薄壁变曲率半管拉深研究毕业设计论文.docx
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薄壁变曲率半管拉深研究毕业设计论文
本科毕业设计论文
题目C919机翼灯罩拉深成形数值模拟
设计
论文
毕业任务书
一、题目
C919机翼灯罩拉深成形模拟
二、指导思想和目的要求
课题来源本课题来源是导师的自选研究课题,是一种对基本工艺、基本理论、模拟方法、实验等的研究;本课题主要研究机翼灯罩的建模和拉深模拟计算分析的理论计算以及实验研究。
涉及的内容主要是在考虑拉深变形实际中灯罩材料曲率变化规律和冷变形硬化规律的基础上,进行拉深工艺模拟分析的研究等。
这些问题中有的内容前人已有了一定的研究但不够深入,对于较复杂拉深成型工艺模拟目前国内研究较少。
因此,探讨和研究这些内容都是具有较大的理论价值和实践意义,这些内容的预期研究结果必将对拉深工艺乃至冲压工艺理论的完善和对冲压实践水平的提高产生积极的影响。
研究内容:
C919机翼灯罩拉深成形数值模拟。
我用CATIA软件对源文件进行补面拓展建立三维模型作为拉深的工具,然后导入PAM-STAMP软件做模拟拉深成型。
要求模拟计算出拉深成型的相关参数,要有效的解决拉深过程中出现的板料定位难、起皱、破裂等问题。
三、主要技术指标
拉深用的工具:
Die、binder_source、punch_source、punch、blankholder、blank其中die就是CATIA建立的三维模型作为拉深凹模,blank_line(板料线)、drawbead(拉边筋)在CATIA里面直接做出即可。
drawbead提取Die里面相关边界。
其余在pam-stamp里面做,就是拉深模拟的前处理部分。
Blankholderforce=500KN、材料铝合金、毛坯尺寸2X600X1600、图凹模间隙2.2mm、板料厚度2mm、拉深后板料厚度变化幅值、应力变化幅值。
四、进度和要求
1-2周学习CATIA和PAM-STAMP软件;
3-4周学习CATIA和PAM-STAMP软件;
5-6周找资料做模拟练习;
7-8周找资料做模拟练习;
9-10周正式建模做拉深准备工作;
11-12周用pam-stamp做模拟并做改进。
13-14周用pam-stamp做模拟并做改进。
15周开始写论文并修改。
16改论文、做PPT准备答辩。
五、主要参考书及参考资料
【1】李小强,周贤宾,李东升铝合金薄壁件拉伸成形工艺仿真研究进展术[J]北京航空航天大学机械工程及自动化学院528航空制造技术·2007年增刊
【2】贾春莉,张杰刚,张玉强,李玉梅,刘绍林,郝文龙基于PAM-STAMP三通半管拉深成形工艺的模拟[J]北京《热加工工艺》2012年第03期
【3】张玉田薄壁波纹管拉伸位移条件下周向稳定性研究[D]硕士学位论文2007
【4】林明山铝合金板材易拉罐变薄拉伸技术分析漳州职业技术学院[J]
《模具制造》2007年第7期
【5】崔长齐,林晨华,武美,闫绍国,马红玉变薄拉深成形过程中毛坯开裂的原因[J]分析与预防《精密成形工程》2013年第3期
【6】谭欣珍拉深工艺的试验研究及有限元模拟[D]硕士学位论文南昌大学
【7】程永奇,陈振华,傅定发镁合金拉深工艺的研究与进展[J]《热加工工艺》2004年第11期工艺技术
【8】范立坤,王荣,张平,丁文江AZ31镁合金板料等温拉深[J]《热加工工艺》2008年第37卷第3期
【9】李奇涵,李明哲,王娟,毛茂基于变压边力控制的拉深成型数值模拟研究[J]长春工业大学,吉林大学
【10】翟平,林兆荣飞机钣金成型原理与工艺[M]西北工业大学出版社2012年1月
【11】李泷杲金属板料成形有限元模拟基础[M]北京航空航天大学出版社ISBN:
97878112444342008-10-1
【12】陶宏之,何丹龙,彭颖红多次拉深成型建模关键技术研究[J]上海交通大学塑性成型工程系DieandMouldTechnologyNo.51999
【13】马 宁,董湘怀第Ⅱ类尺度效应对微拉深成形的影响[J]塑性工程学报第14卷第1期2007年2月
【14】李恒,杨合,詹梅,林艳,谷瑞杰薄壁件塑性成形失稳起皱的国内外研究进展[J]西北工业大学材料学院,西安710072机械科学与技术第23卷第7期2004年7月
【15】俞汉清,陈金德金属塑性成型原理[M]机械工业出版社2012年1月第一版
【16】林艳薄壁管数控弯曲成形过程失稳起皱的数值模拟研究[D].西北工业大学,2003
【17】叶又,彭颖红,阮雪榆板料成形数值模拟的关键技术及难点[J]塑性工程学报,1997
【18】石京,王先进国内外冷弯成型研究最新进展[J]北京科技大学压力加工系,100083轧钢1998年10月第5期
【19】北京兆迪科技有限公司 CATIAV5R21曲面设计教程[J]机械工业出版社2013年4月1日
学生宋锋涛指导教师王永军系主任魏生民
摘要
