车门外板窗台加强板成形工艺分析及模具设计 毕业论文.doc

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1、 - 0 - 目录目录 引引 言言.1 第第 1 章章 绪论绪论.2 1.1 课题研究背景2 1.2 覆盖件模具发展概况.2 1.2.1 国内汽车覆盖件模具设计现状2 1.2.2 国外汽车覆盖件模具设计现状3 1.3 国内外覆盖件模具设计的发展趋势.4 1.4 本文研究的目的和意义.4 1.5 本文研究的内容和方法.5 第第 2 章章 车门外板窗台加强板成形工艺分析车门外板窗台加强板成形工艺分析.7 2.1 覆盖件的成形特点7 2.2 零件工艺性分析.7 2.3 汽车车门外板窗台加强板工艺方案的拟定.9 第三章第三章 汽车车门外板窗台加强板的成形模拟及优化汽车车门外板窗台加强板的成形模拟及优化

2、.12 3.1 DYNAFORM软件简介.12 3.1.1 Dynaform 的功能.12 3.1.2 Dynaform 性能的特点.12 3.1.3 Dynaform 进行成形分析的一般过程13 3.2 汽车车门外板窗台加强板模拟的过程.14 3.2.1 汽车车门外板窗台加强板模拟的前处理.14 3.2.2 仿真参数的设定及提取计算15 3.3 汽车车门外板窗台加强板模拟结果及分析.16 3.4 优化方案设计分析17 3.5.模拟方案的比较.18 3.6 模拟方案总结.21 第四章汽车车门外板窗台加强板拉延模设计第四章汽车车门外板窗台加强板拉延模设计.22 4.1 汽车车门外板窗台加强板拉延

3、模型面设计.22 4.1.1 拉延类型的判断22 4.1.2 汽车车门外板窗台加强板型面设计流程.23 4.1.3 确定冲压方向23 4.1.4 压料面的设计.25 4.1.5 工艺补充面的设计26 4.1.6 拉延筋的设计27 4.1.7 工艺切口的设计28 4.2 拉延模的结构设计29 4.3 拉延模具图及标准的选用.33 结论与展望结论与展望.38 致致 谢谢.40 参考文献参考文献.41 附附 录录.42 - 1 - 引引 言言 车门外板窗台加强板的冲压成形力学过程是非常复杂的，相对其他冲压件，有材 料薄、形状复杂、结构尺寸大、表面质量要求高、曲面多为空间曲面等特点，传统上 都采用“设

4、计试制发现问题再设计再试制再发现问题”的循环设计方法，直 到模具满足要求为止，但这种传统的设计方法要求设计人员有比较丰富的设计经验和 较高的技平，且效率低下。 随着有限元技术和计算机技术的高速发展，尤其是冲压模拟软件的开发和应用， 使冲压模具设计和加工定量化，因此，加快了冲压工艺方案的确定，最终得到理想的 冲压参数，实现设计自动化，节省物质资源，减少对经验的依赖，降低对技术工人的 要求等。目前，Dynaform 已在世界各大汽车、航空、钢铁公司，以及众多的大学和科 研机构得到广泛应用，在我国长安汽车、南京汽车、上海宝钢、中国一汽、上海大众 汽车公司、洛阳一拖等知名企业也已得到成功应用。 本次毕

5、业设计旨在让学生掌握大型覆盖件的成形过程，根据实际的生产经验初步 提出一个设计方案。并借助 Dynaform 软件，对车门外板窗台加强板的拉延过程模拟， 预测出成形中出现的各种缺陷，从而对各种成形参数调整并优化。本文主要是根据前 人前人所做实践工作的基础之，针对拉延筋，工艺补充面和压料面的具体设计来对成 形进行改善。初步的预计，对拉延筋参数优化以后，可以大大的减少拉延过程的起皱。 进而提高材料的利用率，产品的质量和模具设计的效率。最后通过 UG 对拉延模具进 行简单的设计。 - 2 - 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 课题研究背景课题研究背景 汽车覆盖件(简称覆盖件)是指覆盖发动机、底盘，构

6、成驾驶室和车身的薄钢板的异 形体的表面零件(称外覆盖件)和内部零件(称内覆盖件)。覆盖件的质量及成形要求如下: 外覆盖件表面上不允许有皱纹、磕痕、擦伤、边缘拉痕及其他破坏表面完美的缺陷。 其上的装饰用棱线、筋条，要求清晰、平滑、过度均匀，两个件的衔接处的棱线应吻 合不能参差不齐;覆盖件的轮廓尺寸、局部形状等尺寸应保证后续焊接装配或组装的互 换性、准确性，保证车身外观形状美观一致;覆盖件的曲面形状和几何尺寸必须与主模 型相一致，覆盖件要有足够的强度和刚度以保证车身抵御塑性变形和降低车身振动。 由于覆盖件所具有的上述特殊要求，所以作为生产制造覆盖件的汽车模具，与其 它机械产品相比，汽车覆盖件模具的

