多目标研究优化的轿车顶盖模具设计机械设计制造及其自动化.docx
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多目标研究优化的轿车顶盖模具设计机械设计制造及其自动化
本科毕业设计
多目标研究优化的轿车顶盖模具设计
MoldDesignofCarRoofBasedonMult-objectiveOptimizationTraier
摘要
基于普通车盖(顶盖),用Pro/E建模软件和Dynaform冲压模拟软件这两个工具,对产品进行三维建模并且对模具冲压工作过程进行计算分析,经过分析结果,以便验证模具设计是否合理,来预防起皱、拉裂等不良的现象。
结果表明,冲床仿真分析软件DYNAFORM用于模拟汽车工艺成型过程,冲压工艺和模具设计根据仿真结果执行,降低成本,缩短生产周期和模具改善。
主要关注仿真分析技术在成型机发动机制造中的实际应用,探讨虚拟技术在汽车模具制造中的重要性和优势,提出虚拟工艺技术在汽车模具开发领域的应用。
然后说明如何利用虚拟技术来对汽车覆盖件进行生成介绍,并生成一般应用程序流程,并根据关键技术和难点技术给足了充分又详细的说明。
关键词:
冲压模具;仿真技术;模具设计
MoldDesignofCarRoofBasedonMult-objectiveOptimizationTraier
ABSTRACT
BasedontheordinaryHood(topcover),weusePro/emodelingsoftwareandDynaformstampingsimulationsoftwaretwotoolstomodelourproductsinthreedimensionsandtocalculateandanalyzethestampingprocessofthemold,weusetheresultsoftheanalysistoverifythatthemolddesignisreasonable,topreventwrinkle, Abadphenomenonsuchascleavage. theresultsoftheanalysistoverifyDYNAFORMisInordertoexplaintheSimulationAnalysisTechnology'sapplicationinautomobilecoveringmouldmanufacturing,discussestheimportanceofthe.Aftervirtualmanufacturingissimplyintroduced,adetailedexplanationwasgiveninthemouldmanufacturingapplication.Additionally,wealsointroducedhowtousethevirtualmanufacturingtechnologyinthemouldmanufacturing,andgavethegeneralprocess,thekeytechnologyandsomeothertechnical.
Keywords:
Stamping;Simulation;Moulddesign
1绪论
1.1汽车覆盖件的介绍
汽车覆盖件是指覆盖发动机、底盘,构成驾驶室、车身的金属板所制造出来的空间形状的表面或者内部零件。
它的功能和部位有三种,具体是骨架、内部和外部覆盖件。
覆盖件的特点有很多,比如说薄的材料,复杂的形态,尺寸大的结构,高要求的表面质量。
根据这些特点来进行研究与分析。
1.2覆盖件的四个要求
(1)表面质量
覆盖件表面不会有微小的划伤,涟漪,皱痕迹,凹陷,表面被破坏,因为这些缺陷会造成不良后果,甚至是损坏状态。
