第 1 章   緒論 

1.1   引言 
隨著社會的進(jìn)步和發(fā)展，制造業(yè)向集約化生產(chǎn)的方向發(fā)展，生產(chǎn)成本低，質(zhì)量高，生產(chǎn)快速和原型制造系統(tǒng)將成為主流。精度高、效率高、重量輕是未來幾代材料加工技術(shù)的重要特征和努力實(shí)現(xiàn)的方向。材料成形與制造將面向低成本、高精度、短周期、高產(chǎn)品質(zhì)量方向發(fā)展。同時，隨著計算機(jī)性能的迅速提高，計算機(jī)仿真和模擬仿真技術(shù)已成為現(xiàn)代材料加工和技術(shù)的主流。在產(chǎn)品設(shè)計的過程中，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件對與產(chǎn)品的加工過程進(jìn)行精確模擬仿真，以最前沿的技術(shù)和最低成本來預(yù)測在材料成形過程中可能會出現(xiàn)的各種缺陷以及工藝技術(shù)的問題。本論文就是在這種背景下，對深波波紋板的成形過程進(jìn)行 Dynaform 數(shù)值模擬，探討成形過程中金屬材料的變形規(guī)律。零件二維圖如圖 1.1，模具圖如圖 1.2 和 1.3 所示： 
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1.2   本課題研究的目的 
冷沖成形是材料塑性成形生產(chǎn)的最基本工藝和方法，這種方法基本特征是將鋼板放在模具內(nèi)部，通過一定噸位的壓力機(jī)在一定壓力下沖壓成預(yù)先設(shè)定的形狀與尺寸。 本課題對涵洞波紋板的成形規(guī)律研究目的在于，通過了解國內(nèi)外冷沖壓發(fā)展過程與發(fā)展現(xiàn)狀以及數(shù)值模擬軟件的應(yīng)用，總結(jié)前人研究與經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)理論研究以及試驗(yàn)分析，探索涵洞深波波紋板的冷沖成形規(guī)律，采用 Dynaform 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，有效預(yù)測和研究沖壓過程中出現(xiàn)的回彈問題，以及在不同板厚，不同摩擦系數(shù)，不同凸凹模間隙條件下成形規(guī)律的研究，并對整形前后的制件進(jìn)行多方面比對，最后使用 Catia進(jìn)行模具三維設(shè)計。 通過本課題的研究，對深波波紋板冷沖成形過程中問題進(jìn)行了分析，在一定程度上提高了金屬材料利用率，實(shí)現(xiàn)了綜合效益的最大化，為涵洞波紋板冷沖成形在本行業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 
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第 2 章   有限元模型的建立

2.1   引言 
最近 30 年來，在金屬塑性加工領(lǐng)域，有限元模擬分析法的應(yīng)用越來越廣泛，在板料成形領(lǐng)域，DYNAFORM  、Auto Form 和 PAM-STAMP 三款軟件應(yīng)用非常廣泛，DYNAFORM 是現(xiàn)今流行的板料成形與模具設(shè)計的 CAE 軟件之一，在航天、汽車、造船等行業(yè)中廣泛應(yīng)用。 板材成形過程基本工序包括：落料、沖孔、彎曲、拉深、翻邊、整形等[34]。深波波紋板是一個大型零件，零件形體比較大，屬于中厚板成形。拉深成形技術(shù)的應(yīng)用與加工尺寸范圍是非常廣泛的，輪廓尺寸從幾毫米到幾米范圍不等、厚度為 100~300mm的大型沖壓件都可以應(yīng)用拉深成形[35]。如圖 2-1 所示，長1.55m，寬 0.6m，厚度 4-12mm，依據(jù)不同施工要求做出不同選擇，截面形狀相對簡單,其形狀呈現(xiàn)波紋狀。本文應(yīng)用Dynaform 軟件對深波波紋板成形過程進(jìn)行模擬分析，選擇的材料為 St13 冷軋鋼板，化學(xué)成分如表 2.1 所示，其抗拉強(qiáng)度為 270~370MPa，各項材料性能均可滿足要求。
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2.2   DYNAFORM  模擬分析過程