7、设计制造呈现出以下几个显著特点： 一是汽车覆盖件模具是模具行业中技术含量最高、难度最大的复杂大型精密模具， 是制造业中技术、劳动、资金最密集型的产业；二是汽车覆盖件模具对人才素质要求 最高，不仅技术含量高，而且技术涉及面广，对经验依赖程度大，经验的多少将会直 接影响到模具的周期和质量;三是产品的单件唯一性，每一套模具几乎都是一次新的实 验与探索。汽车覆盖件模具的上述特点决定了对模具人才的素质、专业能力要求非常 高，而且对人才的需求量特别大。经过改革开放后二十多年的发展，虽然我国模具企 业己经集聚了大批的汽车模具开发人才，但是，与外国相比，模具设计、制造高层次 的人才还满足不了要求，技术水平上还

8、存在一定的差距。技术人才的梯队发展较慢， 还沿袭“师傅带徒弟”的做法，使许多好的设计制造经验得不到全面应用与推广，所以 针对可靠的设计制造经验和由这些经验总结而成的设计标准、规范的总结势在必行。 随着计算机辅助设计(CAD)技术的广泛应用，模具 CAD 技术也取得了较大的成就。 但是，仍停留在通用 CAD 软件的基础上，CAD 的巨大潜力远远没有充分发挥。通用 的 CAD 软件还不具备模具专业的专业特征，所以模具设计效率提高幅度不大，成为制 约模具发展速度的又一瓶颈，CAD 技术在模具设计中的应用并没有实质性的飞跃。所 以在通用 CAD 基础之上针对模具的专业性质开发出模具，是解决当前问题的关

9、键。 1.2 覆盖件模具发展概况覆盖件模具发展概况 1.2.1 国内汽车覆盖件模具设计现状 汽车行业已经成为中国的支柱产业，中国正在成为世界汽车大国，而汽车覆盖件 模具制造业是支持汽车行业的最重要的装备行业，模具制造水平的高低将会严重影响 汽车设计的开发周期和外观质量，对模具制造质量、成本、加工周期影响最大的因素 是冲压工艺的定制、模具结构设计以及冲压回弹补偿功能。下面具体分析下国内外模 具制造业覆盖件模具设计的现状： 1） 冲压工艺过程图（DL图）是对冲压制件的材料、功能、形状、品质等进行科 学分析后，制定出的冲压工艺方案，并通过特定的语言、符号对各工序模具设计提出 具体要求的工艺过程布置图

10、，是模具制造的纲领性文件。目前，在冲压工艺定制方面， 二维表达方式的DL（标出两个单词）图仍然是国内模具设计主要依据。在冲压工艺定 - 3 - 制方面，国内一些水平相对较高的模具公司的工艺人员开始利用通用的三维CAD软件 创建的冲压。模型进行投影来创建DL图，但由于缺少专业的冲压工艺专业模块，在工 艺制定过程中缺少必要的冲压工艺定制分析手段，如：在冲压方向确定过程中冲孔修 边角度自动的检查以及负角的检查；冲压工艺补充面的创建依然采用手工补面的方式； 第一冲压冲击线不能直观地进行分析检查；修边线需要借助其他分析软件获得或手工 计算；不能直观地对冲压工序各模型进行空间布置及对冲压件在各工序之间进行

11、搬运 进行直观地干涉检查。二维DL图的使用以及手工进行计算分析导致工艺设计的工作量 较大以及存在着冲压工艺可靠性差的风险。 随着有限元技术和计算机技术的飞速发展，冷冲模具的设计CAD/CAM 与CAE 分 析的结合正在改变传统工艺试制模具的方式，尤其是冲压模拟软件的开发和应用，使 冲压模具设计和加工定量化，能够预先对冲压工艺方案进行分析， 最终得到理想的冲 压参数，实现设计的自动化， 节省资源并减少对经验的依赖，降低对技术工人的要求。 事实上，这种技术的结合能够大大降低设计的成本，改变传的浪费过多时间成本的“设 计试制发现问题再设计再试制再发现问题”的生产方式，可以在设计的过程 中发现和解决问

12、题，提高设计生产的效率，有效缩短模具设计及生产周期。 2） 近几年来，在模具结构设计方面，国内具有一定规模的模具公司已经开始从 二维设计转到采用三维CAD软件进行三维建模设计，但由于缺少专业的覆盖件模具设 计模块的支持，或者目前所具有的模具结构设计模块不适合国内模具设计的国情，因 此目前主要采用非参数化的实体创建、线拉伸等通用建模功能进行设计。也有些公司 希望通过建立参数化模板来提高模具的设计效率，但基于汽车覆盖件的复杂性以及各 公司要求不一，很难实现该理想目标。 3） 随着CAE技术的提高和普及，更多的模具企业采用专业的CAE软件进行成形 分析，国内模具制造水平不断提高，基本解决了汽车覆盖件