覆盖件之间的脊线应该是一致和平滑的,并且不允许锯齿。
(2)尺寸形状
封闭形状主要是空间固体表面,在封面图上形状难以完全准确地描述,因此封面的大小和形状经常通过主模型描述,主要模型是封面的主要结构。
封面图上标注的尺寸和形状,包括实心表面形状,各种孔的位置和大小,以及形状偏移尺寸,要和主模型相同。
(3)刚性
如果塑性变形不均匀的话,那么它的刚性会变差,因此会产生异种音调。
当这样的部件装载时,汽车盖子容易被破坏。
4、工艺性
覆盖件的可加工性是由于结构和尺寸形状。
图纸的重要组成中少不了补充工艺这样才形成最重要的部分,这是实现拉伸和必要的补充以增加变形程度以获得刚性部件。
工艺补充量取决于覆盖件的形状和尺寸,以及材料的性质。
1.3Dynaform有限元模拟软件的应用
汽车覆盖件由于尺寸大的结构,复杂的形态,材料也很薄,因此基本都是自由曲面。
模具传统的方法也满足不了形成过程中的种种问题,比如精度成型,还有摩擦、接触等等复杂的问题。
因此dynaform有线模拟软件可以更好地检验成型过程中的褶皱,缝隙,划痕和回复关键,包括板材成型性能的评测。
1.4论文的研究内容
1.用PRO/E软件对产品(汽车顶盖)进行三维建模并生成AotoCAD格式的图纸,同时也转换成IGES格式的文件。
2.为了选择合适的材料,利用有限元软件进行仿真模拟。
3.使用DYNAFORM的BSE模块精确的计算毛坯的外形尺寸。
4.分析车顶盖在冲压成型过程中可能会出现的局部减薄破裂、增厚起皱现象。
通过分析预测,达到两个目的,就是生产效率增加和成本降低。
应用DYNAFORM进行模拟分析,方法步骤如图1-1。
从PRO/E软件读入几何模型(IGES)
↓
型检查(Modelcheck)
↓
定义成形工具
↓
生成毛坯
↓
设置成形参数
↓
求解器计算
↓
、
厚度云图
图1-1DYNAFORM软件车顶盖成形分析流程图
2汽车覆盖件拉延模冲压工艺分析
2.1冲压工艺的确定
要确保在拉伸过程中不会产生皱折,裂缝或皱折很少,拉伸处理尤为重要。
在设计拉伸构件时,不仅要有第一方向设计,冲压位置,紧急表面形状,形状和拉伸肋结构,加工延伸部分等,而且不但要满足拉伸工艺,还要创造有利条件来使之满足需要。
2.1.1冲压的方向条件
(1)凸模要进入凹模
为了使凸模进入凹模,要改变拉伸的方向,所以要将凹模下方形状进行向外溢出见图2-1(b),而要使凸模进入凹则将(a)沿逆时针方向旋转一个角度。
图2-1
(2)在凸模上大面积接触毛坯
如果要使接触面和水平面之间的角度变小一点,方法是拥有较大的接触面。
为了使局部过载力影响变小如果坯料多的话,会造成较大的部件损坏。
为了变形程度的有利,所以要获得十分凸起的形状。
(3)
压制材料应尽可能保证毛皮平整,压制面两侧的进给阻力应均匀,为了保证阻力均匀这一条件,可以将图纸设计的角度和均匀性一样。
2.2补充设计工艺
为了增加材料的利用率,工艺补充是一个很重要的设计,我们进行拉伸工艺,然后将他们剪裁,但是工艺补充应该尽量的少些,才能达到目的。
我们还需要修边和翻边这两个步骤,如图2-2有几个方式。
图2-2修边的几种情况
(a)修边线在压料面,为了在打磨过程中不受影响,所以我们采取垂直修边,A距离一般24mm左右。
(b)修边线在拉底面,也是采用垂直修边取值B=3~5mm,C=10~20mm,R凸=3~10mm,R凹=8~10mm。
(c)修边线在短斜面E=B=3~5mm;α≥5º
(d)修边线在长斜面取值F≥8mm;F=3~5mm;β=6º~12º。
(e)修边线在侧壁上,采用水平修边或倾斜修边
经过仔细分析,为了不易起皱可以在工艺补充上加上凹槽或凸筋。
