1610.镁合金薄板成形过程有限元模拟——镁合金筒形件拉深成形过程的数值模拟 论文正文.doc

本科生毕业论文毕 业 论 文镁合金薄板成形过程有限元模拟镁合金筒形件拉深成形过程的数值模拟 Magnesium Alloy Sheet Forming process finite element modelingNumerical simulation of Forming process during Deep Drawing of Barrel Type Piece Magnesium Alloy专 业： 机械设计制造及其自动化 班级学号： 学生姓名： 指导教师： 摘 要冲压工艺在现代制造业中，特别是汽车、摩托车、轻工、家电和电器仪表行业应用非常广泛，是目前材料成形及模具技术领域最热门的工艺方法之一。变形镁合金在以上领域的应用越来越广泛。本文主要研究镁合金筒形件拉深成形过程的数值模拟。近年来，随着计算机技术和有限元分析技术的飞速发展，金属板料冲压成型过程的计算机模拟技术正逐渐从实验研究走向实际生产。本文主要阐述了怎样利用有限元软件DYNAFORM，对镁合金筒形零件在冲压过程中出现的缺陷问题进行数值模拟及实验研究，分析了不同参数下的各个变形过程。分析结果表明，镁合金板料拉深成形的深度越大，越容易拉裂；取合适的压边力、合适的坯料大小可以有效减少起皱；同时润滑条件对起皱的影响也很大，有效的润滑可以减少起皱；模具圆角的大小也对板料成形有影响，合理的圆角大小可以消除起皱、拉裂等现象；坯料相对厚度越小，起皱越严重。通过数值模拟分析，制定合适的变形参数和有效的润滑条件,可以加强板料成形的合理性。这对实际生产具有指导意义，从而也可以提高产品质量。关键词：镁合金筒形零件；冲压；有限元；DYNAFORM软件 引 言一、 研究工作的目的镁合金是在工程应用中密度最低的金属结构材料，具有高比强、高比模、高阻尼、电磁屏蔽以及优异的铸造、切削加工性能和易回收等优点，在汽车、电子、航空航天、国防等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景，被誉为“21世纪绿色工程材料”。随着很多金属矿产资源的日益枯竭，镁以其资源丰富而日益受到重视。目前镁及其合金材料的研究已成为世界性热点。我国镁资源极其丰富，镁工业发展迅速。本课题基于镁合金的成形机理，利用有限元分析软件DYNAFORM来模拟镁合金筒形件拉深成形过程，分析该过程中产生的起皱现象以及如何优化各个参数以消除起皱现象，达到完美的拉深效果，更好的应用于实际生产当中，具有很大的实际应用意义。二、研究工作的范围以及相关领域本课题研究的范围广，设计的相关领域颇多，主要包括板料的冲压成型技术、有限元的数值模拟分析和DYNAFORM软件的应用与分析等等。1、冲压技术发展的特征近十多年来，随着对发展先进制造技术的重要性获得前所未有的共识，冲压成形技术无论在深度和广度上都取得了前所未有的进展，其特征是与高新技术结合，在方法和体系上开始发生很大变化。计算机技术、信息技术、现代测控技术等冲压领域的渗透与交叉融合，推动了先进冲压成形技术的形成和发展。纵观上世纪的发展历程可见： 1）冲压性能的研究和改进是与冲压技术的发展相辅相承的。2）汽车、飞机等工业的飞速发展，以及能源因素都是冲压技术发展的主要推动力。进入新世纪，环境因素及相关的法律约束日益突出，汽车轻量化设计和制造成为当前的重要课题。3）成形过程数字化仿真技术的发展，推动传统冲压技术走向科学化，进入先进制造技术行列。4）冲压技术的发展涉及材料、能源、模具、设备等各方面。工艺方法的创新及其过程的科学分析与控制是技术发展的核心；模具技术是冲压技术发展的体现，是决定产品制造周期、成本、质量的重要因素。冲压技术的发展与材料和结构密切相关。预计未来10-15年，环境要求和日益严格的环保法律，将促使汽车材料和结构发生很大变化。为了减少城市的排放量，汽车力求轻量化，其最突出的发展方向是提高所用材料的比强度和比刚度及发展高效的轻量化结构。现代车身结构中，高强度钢约占25%。目前在继续开发超高强度钢的同时，结合发展新的“高效结构”和制造技术，争取使车身重量减少20%以上。但更引人关注的努力方向是扩大铝、镁等低密度合金材料在汽车上的应用。2、板料成形模拟技术在工业中的作用 一般说来，板料成形有限元软件可以对薄板成形件的成形结果进行分析、评价，帮助工程师进行产品工艺可行性研究和模具设计制造，优化板料成形工艺，优化成形参数，对新材料的评估，对产品的设计开发提出修改建议。