13、模具成形问题，在成形精 度方面与国际先进水平相比依然有较大的差距，主要是在回弹变形研究以及三维模型 的补偿方面存在着许多障碍。型面的补偿几乎都是采用删除原有图形，利用曲线、曲 面命令重新进行造型的方式，国内模具制造业热切期盼有一种更高效、更精确的曲面 成型构建方案来弥补当前三维模型回弹补偿的不足。 1.2.2 国外汽车覆盖件模具设计现状 早在 20 世纪 60 年代初，国外一些汽车制造公司就开始了模具 CAD 的研究。经过 了近 10 年不断的研究、创新和发展，各大汽车公司先后开发了自己的计算机辅助设计 与制造(CAD/CAM)系统。伴随着计算机软件、硬件技术的突飞猛进的发展，各大汽车 公司将

14、该系统成功的应用于模具的设计与制造。七十年代，美国通用汽车公司以 UG 为平台开发出了 sheetMeta1Design、 PunchPress 等饭金和冲压设计模块，该系统能够 实现板金件设计，车身设计，覆盖件冲压工艺设计(包括冲压方向选择，工艺余量补充， 压边面形状设计和修边线确定)和模具结构设计等，目前该系统正处于试运行阶段。与 此同时，美国福特汽车公司在其车身设计的 PDGS 系统中开发出了 StamPingEngineering 以 CAD/CAM 模块进行覆盖件产品的工艺设计。日本丰田汽车公 司于 20 世纪 90 年代推出的汽车覆盖件模具 CAD/CAM 系统 DiefaceCA

15、D 软件以人机 交互的方式完成工艺补充面、压料面、拉延台阶、拉延筋等覆盖件特有要素的造型， 同时以几何分析为手段，从凸模接触区扩展行为、截面线形状变化，平均截面线长度 变化率、局部伸长率等不同方面，对覆盖件的成形性进行评估，由此建立了“虚拟试模 系统”。日本三菱汽车公司从 20 世纪 80 年代初期开始应用模具 CAD 技术，该公司的 模具 CAD 系统实现了与 CAM 系统的集成，其功能包括冲压方向的选择、模具型面的 - 4 - 设计、模具结构的设计和模具图的绘制等网。并且由三坐标测量机将实物模型测量后 所获得的数据计算机，经处理后再把这些数据用于汽车覆盖件设计、模具设计和制造， 该系统已经

16、具有较强的三维图形功能，能够做到反复修改曲面形状。1986 年，欧共体 五国联合开发了用于冲压成形过程的 CAE 软件，前后花费六年的时间，于 1992 年正 式推出 PAM-STAMP 商品化软件。 目前国外先进模具制造企业完全采用三维工艺定制、专业模具结构设计以及高效率 的回弹补偿专用工具，进行冲压工艺及模具的优化设计、分析和数控加工编程，国外 先进模具制造业设计特点是通过企业在通用的三维CAD环境下自主进行二次开发或与 软件厂商共同开发的模式将企业拥有的覆盖件冲压工艺设计技术软件化，形成了企业 独有知识产权的三维冲压工艺设计、模具结构设计和回弹补偿等模具专用的设计平台， 它凝结了这些模具

17、企业的先进制造技术。在专业平台上进行覆盖件冲压工艺设计，极 大地提高了覆盖件模具设计效率和冲压成型的精度。 1.3 国内外覆盖件模具设计的发展趋势国内外覆盖件模具设计的发展趋势 随着科学技术的不断发展与进步，伴随着人工智能技术、并行工程、参数化特征 建模以及关联设计等一系列学科技术与模具工业技术不断的紧密结合。今后新一代模 具以 D/CAE/CAM 系统正向着专业化、网络化、智能化和集成化 4 个方面发展 1) 模具 CAD/CAM 的专业化程度不断提高 随着模具工业的快速发展，近几年来世界各国的软件开发商投入了巨大的人力和 物力，针对各类模具的特点，将通用的 CAD/CAM 系统改造为模具行

18、业专用的系统， 取得了较大成效。已投入使用的有美国 UGS 公司的级进模设计系统 NX 一 PDW。以 色列 Cimatron 公司的模具设计和制造系统 Quick。英国 DELCAM 公司的塑料模设计和 制造系统 PS-Moldmaker。法国 MISSle1Software 公司的级进模专用软件 TopProgress。 日本 UNISYS 株式会社的塑料模设计和制造系统 CADCEUS 等。这些软件的技术特点 是能在统一的系统环境下，使用统一的数据库，完成特定模具的设计。 2) 基于网络的 CAD/CAE/CAM 一体化系统结构初见端倪 随着计算机技术的进步以及工业部门的迫切需求，国外一

19、些软件开发商已能按实 际生产过程中的功能划分产品系列，在网络系统下实现 CAD/CAE/CAM 的一体化，解 决传统混合型 CAD/CAM 系统无法满足实际生产过程分工协作的要求。例如英国 DELCAM 公司在原有软件 DUCTS 的基础上，为适应最新软件发展及工业生产实际推 出了 CAD/CAM 集成化系统 Delcaln 5PowerSolution，该系统覆盖了几何建模、逆向 工程、工业设计、工程图、仿真分析、快速原型、数据编程、测量分析等各个领域。 系统的每个功能模块既可独立运行，又可通过数据接口与其他系统相兼容，并能按使 用要求进行组合，以便形成专业化的 CAD/CAE/CAM 系统