在凹槽方面,可以考虑简单去除修边,这方法可以解决拉伸起皱的问题
2.3压料面确定
(1)有利于降低拉延深度
尽管扁平材料是最有效的,但是压制表面通常以恒定的倾斜角度形成,来达到减少拉伸深度的问题。
(2)保证凸模对毛料有一定的拉延效应。
1)压料面展开长度相比较于凸模要短一些。
2)凸模表面夹角相比较于压料面要小一些。
(3)压料面顺滑利于毛料往凹模型腔内流动。
如果压制表面凸起并凹陷在覆盖件本身的凸缘上,则应增加成型过程。
所以压制面表面不能有凸起和凹痕。
如图2-3。
图2-3车顶盖
顶盖一般是对称的,形状简单。
由于根部的结构特点,由于待加工工件的形状完整,面积大,采用一体式生产方案。
具体如下图2-4。
(a)主视图
(b)左视图
(C)府视图
(d)轴测图
图2-4
3对汽车覆盖件的拉延工艺的有限元分析
3.1DYNAFORM软件在板料成形过程中的分析流程
对于板料成型,由分析组成以下步骤如图3-1。
图3-1板料成形过程分析的流程
3.2仿真技术的几个优点
仿真技术可以解决成形缺陷的问题,而计算机实现修模有许多特点,具体如下。
(1)节省时间:
建好仿真模型后,修改方便,计算起来也很快。
而实际的修模与试模需要的时间较长。
而且,仿真还可自动进行,所以可以在空闲时间进行,从而不消耗时间。
(2)节省费用:
用计算机仿真技术可以对修模次数进行减少,从而减少费用。
(3)提高模具品质和使用寿命:
通过对冲压过程进行仿真和优化设计,使模具具备最合理的结构和受力状态,从而提高工件品质与模具的寿命。
(4)提高工件的品质和性能:
使用计算机仿真技术,可以保证工件形状和尺寸精度,有效控制成型中材料的塑性变形程度,来达到控制材料硬化程度的目的,而且可以提高生产效益。
(5)减少废品率:
使用计算机仿真技术可以减少废品率,提高生产效益。
(6)减少原材料:
浪费毛坯尺寸的准确计算,减少原材料浪费,降低成本。
3.3模具设计的有限元分析与仿真
3.3.1参数初步确定
根据模具初步设计,模具类型选用单动拉深模,拉深力为1000kN,压边力为450kN。
选择材料厚度为0.8mm的37#高强度板,导入US标准的材料类型为37#型号为DP600、厚度为0.8mm的板料。
因为37#材料考虑了材料的各向异性,因此回弹过程中不会出现收敛的问题
3.3.2建立模型
(1)根据对实际汽车顶盖的尺寸估计,用Pro/E软件进行三维建模(如图3-2)。
在这里,为了方便观察,把零件进行渲染。
图3-2
(2)把数据格式为IGES的车顶盖导入到Dynaform中,如图3-3所示的曲面模型。
图3-3曲面模型
3.3.3冲压方向的调整
确定冲压方向利用软件DEF模块,用Preparation命令中的Tipping进行冲压方向的调整采用autotipping和手动调整并结合undercut功能来减少拉伸深度,这样就能更好地确定冲压方向如图3-4。
图3-4
3.3.4创建压料面和工艺补充部分
(1)创建压料面(CreateBinder)
见图3-5创建压料面,压料面形状不能有凸起和凹坑,最好平滑简单化采用压料面与拉伸方向的相对位置,从而使得压料面各地方阻力均匀,这些都是为了拉伸成形。
因此,设计粘合剂表面的关键技术是确保拉伸深度基本均匀,并且变形方法是从上侧的深拉伸到凸出型的浅拉伸,从而减少工艺余料,提高材料利用率。
此外,它还会降低模具的附着力并提高产品的质量。
(a)主视图
图3-5
(2)截面线的设置
截面线是用来控制工艺补充面的纵向形状,最终生成的工艺补充面必须和截面线完全吻合。
如图3-6所示,截面线由3段组成。
首先是过渡段,和零件相连是圆弧或直线段。
其次是模板段,模板段构成拉延侧壁。
最后是末尾段,是圆弧,和压边圈相连。