拉深成型是钣金成型工艺的一种又可称拉延,是利用拉深模将一定形状的平面坯料或空心件制成开口空心件的冲压工序。
拉深工艺可以在普通的单动压力机上进行,也可在专用的双动、三动拉深压力机或液压机上进行。
它是冲压基本工序之一。
可以加工旋转体零件,还可加工盒形零件及其它形状复杂的薄壁零件。
包括变薄拉深和不变薄拉深。
拉深模特点:
结构相对较简单,与冲裁模比较,工作部分有较大的圆角,表面质量要求高,凸、凹模间隙略大于板料厚度。
板料冲压成形是利用模具对金属板料进行压力加工,以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。
拉深是板料冲压成形中最典型、应用最广的一种成形工艺,在生产实际中,有很多要用到拉深工艺方法制造的零件。
通用的板料成型有限元模拟软件有:
DynaForm、ABAQUS、PAM-STAMP、DEFORM等。
这些软件可以优化设计过程,缩短模具设计和制造周期;通过各种力学模拟,提高冲压件质量等优点。
针对我要做的机翼灯罩毛坯料厚度薄,成形后厚度要求严格易于起皱、破裂,结构复杂等难于成形特点,对机翼灯罩拉深成形过程的进行了研究。
并用CATIA对其毛坯进行拓展建立其三维模型,运用PAM-STAMP模拟软件研究不同参数下半管成形后的厚度和质量,分析了凹模圆角半径、凸凹模间隙、压边力对零件成形质量的影响,并获得了最优的工艺参数。
用于指导生产,可降低生产周期和成本。
关键词:
机翼灯罩;CATIA;PAM-STAMP;拉深;数值模拟
Abstract
Deepdrawingformingisakindofsheetmetalformingprocessanddrawingcanbesaid,istheuseofdeepdrawingdiewillsurelyintheshapeofaflatblankorhollowpartsmadeopeninghollowpartsstampingprocess.Deepdrawingprocesscanbe,intheordinarycourseofsingleactionpresscanalsobeusedinspecialdoubleacting,threeonthedeepdrawingpressorhydraulicpress.Itisoneofthebasicprocessstamping.Canprocessingofrevolvingparts,butalsoprocessingboxshapedpartsandothercomplexshapethin-walledparts.Includingthinningdrawingandthesamethindeepdrawing.Deepdrawingmodelpoints:
structureisrelativelysimple,comparedwithblankingdie,workpartswithlargeroundedcorners,highsurfacequalityrequirement,convexandconcavedieclearanceisslightlygreaterthanthethicknessofthesheetmetal.Sheetmetalstampingistheuseofmouldsforsheetmetalpressureprocessing,inordertoobtaintheshape,sizeandperformanceoftheproductdesignneedsparts.Ithasadvantagesofsavingmaterials,highefficiencyandlowcost,isthemechanical,electronicinstrumentationandaerospaceetc.Oneofimportantprocessingtechnologyinmanufacturing.Deepdrawingstampingsheetmetalpartsareoneofthemosttypicalandthemostwidelyusedintheformingprocess,intheactualproduction,therearemanyfabricationtechniquesfordeepdrawingparts.Generalsoftwareoffiniteelementsimulationofsheetmetalforming:
DynaForm,ABAQUS,PAM-STAMP,DEFORM,etc.Thesoftwarecanoptimizethedesignprocess,shortenthediedesignandmanufacturingcycle;Throughavarietyofmechanicalsimulation,improvethequalityofstampingparts,etc.
