菜单中选择文件新建,打开新建对话框,在

48、该对话框左侧类型选项中选择零件,右侧子类型默认为实体。在名称对话框中输入零件名称。使用缺省模板,建立各零件模型,点击绘图工具栏中的拉伸、旋转、倒圆角、阵列、镜像等命令进行实体建模14。主要零部件设计如下：图4.1活动凹模 图4.2凹模图4.3凸模 图4.4 凸模 图4.5 上模座 图4.6模柄图4.7下模座 图4.8 垫板 图4.9 定位圈 图4.10 压边圈4.2 模具组件的装配在主菜单中选择文件新建,打开新建对话框,在该对话框左侧类型选项中选择组件 ,在名称对话框中输入零件名称。使用缺省模板,将所建立各零件模型进行装配组合。点击绘图工具栏中的导入按钮,导入要进行组装的零件,然后点击放置按钮

49、创建约束,直至为完全约束15。为了表述清楚配合关系,部分零件采用了半剖画法,先将活动凹模等相关零件组装成组件,然后分别将活动凹模组件、外凹模件、上模板、导套、模柄等导入上模组件,建立上模组件,如图所示：图4.11 活动凹模组件 图4.12 上模组件对于下模组件和压边圈组件亦采取相同的方法,建立下模组件和压边圈组件,如图所示：图4.13 下模组件 图4.14 压边圈组件最将各个组件导入装配图组件中,建立最终的总装配图组件,如下图所示：图 4.15 总装配图4.3制作动画在装配图中,制作动画的关键是解除装配图中组件的约束,具体步骤是先选中组件进入编辑定义,在放置中解除组件约束。图4.16 图4.1

50、7然后在工具栏中,单击应用程序,选择动画,进入动画编辑模式；再单击工具,选择时域,进入动画时域对话框,对起始时间、终止时间和帧数进行定义,如图所示：图4.18 图4.19 图4.20接着单击拖动元件,出现拖动对话框, 单击拍摄当前配置快照图标,获得当前图像。在高级拖动选项中,选择Z方向移动图标,再移动装配组件至下一位置,进行下一次拍照,直到完成所有运动过程。 图4.21 图4.22所有拍摄完成以后,单击关键帧序列,出现编辑对话框,选择合适的帧,进行添加和排序,每一帧之间的时间是可以调节的,完成排序。 图4.23 图4.24排序完成后,单击启动,观察生成的动画,如果动画符合要求,则单击导出,导出

51、动画；如果不符合要求,则重新对组件进行拖动和拍照,直到得到所需结果,再导出动画。 图4.25 图4.265轮辐拉深成型过程计算机模拟5.1 数值模拟有限元分析5.1.1 数值模拟技术在板料成形过程中的应用随着数值分析技术、塑性成形理论和计算机能力的发展以及对冲压过程越来越深刻的认识和理解,板料成形过程的数值模拟技术也开始逐步走向成熟。目前,国外数值模拟技术在板料成形过程中的应用围主要集中在起皱和裂纹的预测与消除,回弹的计算,压边力的确定,毛坯尺寸的计算,润滑方案的化以及模具磨损的预测和改善等方面。其具体在拉裂、回弹、起皱和确定压边方面的应用如下：1 预测和消除拉裂：拉裂是板料成形工艺失效的一种

52、主要形式,避免拉裂通常是设计中的一大难题。采用数值模拟技术能够较为准确地计算材料在冲压成形过程中的流动情况,从而准确地得出应变分布和板料壁厚减薄的情况。这就为判断模具和工艺方案产生拉裂的可能性提供了科学可靠的依据16。2 计算回弹：回弹是板料冲压成形过程中不可避免的现象,它的存在影响了件成形的精度,增加了试、修模以及成形后校形的工作量。如何精确地计算工件可能产生的回弹是一个复杂的问题,也是传统的冲压成形设计方法无法解决的问题,而数值模拟技术的产生为计算冲压件的回弹提供了有效的工具。3 确定压边力：压边力的确定实际上与起皱和拉裂的预测紧密相关。压边力太小,工件就会起皱,若压边力太大,工件就有被拉

53、裂的危险。当模具基本确定后,可根据经验粗选压边力大小,然后再对成形过程进行数值模拟。4 预测和消除起皱：起皱是薄板冲压成形中常见的失效形式之一。轻微的起皱将破坏冲压零件的光顺性,影响零件的几何尺寸精度,起皱严重到一定程度零件将报废。数值模拟能较好地预测给定条件下工件可能产生的起皱,并通过修改模具或工艺参数予以消除。当数值模拟结果显示有起皱现象时,就必须对原有工艺方案甚至模具作一定的修改,然后再进行数值模拟。5.1.2 有限元分析方法20有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域,飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法,随后

54、很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元法的实质上是把具有无限个自由度的连续体系统理想化为只有有限个自由度的单元个体,使问题转化为适合于数值求解的结构。有限元法的原理清楚,概念准确,使用者和学习者可以在不同的水平上建立起对该方法的理解。有限元法可以用来求解工程中许多复杂的问题,特别是采用其他数值计算方法如有限元差分法求解困难的问题,如复杂结构形状问题,复杂边界条件问题,非匀质、非线性材料问题,动力学问题,黏弹性流体流动问题等。有限元法采用矩阵形式表达,便于编制计算机程序,从而可以充分利用高性能计算机的计算优势。由于有限元法计算过程的规化,国外有许多通用程序可以直接套用,