图3-6
为了从库中选择线型,通过2D和3D窗口之间的交互生成横截面前沿,并且可以根据实际状态在某些范围内修改相关属性参数。
如图3-7为汽车车顶盖补充面的二维截面特性线设置。
图3-7设计库中的线型
连接线需要满足不能和边界相交并且在向冲压方向投影时第一条线要是零件投影的凸包。
因此利用DYNAFORM分析软件进行自动加密。
生成工艺补充面如图3-8所示。
图3-8工艺补充效果
3.3.5对压料面进行裁剪
本步骤主要是通过工艺补充面所产生的外形轮廓线对压料面进行剪裁以生成最终的压料面的形状,如图3-9所示:
(a)DFEModification编辑模块(b)修剪后的结果
图3-9修剪压料面
3.4毛坯的确定
在BSE下的Perparation编辑模块中,点击BLANKSIZEESTIMATE,进入毛坯设置界面,在MaterialLibrary中选择DP600高强度板作为毛坯材料,具体设置如3-10所示。
第一步第二步
第三步
图3-10毛坯的设定步骤
采用LS-DYNA仿真软件中的37#参数材料(DP600),因为高强度钢板碰撞吸收能力高并且减重效果明显如表3-1见参数。
表3-1DP600材料参数表
DP600参数
数据
杨氏模量Y
210000Mpa
泊松比
0.3
强化系数K
946Mpa
硬化系数n
0.164
厚向异性系数R00
0.8
厚向异性系数R45
0.7
厚向异性系数R90
0.9
钢板厚度t
0.8mm
根据产品的模型和工艺补充面,通过系统计算生成毛坯图,因为计算出来的毛坯大小是与凹模相当的,所以应该把毛坯适当增大,最终确定的毛坯图如3-12所示:
图3-12
3.4.1成形缺陷的分析判断
(1)成形极限图(FLD)分析
根据简单的分析,来作出成形极限图,如图3-13,图中红色代表的破裂,黄色区有破裂的趋势,橙色是剧烈变薄区,绿色处于正常变形过程,灰色处于不太充分变形,蓝色是起皱趋势区,最后粉色是起皱区。
图3-13设计不合理图
从图3-13可以看出,整个毛坯出现了大范围的拉裂,此方案不可行。
要想减少拉裂的可能性,要对压边圈的压扁力进行调整。
经过多次减少压边力得到的成型图也比较完美,在制作过程中也没有发现明显的破裂虽然外边区域会有一点起皱区但是这都不会影响最终的成品,所以方案合理。
见图3-14。
图3-14设计合理产品图
2、厚度变化图
如图3-15,蓝色区域为厚度最大区域,厚度是0.838425mm,相比较于0.8mm的厚度板相差了0.038425mm增厚4.803%相比较于10%在合理范围之内。
而红色区域是最少厚度区,厚度为0.711136mm,相较于0.8mm的厚度板相差了0.088864mm,变薄11.108%,相比较于30%为合理。
图3-15厚度分布图
3、应力变化图
顶盖的四个角是相对集中,有局部变薄和变厚的现象,但不会影响最终成型区域,结合厚度分布图,综合分析成型极限图,总量不会影响产品质量,见图3-16。
图3-16应力图
3.5解决起皱的方法
1、调整压边力的大小
如果工件周围均匀地产生褶皱,这是因为压力不足,并且压力逐渐增加以消除褶皱。
当锥形和半球形部分被拉伸时,大部分材料在拉伸开始时处于悬浮状态。
除了增加冲压力之外,还需要增加肋的拉伸强度,以增加面板的径向方向上的拉伸应力以消除皱折,因为侧壁易于产生皱折。
2、调整凹模圆角半径
当模具的凹角的半径太大时,坯料的坯料变大并且抑制皱折的能力减弱,可以当减小模具半径。
3、调整压料面的间隙
想要调整压料面间隙可以采取以下几种办法
(1)里紧外松
里侧间隙应赂小于料厚t,外侧间隙应略大于料厚t。
因为在此两类区域中,材料变形过程中料厚t或不变或变薄,这样就形成了压料间隙的变化,见图3-18。