20、，做到开放性兼容性和专业 化的统一。可以预计，模具以 CAD/CAE/CAM 系统在今后几年内将会逐步发展为支持 从设计、分析、管理和加工全过程的产品信息管理集成化系统。 模具 CAD/CAE/CAM 技术在解决模具开发关键问题的过程中不断完善的同时，也 在与先进制造技术的紧密结合中得到发展，其内涵日益丰富，外延不断扩大。 1.4 本文研究的目的和意义本文研究的目的和意义 汽车工业是国民经济的支柱产业之一，随着市场需求的变化，汽车的更新换代速 - 5 - 度日趋加快，作为汽车车身制造的重要工艺装备汽车覆盖件模具是制约汽车更新 换代的瓶颈环节，其设计制造水平、质量和效率直接关系到汽车工业的发展。

21、同一般 冲压件相比，覆盖件具有材料薄、形状复杂和表面质量要求高等特点。因此，覆盖件 的工艺设计及模具结构设计都具有特殊性。同时汽车覆盖件模具也是汽车模具中的重 要的组成部分之一，它生产和制造的质量直接影响着汽车的后续生产，同时也是汽车 个性化和升级换代的重要保证。因此如何有效的提高汽车覆盖件模具的生产效率就成 为了一项非常有意义的工作。 在汽车模具的整个制造过程中，模具的设计过程不仅是一个费时的工作，更是今 后进行实际加工的重要依据，然而在实际工作中往往大量时间都花费在了模具结构的 设计上，在型面设计上花费的时间相应就被压缩了，而这正好与我们所需要的相反， 因此如何有效的缩短结构设计方面的时间

22、，使工作人员能够将更多的时间用与汽车型 面的设计就显得尤为重要。 汽车覆盖件具有形状复杂(多为空间曲面) 、外轮廓尺寸大、材料相对薄、表面质 量要求高等特点，用传统经验法进行模具设计很难保证拉深工艺和参数选择的合理性。 随着计算机技术的发展，CAD/CAE 技术在汽车模具设计中发挥越来越重要的作用， 成为弥补传统设计方法不足的重要途径，同时对提高设计效率、降低设计成本具有重 要意义。 从 20 世纪 80 年代以来，我国加强了在覆盖件模具 CAD 技术方面的研究力度，并 在应用方面取得了显著的进步，但依然存在着一些问题。主要表现在以下几方面: (1)设计效率低。我国 CAD 技术起步较晚，既懂

23、专业又懂应用软件技术的人员十分 缺乏，因而自我开发能力差，自主开发的软件质量不高，设计效率低。 (2)标准化程度低。由于各行业、各企业都有自己的标准，模具生产厂家之间没有 形成一致的设计、制造规范，因而造成现有覆盖件模具系统的集成化程度和智能化程 度都比较低。 (3)软件专用性不强。目前国内自主开发的 CAD 软件较少，而多数厂家引进的国外 先进软件多为通用软件，故而专用性差。 (4)覆盖件模具技术的开发手段比较落后，开发的系统在质量、操作性、可靠性上 均难以保证，开发周期长。 一般来说，通用软件功能全，但专业性较差，很难满足特定模具设计、制造的需 要本文详细介绍了汽车覆盖件模具设计中标准件库

24、的组成和建立方法，对大型覆盖件 模拟优化都有一个系统的阐述，并且很好讲有限元的模拟结果用于实际的模具设计中。 解决了实际的周期长和成本高的问题。 1.5 本文研究的内容和方法本文研究的内容和方法 本课题针对车门外板窗台加强板的成形（大型覆盖件）先设计初步的设计方案， 然后通过有限元的仿真模拟，对车门外板窗台加强板的结构设计和工艺安排再次进行 分析改善，合理优化坯料的最后成形质量。从而完善凸凹模还有压边圈的设计，覆盖 件模具有两个非常重要的设计过程，即压料面设计和工艺补充面设计及拉延筋的分布。 本文的研究途径：此次毕业设计的研究是运用冲压 CAE 软件对车门外板窗台加强 板的冲压过程进行模拟分析

25、，验证模具设计和工艺措施的可行性，预测冲压缺陷问题。 - 6 - （1）要根据自己所学，然后利用利用搜索引擎、中/外文数据库、和各种图书资源， 查找模具设计相关手册，先拟定一个工艺方案。 （2）借助 Dynaform5.5 这个软件，通过有限元的仿真模拟来调试该方案的可行性 和合理性，进而指导模具的工艺设计。 （3）通过查找各种模具设计手册，结合大型覆盖件的生产经验，设计出一套合理 的拉延模具。 （4）通过 UG5.0 根据工艺补充面生成凸凹模，结合手册设计出拉延模具实体，并 且根据实际的零件尺寸选择合理的压边圈和压力机，完成这个拉延模具的装配，实现 零件的合理拉延成形。 - 7 - 第第 2