ForIwanttomakeablankmaterialthicknessthinwingsofthechimney,formingthicknessafterstricteasycorrugate,rupture,difficulttoformingcharacteristicssuchascomplicatedstructureofthewingchimneydeepdrawingprocesswasstudied.UsingCATIAtoexpanditsblanktobuildthe3Dmodel,theuseofPAM-STAMPdifferentparametersofthesecondhalfofthetubeformingsimulationsoftwareresearch,thethicknessandqualityanalysisoftheconcavedieradius,convexconcavedieclearanceandblank-holderforceimpactonthequalityofpartsforming,andobtainedtheoptimumtechnologicalparameters.Usedtoguidetheproduction,canreducetheproductioncycleandcost.
KEYWORDS:
Wingchimney;CATIA;PAM-STAMP;drawing;numericalsimulation
1.2拉深成形研究的基本方法和技术4
1.2.1数值模拟计算.................................................4
1.4拉深成形研意义及发展趋势8
1.5小结9
2.5拉深和冲压成形中的硬化现象....................................13
2.5.1板料成型工艺硬化分析.........................................13
第一章绪论
1.1拉深成形的发展现状
国内外关于拉深的研究主要集中镁、铝合金等板材拉深成形工艺分析与模具设计、板料等温拉深、薄壁金属冲压拉深成型工艺、矩形件拉深成型工艺研究等方面。
如范立坤的AZ31镁合金板料等温拉深通过实验得出:
在精确控制压边力以及采用良好的润滑条件的前提下,AZ31镁合金板料在200℃以下具有良好的拉深成型能力;当成型温度为150℃时,极限拉深比为2.0。
当在100℃进行拉深时,单位压边力数值最大;柳南关于薄壁金属冲压拉深成型工艺的探讨论述了拉深常出现的问题及解决措施。
唐德修的薄壁金属冲压拉深成型工艺的研究主要针对内燃机主发电机油箱冲压拉深的成型过程以及出现的拉薄,拉裂,压缩起皱等问题最后得出结论:
对薄壁金属冲压拉深成型工艺研究表明,控制安普安变形率ε的值是提高残品质量的核心。
王广林做的矩形件拉深成型工艺研究、郜瑞镁合金板材拉深工艺的研究与进展等。
对于拉深成型国内外主要研究方法有:
数值模拟计算、实验法、理论分析法等。
其中数值模拟计算有:
解析方程-解析解、解析方程-数值解、建立有限元模型。
通常是数值模拟,实验,理论分析相结合的。
1.2拉深成形研究的基本方法和技术种类
1.2.1数值模拟计算
1-1有限元法数值计算是目前分析塑性成形问题最有力的工具,但对于板料成形因涉及到几何物理及边界多重非线性并存问题,计算量大,进行系统的分析需要大量计算时间。
目前国内这方面的研究其中有哈尔滨工业大学金属精密热加工国防科技重点实验室的刁法玺、张凯锋进行的动力显式有限元模拟,他们建立了适合于三维板料成形分析的显式算法的有限元数学模型,采取集中质量矩阵,用动力显式算法来分析,基于时间中心差分格式,使位移计算显式化,避免了由材料、几何、边界条件等高度非线性因素引起的计算收敛问题。
并根据该模型开发了动力显式算法的板料成形过程模拟的有限元分析程序。
有限元模拟软件有:
DynaForm、ABAQUS、PAM-STAMP、DEFORM等。