有限元模拟的作用大致可以归纳如下: (1)缩短模具制造周期 从制件的构形设计、模具设计、调试直至投产的整个周期来看，模具制造是影响整个进度的关键，通过使用有限元模拟技术，能有效提高模具设计，特别是工艺设计的可靠性，缩短调试周期。通过模拟，找出影响因素(如压边力、润滑等)的变化趋势，指导模具生产的进行。 (2)节省费用 有限元模拟引人各种材料参数和工艺参数，对冲压工艺进行全面而且有效的评估，从而减少发生工艺设计不合理的机会，缩短调试周期，减少修模次数，减少模具设计和制造费用。减少模具报废也是节省费用的一个方面。有时，还可以取消软模试验。 (3)提高零件的质量和使用性能 保证零件的形状和尺寸精度，有效地控制成形中材料的塑性变形程度，从而控制材料的塑性硬化程度，改善零件在使用中的力学性能。 (4)降低零件废品率 为零件成形找到合适的生产工艺，保证零件成形的进行。 (5)合理的选用成形材料根据模拟分析结果，获取生产材料所需的各项力学性能指数，合理的选用成形材料;用计算机模拟技术进行毛坯尺寸的准确计算，减少不必要的原材料浪费，从而降低成本。3、DYNAFORM软件的功能DYNAFORM是美国（Engineering Technology Associates Inc.）ETA公司和LSTC公司联合开发的用于板材成形过程的专用软件。它集成了DYNAFORM本身功能强大的前处理功能和Eta-Post后处理软件以及LSTC公司开发的有限元动力显示求解器960和970。DYNAFORM的求解器LS-DYNA是采用显隐结合的算法进行板材成形模拟的最具有代表性的软件，在模拟冲压成形过程中，计算稳定，效率高。LS-DYNA是目前业界公认的板料成形模拟结果准确性最好的软件之一。DYNAFORM的后处理功能使用户可以用云图显示板材变形后的应力、应变信息，材料的厚度分布信息等。作为一款专用的板材成形软件，DYNAFORM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，从而为板料成形工艺及模具设计工作提供帮助，帮助模具设计人员显著减少模具的开发设计时间及试模周期。 三、研究工作的主要路线本课题主要利用 DYNAFORM软件有限元法对板料冲压成形过程进行有限元法的定量分析和数值模拟，分析镁合金筒形零件成形过程并解决在成形过程中出现的缺陷。1文献综述1.1 冲压技术的现状和发展趋势近十多年来，随着对发展先进制造技术的重要性获得前所未有的共识，冲压成形技术无论在深度和广度上都取得了前所未有的进展，其特征是与高新技术结合，在方法和体系上开始发生很大变化。计算机技术、信息技术、现代测控技术等冲压领域的渗透与交叉融合，推动了先进冲压成形技术的形成和发展。冲压技术的真正发展，始于汽车的工业化生产。20世纪初，美国福特汽车的工业化生产大大推动了冲术的研究和发展。研究工作基本上在板料成形技术和成形性两方面同时展开，关键问题是破裂、起皱与回弹，涉及可成形性预估、成形方法的创新，以及成形过程的分析与控制。但在20世纪的大部分时间里，对冲压技术的掌握基本上是经验型的。分析工具是经典的成形力学理论，能求解的问题十分有限。研究的重点是板材冲压性能及成形力学，远不能满足汽车工业的需求。60年代是冲压技术发展的重要时期，各种新的成形技术相继出现。尤其是成形极限图（FLD）的提出，推动了板材性能、成形理论、成形工艺和质量控制的协调发展，成为冲压技术发展史上的一个里程碑。 由于80年代有限元方法及CAD技术的先期发展，使90年代以数值模拟仿真为中心的和计算机应用技术在冲压领域得以迅速发展并走向实用化，成为材料变形行为研究和工艺过程设计的有力工具。汽车冲压技术真正进入了分析阶段，传统的板成形技术开始从经验走向科学化。冲压成形技术的发展趋势进入90年代以来，高新技术全面促进了传统成形技术的改造及先进成形技术的形成和发展。21世纪的冲压技术将以更快的速度持续发展，发展的方向将更加突出“精、省、净”的需求。冲压成形技术将更加科学化、数字化、可控化。加入WTO以后，中国的汽车工业、航空航天工业等支柱产业必将有大的发展。我国的冲压行业既充满发展的机遇，又面临进一步以高新技术改造传统技术的严峻挑战。国民经济和国防建设事业将向冲压成形技术的发展提出更多更新更高的要求。我国的板料加工领域必须加强力量的联合，加强技术的综合与集成，加快传统技术从经验向科学化转化的进程。加速人才培养，提升技术创新能力，提高冲压技术队伍的整体素质和生产企业的竞争力。