26、 章章 车门外板窗台加强板成形工艺分析车门外板窗台加强板成形工艺分析 2.1 覆盖件的成形特点覆盖件的成形特点 图 2-1 所示为典型覆盖件，其结构特点决定了它的特殊要求。 （1）表面质量 覆盖件表面上任何微小的缺陷都会在涂漆后引起光线的漫反射而损坏外形的美观， 因此覆盖件表面不允许有波纹、皱折、凹痕、擦伤、边缘拉痕和其他破坏表面美感的 缺陷。覆盖件上的装饰棱线和筋条要求清晰、平滑、左右对称和过渡均匀，覆盖件之 间的棱线衔接应吻合流畅，不允许参差不齐。总之覆盖件不仅要满足结构上的功能要 求，更要满足表面装饰的美观要求。 （应该介绍下汽车钣金件 A、B 不同要求不同） （2）尺寸形状 覆盖件的形

27、状多为空间立体曲面，其形状很难在覆盖件图上完整准确地表达出来， 因此覆盖件的尺寸形状常常借助主模型来描述。主模型是覆盖件的主要制造依据，覆 盖件图上标注出来的尺寸形状，其中包括立体曲面形状、各种孔的位置尺寸、形状过 渡尺寸等，都应和主模型一致，图面上无法标注的尺寸要依赖主模型量取，从这个意 义上看，主模型是覆盖件图必要的补充。 （3）刚性 覆盖件拉延成型时，由于其塑性变形的不均匀性，往往会使某些部位刚性较差。 刚性差的覆盖件在受至振动后会产生空洞声，用这样零件装车，汽车在高速行驶时就 会发生振动，造成覆盖件早期破坏，因此覆盖件的刚性要求不可忽视。检查覆盖件刚 性的方法，一是敲打零件以分辨其不同

28、部位声音的异同，另一是用手按看其是否发生 松驰和鼓动现象。 （4）工艺性 覆盖件的结构形状和尺寸决定该件的工艺性。覆盖件的工艺性关键是拉延工艺性。 覆盖件一般都采用一次成型法，为了创造一个良好的拉延条件，通常将翻边展开，窗 口补满，再加添上工艺补充部分，构成一个拉延件。拉延工序以后的工艺性，仅仅是 确定工序次数和安排工序顺序的问题。工艺性好可以减少工序次数，进行必要的工序 合并。审查后续工序的工艺性要注意定位基准的一致性或定位基准的转换，前道工序 为后续工序创造必要的条件，后道工序要注意和前道工序衔接好。工艺补充是拉延件 不可缺少的组成部分，它既是实现拉延的条件，又是增加变形程度获得刚性零件的

29、必 要补充。工艺补充的多少取决于覆盖件的形状和尺寸，也和材料的性能有关。工艺补 充的多余料需要在以后工序中去除。 2.2 零件工艺性分析零件工艺性分析 冲压件工艺性分析一般包括技术和经济两方面内容。在技术方面，根据产品图纸， 主要分析冲压件的形状特点、尺寸大小、精度要求和材料性能等因素是否符合冲压工 艺的要求；经济方面，主要根据冲压件的生产批量，分析产品成本。本文所指的覆盖 件工艺性分析的实质是将形状特征的拉延变形程度、局部成形变形程度、冲压方向、 圆角半径、翻边/孔高度、小孔尺寸、孔间/孔边距等影响成形性的参数与特征工艺性分 析模型中相应的工艺参数极限值进行比较，判断其拉裂、失稳或起皱的极限

30、程度，从 - 8 - 而确定冲压件的形状、结构是否适合于冲压加工。 图 2-1 各种覆盖件形状 图 2-2 车门外板窗台加强板零件 如图2-2所示为某轿车车门外板窗台加强板的零件图，制件成形质量的好坏直接影 响到车内覆盖件外观。制件材料采用DC04的普通钢板，料厚是1.2mm。制件除了具有 表面质量要求较高的特点外，还要具有一定的刚度和强度，制件的表面要求无起皱和 拉裂缩颈、压伤，边和孔要求毛刺符合要求等缺陷。因此，合理的冲压工艺方案与设 计可靠的模具结构是保证制件质量的重要因素。 DC04 是汽车覆盖件中经常用到的普通钢板，具有良好的抗腐蚀性和较好的强度， 屈服强度为 189MPa，抗拉强度

31、为 327 MPa，硬化指数为 0.127，各项异性指数为 1.94，材料的成形性能比较好。通过材料的性能特点，可以选择合适的拉延速度和调节 适当压边力，图 2-3 就可以直观的显示 DC04 在一般拉延情况下的应力应变图像，表 2-1 也总结了材料的各项性能. 表 2-1 零件材料性能 名称屈服强度抗拉强度硬化指数各项异性指数 DC04189MPa327MPa0.1271.94 零件 零件 零件零件零件 - 9 - 图 2-3 DC04 应力应变曲线图打出会很黑 汽车车门外板窗台加强板为浅拉深件，两端的高度比较大，在两端最容易出现拉 裂现象；材料在各处的流动速度和流动的方向也各不相同，工件内