我國在板料有限元的數(shù)值模擬相關(guān)軟件方面進(jìn)行的研究相比較來說起步較晚，可喜的是經(jīng)歷多年的發(fā)展與研究模擬軟件方面技術(shù)有了非常大的進(jìn)步，在高等院校以及金屬材料研究所里進(jìn)行相關(guān)數(shù)值模擬分析，有非常多額高校都研發(fā)了自己的模具CAD/CAE/CAM 軟件[36-38]。吉林大學(xué)使用了 lagrange 法大變形的彈塑性有限元方法[39]，我國研制的軟件主要有精密模具 CAD/CAM 系統(tǒng)和冷沖壓模具 CAD/CAM 系統(tǒng)[40]。板料的拉延成行的分析一般分為以下幾步：首先需要通過 CATIA 和 PRO/E 等繪圖軟件進(jìn)行相應(yīng)的 CAD 造型設(shè)計之后再將文件保存成為為 igs 格式，然后輸入進(jìn)入到DYNAFORM 軟件中，進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)格劃分等等一系列的前置處理設(shè)置，在設(shè)置完成之后需要提交到求解器進(jìn)行相應(yīng)的分析，最后能夠得出后處理的結(jié)果，當(dāng)模擬的結(jié)果不符合技術(shù)的要求時，則需要重新設(shè)置相應(yīng)的工藝參數(shù)進(jìn)行下一次的提交和求解或者需要重新的設(shè)置相應(yīng)的 CAD 造型進(jìn)行新的數(shù)值模擬，如果模擬的結(jié)果與要求相符合，就可以進(jìn)行模具的設(shè)計。我國在“十二五規(guī)劃”中明確規(guī)定了一個重要目標(biāo)即：模具的生產(chǎn)周期需要縮短至少 30%，制造精度需要達(dá)到±0.001mm；大中型精密模具的生產(chǎn)制造至少要提高至 10%；這也促進(jìn)了模具設(shè)計及其發(fā)展[41]。  第一步進(jìn)行相應(yīng)的零件三維模型設(shè)計，并進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分。凸凹模和毛坯三維造型的 CAD 軟件一般有三種：UG、Pro-E、CATIA。待三維造型結(jié)束后，需要將igs 格式導(dǎo)入 DYNAFORM 模擬軟件中，進(jìn)行模型網(wǎng)格的相應(yīng)劃分。 第二步，定義成形的工具。依據(jù)零件結(jié)構(gòu)和尺寸以及所使用不同的沖壓設(shè)備來進(jìn)行定義工具。模具三維設(shè)計過程還可以分為單動以及雙動兩種預(yù)設(shè)模式。 第三步，定義毛坯的設(shè)置與成形相應(yīng)參數(shù)。首先使用坯面工程的 BSE 來計算出相應(yīng)的毛坯尺寸，隨后軟件能夠自動生成出一個相應(yīng)的輪廓，需要使用這個輪廓當(dāng)做毛坯的零件之后，則可以進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)格劃分，最后需要進(jìn)行毛坯的材料以及厚度等諸多的參數(shù)設(shè)定；預(yù)設(shè)的拉深形成的壓邊力以及運(yùn)動的相應(yīng)形式需要經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)的公式進(jìn)行換算才可以最終的設(shè)計出來，最開始的拉伸速度可以通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置但是不應(yīng)設(shè)置太大，如果要求得最佳的參數(shù)，那么需要做更多組的模擬才可以進(jìn)行比較。 

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第 3 章   深波波紋板成形工藝分析 ....... 21    
3.1   成形力對成形過程的影響 .......... 21
3.2   摩擦系數(shù)對深波波紋板成形過程的影響 .......... 29
3.3   凸凹模間隙對波紋板成形的影響 ...... 34
3.4   不同料厚的回彈對比分析 .......... 37    
3.5   本章小結(jié) ....... 39 
第 4  章   深波波紋板整形分析 ...... 41    
4.1   引言 ....... 41    
4.2   模型導(dǎo)入與零件編輯 .......... 41    
4.3   不同成形力整形前后對比 .......... 42   
4.4   摩擦系數(shù)為 0.125 時整形前后對比 ........... 45
4.5   凸凹模間隙為 8.8mm 時整形前后對比 ..... 47
4.6   不同料厚整形前后回彈對比....... 50    
4.7   本章小結(jié) ....... 52 
第 5 章   深波波紋板模具設(shè)計 ........ 55    
5.1   引言 ....... 55    
5.2   模具結(jié)構(gòu)設(shè)計 ....... 55
5.3   模具間隙的確定以及模具沖壓方向的選擇 ...... 59    
5.4   模具最終裝配圖 ........... 60    
5.5   本章小結(jié) ....... 61 