图3-17压料面间隙里紧外松示图
伸长变形区域集中在圆周方向的拉伸电压上,材料的厚度变薄。
作为流动材料,材料的厚度变薄,粘合表面间隙相对增大,减少压力。
(2)里松外紧
拉伸模具的调整往往是复杂的。
当压力难以控制时,为了消除由材料厚度变化引起的材料变形,可以调整拉伸间隙的方法。
这种方法可以有效解决调整拉伸模式。
1.凸模;2.压料圈;3.凹模
图3-18压料面间隙里松外紧示图
3.6解决开裂的方法
想要解决开裂可以有许多的办法供我们选择,如果毛坯尺寸过大或者形状上的问题,有些质量和润滑方面都会让零件拉裂,所以要改变毛坯尺寸及形状。
如果要使间隙变大,可以改变拉伸间影。
如果要使压料力变小,可以改变压料力。
要减小拉裂程度可以加大凹模圆角的半径。
还可以改变凸模圆角的半径。
最后还可以已选择让凸模和凹模的相对位置进行变换。
4模具结构设计的确定分析
4.1对DYNAFORM仿真结果进行多目标优化
4.1.1多目标研究优化的基本思路
(1)分析数据的收集
,在论文前期工作中,通过Dynaform仿真分析软件对汽车覆盖件进行了多次的的模拟成型、回弹分析,包括摩擦系数、压边力等工艺参数的整理收集工作(数据收集情况如图4-1所示),为后期的结果分析、择优等工作做好准备。
图4-1Dynaform分析数据收集
首先,考虑到整个优化过程必须有驱动组件(Drivers)和激活组件(Activities),所以,先确定了优化组件(Optimization)和代理模型(Approximation)版块。
接下来,为了达到对某些目标进行最优值选择的目的,对iSIGHT里的参数进行一些简单且必要的设置,分析思路如下:
(1)确定需要优化的参数
因为本论文设计的出发点是对汽车覆盖件拉延过程中某些结果进行优化,所以在这里,选取对汽车覆盖件成型影响较大的结果进行输出分析,进一步得到适应产品生产要求的过程变量。
在这里,把前面用DYNAFORM仿真分析软件做的30次成型和回弹分析数据导入iSIGHT里做定向目标优化分析,考虑到变薄率太大会使最终成形的产品更容易破裂,还有回弹如果太大的话也会使产品最终的成形不符合使用要求。
所以,综合考虑各种情况,本设计选取对成形结果影响最大的两个参数——变薄率和回弹量,作为本次优化的最终输出(Outputs)目标,以拉延筋(bead)、压边力(force)、静摩擦系数(Static)为输入(Inputs)自变量,变厚率(Thickness)、变薄率(Thinness)为约束条件。
如图4-2所示:
图4-2输入输出变量的设定
(2)目标函数的最优值求法
不同的摩擦系数值和压边力值都将对变薄程度产生一定的影响,每一个摩擦系数都有相应的变薄率。
在这里选取遗传算法(NSGA-H)作本次试验的运算工具。
在本次试验中,根据所查资料,需要确定的参数变量值的范围如表4-1。
表4-1变量参数
压边力(Force)
80kn——560kn
摩擦系数(Static)
0.1——0.14
变厚率范围(Thickness)
0——0.2
变薄率范围(Thinness)
0.04——0.3
选择遗传算法的界面如图4-3所示。
图4-3遗传算法的选择和参数范围的设定界面
(2)结果的分析
(1)通过遗传算法的运算,我们求得了之前Dynaform仿真分析结果的最优值,接下来将以此最优值定义自变量,我们可以更好地理解设计过程中摩擦系数和压边力等工艺参数对目标函数的影响。
首先,把所得的最优结果定义自变量如图4-4、图4-5所示:
图4-4所求最优值图4-5将最优值定为自变量
(2)参数间的影响关系
因为本试验的输出目标函数为变薄率(Thinness)、回弹量(Springback),所以当变薄率基于一个稳定的区域时,回弹量越小则优化的结果更趋向所求的理想值。