32、部的应力分布不均 匀，很容易造成板料的起皱、翘曲，起皱、缩颈和拉裂是拉深过程中最容易出现的现 象，所以在模具设计时一定要考虑这两个方面的影响因素。影响因数主要有模具几何 条件、润滑条件和压边力的条件等。 2.3 汽车车门外板窗台加强板工艺方案的拟定汽车车门外板窗台加强板工艺方案的拟定 在大型复杂冲压件工艺方案设计中涉及的知识包括工序组合知识、工序排序知识 等. 1.工序组合知识 大型复杂冲压件工序组合是提高生产率和设备利用率、减少多次定位误差、保证 加工精度的有效手段。工序组合遵循的基本原则主要包括： （1）相同性质的成形内容在满足产品结构要求的条件下，尽量组成一道工序，即 工序聚类原则。 （

33、2）在保持工序数不变的情况下，尽量使得各工序模具的复杂程度一致，即工序 均衡原则。 （3）根据过去的成功经验进行工序组合，如修边和冲孔工序组合为一道工序，翻 边和整形工序组合为一道工序。常用的工序组合方式见表2-2，表中和分别表示最优 先和次优先采用的工艺组合方式。表示次较少采用的工艺组合方式。例如落料与拉延 组合仅限于落料形状是切角的时候；拉延与冲孔组合仅限于在压料面上冲定位孔；翻 边与修边的组合仅限于向下翻边的工艺。因此，工序组合不仅仅是简单的组合问题， 更包含了成形工艺、模具设计和生产操作等多方面的复杂决策问题。 根据车车门外板窗台加强板的零件的特点，以及覆盖件的工序组合知识，可以初 步

34、 定成形工序有拉延，修边、冲孔，冲孔、分切。 2.工艺排序知识 工艺排序知识是用于指导安排工序顺序，以便形成合理工艺路线的规则或原则。 根据生产实践和专家经验，可总结出以下工序排序的知识： （1）基本工艺路线： 落料拉延修边翻边（带翻边特征） ；落料拉延修边（不带翻边特征） ； - 10 - 落料成形（仅包含成形特征） 。 表2-2 覆盖件冲压组合方式 工序落料拉延修边冲孔翻边整形拆边切断 落料 拉延 修边 冲孔 翻边 整形 拆边 切断 （2）基本工序顺序：各工艺特征在成形冲压件时，应遵循基本的成形顺序。例如， 先落料后拉延；修边在拉延工序后进行；翻边一般安排在修边、冲孔之后。 （3）局部工序

35、顺序：根据形状特征到工艺特征的映射变换，各个形状特征映射出 来的工艺特征组具有一定的成形先后顺序，例如，在翻孔特征对应着冲孔和翻边工序， 且先冲孔后翻边。 结论：该车门外板窗台加强板的零件外形尺寸大，而且长宽比较大，可以考虑一 模两件，这样可以提高生产效率，提高板料的利用率。因为板料厚度比较薄，凸出和 凹陷的部位分布均匀，可以采用基本工序即：落料拉延修边（不带翻边特征） 。而 首次工序拉延是后面成形的基础，在拉延过程也常常出现各种缺陷，如拉裂、起皱。 3.成形工艺分析 零件的最大长度为 835.01mm，最大宽度为 101.38mm，因此考虑一次成形两个零 件。在拉延过程中为了防止起皱，通常设

36、置压边料和反拉深的方法。生成工艺补充面 的制件图如图 2-3 所示，可以估计毛坯的尺寸长 1500mm，宽 800mm。因此这是一个 复杂的大型覆盖件，毛坯的形状为规则的矩形，故可以直接采用剪板机剪裁下料。 汽车车门外板窗台加强板需要四个工序可以成形，首先是拉延，其次是冲非标准 孔，接着是冲标准孔，最后是分切。考虑到汽车车门外板窗台加强板形状特点，其成 形过程受力不均匀，必须制定一套合理的工艺方案，其优劣直接影响到产品质量、生 产成本以及生产效率。覆盖件的工艺性关键是拉延工艺性。覆盖件一般都采用一次成 形法，本次成形也可以只设定一次成形法。为了创造一个良好的拉延条件，通常将孔 补满，再加添上工

37、艺补充部分，构成一个拉延件。拉延后零件成形的好坏直接影响到 最后的零件质量的好坏，因此本文针对零件拉延工艺性进行分析，在此基础上，主要 对拉延成形过程进行数值模拟，确定并优化了拉延工序的工艺方案，最后设计出一套 合理的拉延模。 - 11 - 图 2-4 车门外板窗台加强板制件图 4.拉延成形优化工艺方案流程 拉延成形优化工艺方案的一般流程如图 2-4 所示，对于车门外板窗台加强板这一 覆盖件的拉延成形而言，工艺分析是否合理，需要采用有限元数值模拟软件进行分析， 调整具体的参数，进而判断设计的合理性。 图 2-5 拉延工艺方案优化流程 不好 不好 好拉延工 艺设计 有限元数 值模拟 调整计算 参