这些软件可以优化设计过程,缩短模具设计和制造周期;通过各种力学模拟,提高冲压件质量等。
1-2解析方程-解析解需要对成形模型进行很多假设,早期北京航空航天大学704教研室的曹增强、胡世光进行的半球形拉深件成形研究,推导出了计算每一瞬时的应力公式,解析方法直观,便于分析影响应力的因素,容易总结出经验公式。
但这种算法进行很多假设,比如板料厚度变化均匀、简单加载、理想塑性材料等条件,有些部分与实际情况不符合。
1-3解析方程-数值解虽然和解析方程-解析解一样,需要写出较符合模型的力学方程、本构方程和几何方程,但不推导最后的计算表达式,而是用计算机进行数值计算。
这种算法在进行力学分析的时候,只需做很少的假设或者不做假设。
通常力学方程是微分形式的,本构、几何方程是代数形式的,可以把力学方程离散化,全部变成代数方程来求解,比如D.M.Woo的算法。
这种算法对函数的要求低,但它通常写为隐式的,在分析像板料成形这样高度非线性过程时,初值难以确定和计算耗时的问题尤为突出。
1.2.2拉深成型实验研究和数值模拟。
先数值模拟在实验没有单纯用实验研究的。
因为实验中出现的起皱、破裂等问题最终还得依赖有限元软件模拟来解决。
如程永奇等的《镁合金拉深工艺的研究与进展》结合作者的研究论述了在镁合金拉深过程中模具结构、成形温度、拉深速度、润滑条件、压边方式等对拉深成形效果和极限拉深比的影响。
作者分析了模具结构中影响镁合金拉深成形的因素包括模具凸凹模间隙、冲头圆角半径、凹模圆角半径、模具形状即拉深件形状等的选取原则及对拉深件的影响。
对成型温度作者讨论得出:
镁合金在常温下塑性变形能力有限,但在合适的温度下,其塑性变形能力即可得到提高。
对于需热拉深的零件最为简单的加热方式是将拉深模具和镁合金板料一起置于加热装置中加热,该种方式设备简单,模具与加热装置分离,模具温度由外向内成递减的温度场。
作者研究了恒定压边力、固定间隙式压边和弹簧压边的三种压边形式,经实验发现将三种压边方式结合起来使用,效果会更好。
作者最后展望了镁合金拉深工艺研究的发展方向与趋势:
(1)对其它材料拉深工艺的研究镁合金板料的材料性能与拉深成形的关系,为镁合金材料的设计与生产提供技术依据与要求;
(2)研究开发新的拉深成形工艺或运用已开发的先进的拉深成形工艺,以提高镁合金的拉深成形能力与生产效率;(3)结合有限元分析,预测其成形能力,为镁合金拉深模具的设计、拉深工艺的制定提供依据和指导,降低成本,提高效率;(4)对拉深模具的几何形状进行优化设计,以提高其成形能力;(5)对镁合金拉深变形中各种性能及工艺参数的进行研究明确成形后零件的性能是否满足要求并根据产品使用性能要求进行拉深工艺的设计与优化。
1.2.3屈服准则和和材料硬化理论研究。
一般是先工艺试验,数值模拟试验,之后才捎带着做一点理论探讨。
没有发现单纯搞拉深理论研究的人。
理论依据主要是密席斯屈服准则和屈雷斯加屈服准则。
这两个原则只适用于各向同性理想刚塑性材料,即屈服应力为常数的情况。
实际上,材料经塑性变形后,要产生应变硬化,因此屈服应力并不是常数.屈服准则将发生变化。
在变形过程的每一瞬间,都有一后继的瞬时屈服表面和屈服轨迹。
后继的瞬时屈服轨迹的变化是很复杂,为了简化起见,通常采用“各向同性硬化假设"。
谭欣珍在其硕士学位论文《拉深工艺的试验研究及有限元模拟》中在工艺试验的基础上,根据工艺试验和模拟试验结果,并利用塑性力学中的主应力法和材料硬化理论,推导了一个计算圆筒拉深力的新公式。
归纳拉深力计算的不同方法,并进行比较。
作者认为国内外公认统拉深力理论公式未考虑加工硬化或硬化规律选用不妥,并假定材料厚度不变。
该文中作者用密席斯屈服条件,利用主应力法推导出变形瞬间拉深力计算公式。
按新模型公式得到的拉深力与前述实验中实测出的拉深力以及前述模拟所得的拉深力进行比较得出计算值与实验值和模拟值十分接近,其误差值只有5%左右,表明新建立的模型与拉深变形的实际是基本相符合的。
这一拉深力新公式对拉深工艺产生了非常积极的影响,同时对其理论研究也有一定促进。
1.3拉深系数和拉深次数确定
1.3.1拉深定义及拉深模