55、非常方便。目前,有限元法在理论上和应用上还在不断发展,今后将更加完善,使用围也会更加广泛。5.2 Dynaform软件对成型件进行分析5.2.1 Dynaform软件介绍Dynaform软件是美国ETA公司与LSTC公司共同推出的针对板料成形数值模拟的专业软件,该软件能为成形模拟提供多种单元类型,模仿各种接触条件,提供上百种常用冲压材料,布置拉延筋,能模拟从简单的拉延到复杂的多工步成形等各种冲压成形过程,得到厚向应变图、分布应力图、成形极限图和具有真实感的成形过程动画等。设计人员可以依据模拟结果分析冲压零件的可成形性,判断冲压件的危险部位等。该软件界面友好,操作简便,结果直观。利用Dynafo

56、rm软件可以预测成形过程中板料的裂纹、起皱、减薄、划痕、回弹,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包括板料成形分析所需的与CAD软件的接口、前后处理、分析求解等所有功能。在众多的软件中,不同的软件采用不同的算法。因此,选择合适的软件对于不同的成形分析要求具有较大的差别,而且不同的软件求解效率和精度也有很大的差别17。Dynaform软件作为板料成形数值模拟专用软件,它对板料成形数值模拟作了专门的开发,例如它为板料成形模具设计提供了压边圈、拉伸模、回弹和多步模具等四个方面的模拟,减少了有限元建模的时间,程序运行快。其次, Dynaform程序容易掌握,对用户的

57、素质要求不高,在实际生产设计中能够高效地工作。目前,全世界各大汽车、航空、钢铁公司以及众多的大学和科研单位都广泛使用该软件,在我国汽车、长安汽车、宝钢、中国一汽、大众汽车公司等知名企业Dynaform都己经得到了成功应用。使用Dynaform不仅能够缩短产品的开发周期、提高产品的设计质量、节省人力物力,而且预测出重大设计缺陷并加以避免。在Dynaform的最新版本中,包括DFE模块、BSE模块、TFH模块,能更好的解决生产、模具设计过程中的各种问题。5.2.2成型模拟的一般步骤应用Dynaform软件对冲压零件进行板料数值模拟的一般步骤如下18： 曲面模型的建立：按以下步骤建立几何曲面模型：

58、在Pro/e 2.0建立各个分析工步的模具和毛坯的三维实体造型；分析每副模具成形加工的接触情况,经过适当的处理,依次提取接触曲面及毛坯平面；将各曲面转化为IGES格式文件；Dynaform分别读入这些几何模型文件。 单元划分：一般先采用自动单元划分法对曲面模型划分单元.如果曲面模型的形状过于复杂,或存在多曲面组合的曲面模型,就会使单元划分出现误差或单元面法向不一致,难以得到正确的划分结果.因此单元自动划分后要检查单元质量,找出有缺陷的单元,进行手工修补。 分析模型建立：将各单元集分别定义为模具、工件和压边圈,设置必要的工艺参数,如动模运动曲线、压边圈运动曲线和力曲线、材料性能参数及摩擦系数等。

59、多工步分析在确定加工位置时应特别注意,不能移动引入的上一步分析的工件单元信息模型.这是因为前一步分析数据中含有成形工件的单元节点的坐标位置数据,如果发生移动,就会在运算判断中由于的应力、应变数据与单元节点不能对应而产生错误.分析计算：计算完成后,会生成一个带有节点坐标、应力、应变等完整信息的成形工件的数据文件和一些成形加工过程的仿真结果文件,这些文件可以建立下一步仿真分析的模型. 仿真结果后置处理：仿真结果后置处理模块根据运算结果,对成形过程进行全程动态仿真.用户可以选择彩色云图或等高线方式观察工件的单元、节点处的厚度、应力或应变的变化情况。此外,可以采用截面剖切方式,得到要求的特殊截面,观察

60、目标参数情况,并可以输出结果数据文件。5.3拉深成形分析5.3.1 曲面模型的建立在Pro/e 2.0建立各分析工步的模具和毛坯的三维实体造型为了简化之后的计算,可将零件上的螺纹孔及其它孔省略,完成零件特征。用PRO/E生成DYFORM19零件表面的方法：方法一：创建零件,然后画出一个零件只能画一个,因为通常都是旋转生成的,而pro/e只允许有一个未封闭曲线,旋转生成表面后保存,然后可以另存为表面igs格式,选择曲面,保存即可。可对该文件进行Dynaform导入。这种方法只能一个一个地画表面,逐个导入到Dynaform。方法二：创建实体零件,实际创建壳体还未尝试完全为实体的情形,选择厚度为0.5mm,然后画出表面。5.3.2 导入文件在菜单栏中,选择FileImport,弹出如图5.1所示的Import File对话框,然后选择零件导入,单击确定。 图5.15.3.3 模具的网格化在工具栏File菜单中单击Import命令选取目标文件aomo.ige,所生成的图形如图5.2所示,用PartsTurn on选取零件层。图5.2Dynaform中大多数的网格都是使用曲面网格划分的。这个功能将按照所给的曲面数据自动生成网格,是一个非常快速便捷的网格划分工具。先设置当前零件。选择菜单Prepro