38、数 成形工艺性 分析 优化的工 艺方案 - 12 - 第三章第三章 汽车车门外板窗台加强板的成形模拟及优化汽车车门外板窗台加强板的成形模拟及优化 3.1 Dynaform 软件简介软件简介 3.1.1 Dynaform 的功能 Dynaform 软件是由 ETA 公司研制的基于 LS-DYNA 的钣金冲压分析软件包，它把 LS-DYNA、LS-NIKE3D 强大的分析能力与 EMB 的流程化前后处理功能结合起来。 Dynaform 分析的求解器是 LS-DYNA 和 LS-NIKE3D，这两个程序是通用的、非线性的、 动态的有限元分析程序，利用显式和隐式计算方法来解决结构及流体等问题，已经成

39、功地应用于钣金冲压的数值模拟。Dynaform 包括板料成形分析所需的与软件的接口、 前后处理、分析求解等功能。同时，近几年来加强了隐式算法的开发，实现了显、隐 无缝集成的功能，在完成冲压分析后，自动切换到隐式求解器进行回弹分析。在回弹 分析过程中，可以采用大的时间步长，提高回弹的计算效率。 Dynaform 的主要功能包括分析拉深、成形、弯曲、翻边、切边等板料成形过程中 的不同工序，也可以进行多步成形(或多工序加工)分析。通过用户己定义好的冲压工艺 及模具曲面形状来预测成形状态，其中包括减薄拉裂、起皱、回弹等各种问题;同时可 以对成形力、压边力、拉深筋、模具磨损等各种工艺问题进行分析，以便优

40、化工艺和 模具设计。因此本次设计可以选用 Dynaform 的这些功能对车门外板窗台加强板进行工 艺改善。 3.1.2 Dynaform 性能的特点 板料成形过程的物理描述是：在模具各部件（通常是凸模、凹模和压料板）的共 同作用下，板料发生大变形，板料成形的变形能来自强迫模具部件运动的外功，而能 量的传递完全靠模具与板料的接触和摩擦。因此我们假设：模具为刚体，模具的运动 课直接作为冲压系统的位移边界条件。将冲压过程的物理模型转化为力学模型，即动 量方程、边界条件、初始条件。课描述为：在给定的模具位移条件下，求得板料的位 移函数，并在任意时刻同时满足动量方程、边界条件和初始条件。这些都可以通过有

41、 限元的分析模拟。Dynaform 软件主要可以分为三个模块： （1）Dynaform 前处理：首先，它具有强大的图形文件导入功能，能够方便而无 数据丢失的读入 IGES 格式文件以及 UG、Pro-E、等主流 CAD 软件图形文件，同时我 们一额可以在 Dynaform 中很放方便的创建点、线、面等几何模型。做到从从导入几何 模型开始到计算结果的获得，无需再借助其他工具就可以方便地完成。其次， Dynaform 具有强大的网格自动剖分功能。它不但可以得到高精度的工具网格，也可以 产生我们所需的四边形网格和三角形网格，我们无须花费更多的时间对网格进行修补， 可以节省大量时间。再次，Dynafo

42、rm 中最具特色的 DFE（Die-Face Engineering）模块， 方便我们对模具进行设计。可以完成网格剖分、网格边界自动光滑、对称的定义、法 兰各种工艺补充面的设计、拉延筋的设计，冲压方向的调整，内部空洞的自动补充， 模具的定位等。最后，Dynaform 中的 BSE(Blank Size Engineering)模块，可以方便设计 坯料的形状，并且可以得到排样结果报告。 （2）Dynaform 求解器：Dynaform 的求解器采用了非线性动力显式有限元软件 LS-DYNA。包括丰富的材料模型和单元模型，可以根据实际冲压的材料选择合适的材 料模型和单元类型。 - 13 - （3）

43、Dynaform 后处理：可以用云图显示板料变形后的应力、应变信息，材料的 厚度分布信息等。这样，最后车门外板窗台加强板拉延成形效果可以看的很直观。可 以方便 3.1.3 Dynaform 进行成形分析的一般过程 (1)读入成形零件几何模型并进行有限元网格划分。 成形零件的几何模型通常由 CAD 软件(如 Pro-E，UG 等)设计获得，由板料成形数 值模拟软件直接导入其几何模型(如 Pro-E 的*.Prt 文件等)，或采用图形数交换标准 IGES 文件导入几何模型。然后利用板料成形数值模拟软件的网格划分模块对该零件进 行有限元网格单元划分。如果该零件几何模型中不包括工艺补充面部分，可应用板