第 5 章   深波波紋板模具設(shè)計 

5.1   引言 

深波波紋板是一個大型零件，零件形體比較大。如圖 5.1 所示，長 1.555m，寬 0.6m，厚度依據(jù)不同施工要求做出不同選擇，截面形狀相對簡單。其形狀呈現(xiàn)波紋狀，根據(jù)模擬結(jié)果，可以假定設(shè)置兩條生產(chǎn)線，第一條生產(chǎn)線包括一套單一成形模具，滿足對回彈角度要求較低的產(chǎn)品需求。第二條線也只包括一套模具，采用級進(jìn)形式，在成形之后級進(jìn)整形，保證較小的回彈角度，目的是使最終的成形件達(dá)到較高的質(zhì)量要求與裝配要求。設(shè)置兩條線的目的在于滿足不同客戶對產(chǎn)品精度的不同需求。成形后的制件三維圖和二維圖如圖 5.2 所示：導(dǎo)向裝置是每一套模具所必須的裝置，它能夠使凸凹模和壓邊圈準(zhǔn)確的進(jìn)行定位，保證了制件的質(zhì)量和精度，確保沖壓的順利完成，這樣能夠提高模具的使用壽命。深波波紋板的模具導(dǎo)向裝置用來確保凸凹模的精確結(jié)合，由于板料厚度較厚，所以本套模具不需要加裝壓邊圈。模具導(dǎo)向裝置有以下幾種：導(dǎo)套式，導(dǎo)板式以及導(dǎo)塊式幾種。表 5.1 為每種方式的特點(diǎn)： 深波波紋板模具凸模采用分裝形式，將各部分凸模用螺栓固定在上模板上，可以保證凸模在工作時穩(wěn)定與可靠，便于拆卸與更換。凸模鑲塊為半徑為 81mm，長度為518mm 的圓柱體，材料為 Cr12Mo V，如圖 5.5 所示。使用半徑為 25mm，長度為 100mm的內(nèi)螺紋銷將鑲塊與凸模基體固定，如圖 5.6 所示。模具凸�；w使用材料為 40Cr，凸模基體裝配圖如圖 5.7 所示。上模板采用鑄造方式加工，材料為球磨鑄鐵，為了減輕模具重量，凸模模板加工出減重槽。

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結(jié)論

本文對深波波紋板的成形過程進(jìn)行了有限元模擬分析，通過對不同參數(shù)的設(shè)定，確定了成形工藝參數(shù)。在對波紋板成形過程進(jìn)行分析之后，進(jìn)行了整形過程的模擬分析，對比整形前后波紋板的表面質(zhì)量，厚度變化，以及回彈角度變化。在模擬分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了兩套模具的設(shè)計。本論文主要的研究成果如下： 
1.波紋板的發(fā)展與現(xiàn)狀以及課題介紹：敘述了波紋板的優(yōu)點(diǎn)，與鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)對比所占據(jù)的優(yōu)勢，國內(nèi)外波紋板的使用與發(fā)展現(xiàn)狀。描述了課題的組成部分，以及課題研究方法。 
2.有限元模型的建立：對有限元軟件 Dynaform 進(jìn)行了介紹，三種軟件優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比。描述了模型的設(shè)置過程，以及工藝參數(shù)的設(shè)置過程。 
3.對深波波紋板成形工藝的研究：最終確定成形力達(dá)到 3000KN 與 3200KN 之間時，制件的減薄率和增厚率最為理想。綜合考慮制件的表面質(zhì)量以及回彈角度，最終可以確定 3200KN 為最終成形力。隨著摩擦系數(shù)的增大，波紋板的回彈角度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，，結(jié)合對波紋板表面質(zhì)量以及厚度變化的分析，選定摩擦系數(shù)為 0.125。隨著凸凹模間隙的增大，制件的褶皺逐漸增大，回彈角度增大，雖然模具間隙在 8mm 時制件狀態(tài)和回彈角度都達(dá)到最佳，但考慮到模具的使用壽命與設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，最終將間隙設(shè)定為 8.8mm。通過對不同料厚之下的波紋板進(jìn)行模擬分析，可以發(fā)現(xiàn)，其它參數(shù)在合理范圍內(nèi)的前提下，隨著料厚的增大，回彈角度逐漸減小。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：106474