拉深又称拉延,是利用拉深模在压力机的压力作用下,将平板坯料或空心工序件制成开口空心零件的加工方法。
它是冲压基本工序之一。
可以加工旋转体零件,还可加工盒形零件及其它形状复杂的薄壁零件。
按拉深后试件是否变薄可分为:
不变薄拉深和变薄拉深拉深模:
拉深所使用的模具。
它的特点是:
结构相对较简单,与冲裁模比较,工作部分有较大的圆角,表面质量要求高,凸、凹模间隙略大于板料厚度。
1.3.2拉深基本过程
拉深是基本冲压工艺之一,包括:
拉深变形过程分析、拉深件质量分析、拉深系数及最小拉深系数影响因素、试件的工艺计算、拉深变形特点、拉深工艺性分析与工艺方案确定、拉深模典型结构、拉深模工作零件设计、辅助工序等。
也可分为:
一次拉深和多次拉深。
具体拉深次数有拉深系数决定。
1.3.3拉深系数确定
拉深系数m:
是以拉深后的直径d与拉深前的坯料D(工序件dn)直径之比表示。
第一次拉深系数第二次拉深系数:
第n次拉深系数:
拉深系数m表示拉深前后坯料(工序件)直径的变化率。
m愈小,说明拉深变形程度愈大,相反,变形程度愈小。
拉深件的总拉深系数等于各次拉深系数的乘积,即
如果m取得过小,会使拉深件起皱、断裂或严重变薄超差。
极限拉深系数[m]从工艺的角度来看,[m]越小越有利于减少工序数。
为了提高工艺稳定性和零件质量,适宜采用稍大于极限拉深系数[m]的值。
>[m]时,拉深件可一次拉成,否则需要多次拉深。
<[m]时,=
n为拉深次数。
1.3.4多次拉深的方式
(1)正拉深
正拉深就是当前拉深与前次拉深材料流动方向一致。
相对厚度较大的零件可采用这种方是在拉深。
(2)反拉深
反拉深是区别于一般正向拉深的一种拉深方法,是从简形件毛坯的底部反向压下,使毛坯内表面变为外表面,它适用于薄料进行第二次和以后各次的位深。
由于它可以增大径向拉力和避免起皱,所以不仅可用于圆筒形件拉深,还较广泛用于半球形件、抛物线形件和谈形件等特殊形状制件的拉深。
再者,它还可比正拉深显著地降低拉深的工序次数。
从毛坯的应力状态和变形特点来看,反拉深与正拉深无本质差别,但反拉深时,毛坯侧壁反复弯曲的次数少,材料硬化程度稍低,残余应力也较小。
反泣深法不适于拉深直径小而厚度大的制件。
(3)带料连续拉深
带料连续拉深指拉深毛坯与板料不完全分离出来,板料带动拉深毛坯在同一模具内送进,顺次完成多次拉深,最后仍在模具内将拉深件与板料分离的拉深方法。
这种方法操作安全、简便,拉深件质量,是用于小贱大批量生产。
带料连续拉深的关键是选择合适的工艺切口形式。
工艺切口的作用是使拉深毛坯与条料处于分离状态,条料对拉深毛坯的变形不影响,拉深变形也不会引起条料起皱等问题,同时保证各拉深工序之间的送进步距一致。
1.4拉深成形的意义和发展趋势
本课题主要研究半管拉深的建模和拉深模拟计算分析的理论计算。
涉及的内容主要是在考虑拉深变形实际中半管材料曲率变化规律和冷变形硬化规律的基础上,进行拉深工艺模拟分析的研究等。
这些问题中有的内容前人已有了一定的研究但不够深入,变曲率半管成型目前国内研究较少。
因此,探讨和研究这些内容都是具有较大的理论价值和实践意义,这些内容的预期研究结果必将对拉深工艺乃至冲压工艺理论的完善和对冲压实践水平的提高产生积极的影响。
板料冲压成形是利用模具对金属板料进行压力加工,以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。
拉深是板料冲压成形中最典型、应用最广的一种成形工艺,在生产实际中,有很多要用到拉深工艺方法制造的零件。
随着科学技术的不断进步和工业生产的发展,冷冲压技术也在不断革新和发展,主要表现在以下几方面:
(1)工艺分析计算方法的现代化。
(2)模具设计制造技术现代化。
(3)冷冲压生产的机械化和自动化。
(4)为了满足产品更新换代快和生产批量少的发展趋势,发展了一些新的成型工艺。
(5)不断提高板料性能,以提高其成形能力和使用效果。
(6)冲压加工以其节材、节能和高生产
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