1.2 有限元算法和模拟 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。 1.1.1有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下： 1、物体离散化 将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。离散后单元于单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定（一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大）。所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同新材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。 2、单元特性分析 1）选择位移模式 在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用范围最广。 当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元总的一些物理量如位移，应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法我们就将位移表示为坐标变量的简单函数。这种函数称为位移模式或位移函数。2）分析单元的力学性质 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。 3）计算等效节点力 物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上得力。 3、单元组集 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程。有限元模拟算法主要分为：静态隐式和动态显式算法。在实际计算中静态隐式算法不能保证迭代计算的收敛性而且求解规模巨大，通常用于二维模拟计算问题。比如本文所用的CAE类仿真模拟软件Dynaform就是主要以计算二维、片体等为主而动态显式算法基于动态平衡方程，不需要迭代求解。对于三维模拟计算问题则更为有效，例如Deform软件。模具在成形过程中的模拟分析一般采用动态显式算法。由于零件的成形过程包含几何材料和接触的非线性问题。还可以将加载过程的动态显式分析和卸载回弹过程的隐式分析结合起来 进行有效的数值计算。1.1.2板料成型过程的有限元模拟：自从六十年代提出有限元方法，近十年，关于板料成型的数值模拟的研究，绝大多数采用有限元法。作为一种有效的数值模拟方法，板料成型有限元模拟的大量研究工作集中在非 线形弹塑性成型问题的定解条件和求解技巧。定解条件的准确性和求解速度对数值模拟的成败至关重要。有限元方法的灵活性为模拟各种定解条件提供了可能。 1、材料特性 多数有限元程序处理板料可分为刚塑性与弹塑性两类。还有考虑刚粘塑性和弹粘塑性材料。塑性变形的本构方程分增量理论、全量理论两种。塑性应力应变强化模式有线形强化、分段线形强化、指数强化等。 2、单元类型 根据板料冲压成型的力学特点，有限元模拟采用的单元基本上是薄膜板壳元、弯曲板壳元或两种单元组合。其单元又有二维、三维之分，偶尔也有用实体元的，模拟对象多为一般轴对称件、半球件、盒形件。 3、边界条件 冲压模具、工件压紧装置的几何形状，外力、摩擦条件、接触条件等边界条件的准确性是有限元模拟成败的关键之一。 接触问题长期为数学力学工作者所关心，求解途径有二：直接法和数学规划法。第一种方法在有限元方法中直接设定接触边界条件，通过反复试算获得解答；第二种途径在给定的接触边界约束下求解势能最小的解，解这种数学规划问题的方法又分二次规划法、罚函数法、拉格朗日乘子法等几种。 在成形过程中，有的不考虑摩擦问题(模具与夹具间)，有的采用简单的库仑摩擦定律将摩擦条件转换为接触条件，还有考虑相邻单元之间的摩擦力的。 一般说来，板料成形时冲压模具可认为是刚性的，因此模具与板料间的接触可视为变形体与任意形状刚体之间的接触 。 4、网格划分 有限网格可以在Dynaform软件中进行自动的划分。 5、求解方法成功地用于简单模具的方法对复杂问题不一定总是有用，即便解答得到了，精度还经常成问题。另外，解答的有效性和强度也非常重要，问题甚至不能简单地用先进的计算机来解决，许多研究是瞄准模拟算法的精度、强度、有效性，从而创造条件使复杂板料成形模拟变换更可靠。