44、料 成形数值模拟软件提供的模面设计功能，生成该零件的工艺补充面。 (2)定义成形工具 根据成形零件的结构尺寸和所使用的冲压设备的不同，拉深模可分为单动拉深模 和双动拉深模。成形数值模拟时应根据不同的模具结构，定义相应的成形工具。 (3)定义毛坯 在生成毛坯前，应首先进行毛坯尺寸的计算，利用一步成形法进行坯料尺寸和形 状的生成是当前板料成形数值模拟软件提供的重要功能。利用坯料的边界轮廓生成毛 坯的网格单元模型。同时在定义毛坯时应设置壳单元类型、板料的材料属性和接触类 型等。 (4)定义拉深筋 设置拉深筋是板料成形中控制冲压件成形的主要手段之一。拉深筋的根本作用是 为变形区板材提供附加阻力，合理改

45、变变形区板材的受力状态，达到顺利成形的目的。 在成形数值模拟中，拉深筋可以用两种方法来实现:一种是建立真实的拉深筋几何模型， 这种方法计算精度较高，但需要对板料进行网格细化，大大增加计算时间;另一种是建 立等效拉深筋模型，即用等效的约束边界条件来代替实际拉深筋的影响，这种方法计 算效率高、调整方便，所以得到了广泛的应用。 (5)设置成形参数 成形参数包括载荷、模具的运动控制和边界条件的设置等。 (6)求解器计算 在生成求解器输入文件前，还应设置求解器参数，如自动适应网格划分、输出控 制参数等，然后由板料成形数值模拟软件生成求解器的输入文件(如 LS-DYNA 的 DYNA 控制文件*.dyn

46、和 DYNA 模型文件*.mod)，提交给求解器进行计算。 (7)后置处理 求解器完成计算后，必须对计算结果进行后置处理，以图形方式来直观地显示计 算结果，实现计算的可视化。后置处理模块的功能包括: 应力、应变和厚度的等值线图，通过等值线图可以直接观察出应力、应变和厚 度的分布情况; 应力、应变和厚度的云图，云图可对不同等值线区域用不同的颜色进行填充， 这样可以更加形象地反映出应力、应变和厚度的分布情况; 成形极限图的显示，可以直观、方便地判断板料的成形性; 变形过程的动画显示，可以直观地观察变形过程; 截面应力、应变等物理量变化显示; 根据分析计算结果，可以对板料成形过程的成形参数或模具提出

47、修改意见，指 导实际的模具设计。 - 14 - 3.2 汽车车门外板窗台加强板模拟的过程汽车车门外板窗台加强板模拟的过程 3.2.1 汽车车门外板窗台加强板模拟的前处理 （1）将 UG 平台建好的零件曲面模型以 iges 的格式输人到 Dynaform 中，对零件 模型进行一定的简化后，划分网格，检查并修补网格。删除重叠的单元，调节平板法 向一致。一般来说，板料单元尺寸和模具圆角处单元尺寸是最重要的考虑因素，也是 人们讨论得最多的因素。板料单元尺寸对成形计算的精度影响巨大，划分得越密，描 述越准确，成形时与模具贴合越紧密，计算精度也高。模具圆角处单元的大小直接代 表了对模具形状描述的准确性，板

48、料流经模具圆角时会产生剧烈弯曲变形，所以模具 圆角处单元尺寸和板料单元尺寸之间也存在一定的配合问题。Dynaform 中板料网格采 用自适应网格(Adaptive Mesh)的网格划分方法，凹模与凸模的圆角网格尺寸为圆角尺 寸的 1/5 倍。图 3-1 为导入零件后划分网格的模拟图。网格最大尺寸为 10mm，还要检 查是否有重贴的单元、内角以及锥度。 图 3-1 零件划分网格图 （2）通过 Dynaform 中的模面设计 DFE-Preparation-INNER FILL 进行内部空洞填 充，利用 DFE-Preparation-OUTER SMOOTH 对模型边界进行光滑处理，利用 DFE

49、- Addendum 生成工艺补充面。 （3）通过偏置处理生成压料面最后创建过渡面。然后根据毛坯的形状创建矩形毛 坯并且通过坯料工程定义，对毛坯也进行网格划分。 （4）在 Quick SetupDraw Die（快速设置）中对各部件定义，偏移生成凸模。最 后完成前处理后的汽车车门外板窗台加强板有限元分析模型如图所示： 图 3-2 有限元的分析模型 - 15 - 3.2.2 仿真参数的设定及提取计算 在成形分析中使用的工艺参数，有些要符合实际情况，有些为了适应分析，需要 进行调整。 （1）冲压速度：我们希望冲压速度越快越好，这样可以提高生产效率。但是，过 快的冲压速度，会引起板料塑性变形不充分，还可能会导致板料内部应力的集中，增 加制件的破裂倾向。因为，金属的塑性变形实质上是由位错运动引发晶体滑移的结果， 如果冲压速度过快，会导致位错运动来不及充分发生，因而金属的塑性变形也就不能 完全进行。另一方面，冲压速度过快，极易造成变形剧烈区域的最大拉应力在瞬间达 到或超过板料的极限拉应力或者是最大剪切应力瞬间达到金属晶体滑移的极限剪切强 度而造成局部破裂。冲压速度也不能太慢，虽然慢的冲压速度有利于板料的塑性变形， 但是会降低生产效率。 所以，冲压速度必须选择适当，既要能使板料的塑性