本试验步骤是将iSIGHT所求得的最优值作为变量,根据变薄率与压边力、摩擦系数间的关系曲线,同时根据回弹量与压边力、摩擦系数间的关系曲线,分析优化结果的合理性。
变薄率、回弹值与压边力、摩擦系数的关系具体如图4-6、图4-7、图4-8、图4-9所示,其中蓝色的点代表最优值在参数关系图中的位置,也反映了最优值的合理性。
图4-6
图4-7
图4-8
图4-9
当回弹量越小时,压边力值(Force)越大,而摩擦系数(Static)越小。
因为选取最优值作为最终的分析变量,所得的结果显示此时的变薄率稳定在一个相对较小的区域,但与此同时回弹量却控制在相当理想的值上,所以验证了之前提出的观点的正确性,也找到了参数间的影响规律。
经过上述分析后,将得到的优化数值,导入DYNAFORM里进行成形分析,得到的优化结果如图4-10所示,通过与没经过优化的分析结果(图4-11所示)作对比,可以明显看出试验对成形结果的质量的改善。
图4-10最终优化成形图图4-11未经过优化的成形图
4.1.2目标函数对产品的影响与控制
随着工业的发展,板料成型等特殊成型方法得到了广泛的关注像这种表面质量和精度要求很高的零件,非常需要进行变薄拉伸。
但是,变薄拉深在生产过程中会遇到许多问题:
所以在一定情况下要选择合理的参数,因为参数不合理,可能会导致拉裂,还会造成模具成本的提高。
我们应该就参数间的相互影响做好分析,设置相应合理的参数,以降低变薄对产品成型的影响。
4.2选用模具的类型及结构
4.2.1三种拉延模的比较
(1)单动拉深模
这种模具实用性模型具有设备简化,生产效率高的优点,模具结构简单,制造周期短,成本低,在汽车冲压生产线流动工作中无需翻盖。
由于深度浅并且卸载装置不是刚性的,因此它将偏转并且不能被按压。
见图4-12。
1-凸模2-凹模3-压边圈4-压边圈顶杆5-导板6-压印器7-防脱销8-吊挂销
9-压边圈10-定位板11-拉深筋12-排气孔
图4-12单动拉延模
(2)双动拉深模
这种拉深模采用正装方式,凸模2通过凸模固定座3安装在压力机的内滑块上,压力圈1安装在压力机的外滑块上,拉深成形时,外滑块首先带动压力圈1下行,将毛坯紧紧压在凹模面,然后内滑块带动拉深凸模2上下进行拉深。
双动拉深模压边力的大小可通过调节压力机外滑块闭合高实现,因此能够克服单动拉深模的缺点。
见图4-13。
1-压边圈2-凸模3-固定座4-凹模
图4-13双动拉深模
(3)多动拉深模
多动拉深模用于成形形状比较特殊的拉深件。
见图4-14。
1-上模板2-排气管3-固定凹模4-活动凹模5-弹簧6-导板
7-压边圈8-凸模9-托杆10-平衡块
图4-14多动拉深模
4.2.2确定拉延模的类型
通过比较上述几种拉深模的结构特点及适用范围,因为作业时,冲压车顶盖覆盖件无须翻转,为提高生产效率,简化设备,所以采用单动拉深模。
4.2.3压力机的选择
汽车覆盖件轮廓尺寸所需台面尺寸较大,在修边、校形、翻边、冲孔等工序的偏心力较大,因而广泛采用单动宽台面多点压力机。
同时缩短换模时间,因此选用带活动工作台面的压力机。
4.3汽车覆盖件冲压成形的冲压方式
用于汽车覆盖部分冲压的模具一般由凸模,凹模和压边圈三个主要部件组成。
三个部件放置在不同的位置,得到不同的冲压方法,即传统冲压和倒置式冲压方法,目前广泛用于工程实践。
4.3.1拉延模的主要组成部分
拉延模主要由五件组成,固定座、压边圈、顶出器、凹模和凸模。
凸模、凹模、压料圈是由钼钒铸铁铸成,经加工后棱线、凹模拉延圆角等处根据需要可以进行表面
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