Dynaform软件中自带的求解器功能非常强大，较之以前的一些有限元分析软件功能强大了很多，计算结果也比较接近于实验数值。6、成形趋势 板料成形的数值模拟就是在定解条件下通过数值求解预测并显示破裂、起皱、回弹、板料厚度变化等成形趋势。对成形趋势的准确性直接标志数值模拟的好坏，从塑性成形理论看，预测成形趋势的最重要的因素是应变分布，破裂判据、起皱判据、回弹、厚度变化等都是在应变分布基础上作出直接或合成的判断。1.3 DYNAFORM的应用以下结合生产中的实际，举例说明利用DYNAFORM软件进行的拉深成形数值模拟。对于非规则的拉深件而言，坯料形状对拉深成形中料的流动阻力有很大的影响，同样的工件，由于坯料几何形状不同，在成形时产生的应力状态有很大的区 别。所以，如何优化坯料的形状显得尤为重要。下面是某公司生产的NSW 型手制动机箱壳是非规则的拉伸成形件，见图2所示。手制动机壳体采用厚度为 4mm的 Q235 材料，在中厚板成形工艺中，它属于非规则的拉伸件。从图1可以看出，该件包含盒形拉伸和圆锥形拉伸两种变形，在成形中容易出现断裂现象。通过实验测得材料性能参数扬氏模量 E=207GPa；泊松比=0.3；屈服应力 =36483Mpa；硬化指数n=0.186；板厚=4ram；各向异性系数 R=0.747；凸凹模与板材之间的摩擦系数f=0.15，压边圈与板材之间的摩擦系数f=0.1。模具部件及板料的几何模型在 ProE中创建。由DYNAFORM的IGES接口读入，进行前处理。手制动机壳体其数值模拟有限元模型的单元个数为7146个，节点个数为7189个，其中板材的单元个数为2578个，节点个数为2652个。图 3、图 4为板料优化前的厚度变化云图和成形极限云图(FLD)；图 5、图 6为板料优化后的厚度变化云图和成形极限云图。从模拟结果可以知道，板料形状优化前，由于圆锥拉伸部分材料流动变形阻力较小，而盒形角部进料阻力较大，按成形最小阻力原理，盒形角部板料流动变形较少，导致底部圆角处开裂，该处厚度变薄达33，从FLD曲线看，该区域已经超过临界线，即使压边力降到16t，模拟结果变化不大。板料形状优化后，圆锥拉伸部分的板料尺寸适当加大，以平衡盒形角部进料阻力，压边力给定为26t，从模拟结果看，盒形底部圆角处厚度变薄为19，从FLD曲线看，该区域处于临界线内。1.4 镁合金1.4.1 镁合金的特点： 1）重量轻，镁金属是目前世界实际应用中重量最轻的金属结构材料。比重只有 1.8，分别为铝的1/3和铁的1/4。2）镁合金相对比强度（强度与质量之比）最高。比刚度（刚度与质量之比）接近铝合金和钢，远高于工程塑料。其比强度高达133，可以和钛的比强度相媲美。3）在弹性范围内，镁合金受到冲击载荷时，吸收的能量比铝合金件大一半，所以镁合金具有良好的抗震减噪性能。弹性模量小，刚性好，抗震力强，长期使用不易变形。 4）镁合金熔点比铝合金熔点低，压铸成型性能好。镁合金铸件抗拉强度与铝合金铸件相当，一般可达250Mpa，最高可达600多Mpa。屈服强度，延伸率与铝合金也相差不大。 5）镁合金具有良好的压铸成型性能，压铸件壁厚最小可达0.5mm。适应制造汽车各类压铸件。 6）镁合金件稳定性较高压铸件的铸造行加工尺寸精度高，可进行高精度机械加工。 7）电磁屏蔽性能，防辐射性能好。对环境无污染。 镁合金作为工业应用中最轻的金属结构材料，由于具有密度低 、比强度和比刚度高、抗震及减振能力强、电磁屏蔽效果优异、尺寸稳定、导热性好 、机械加工性能优良及易回收等优点，在电子、电器、通讯 、汽车、交通、航空、航天等领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景。但是，镁合金的密排六方结构，传统上被视为一种塑性加工性能差的金属材料，所以其加工方式局限于铸造特别是压铸方面，然而，铸造件存在力学性能差，壁厚受到限制、易产生缺陷等缺点，大大限制了镁合金的应用范围和使用性能。所以，对其塑性加工技术的研究已成为镁合金研究和发展的方向，并已取得了一定的成果，通过挤压、轧制等塑性加工工艺加工的镁合金板材具有更高的强度、更好的延展性和更多样化的力学性能，这就为镁合金冲压工艺的开展奠定了基础。随着市场对镁产品需求应用领域的不断拓宽，从航空、航天、汽车零部件、钢铁脱硫、合金压铸件、3C产品的广泛应用，到民用产品的不断研发，以及镁合金技术的进一步研究，镁产品的发展愈来愈显现出它独特的不可替代优点。同时由于镁合金较好的加工性能、较强的机械性能、重量轻、韧性好、屏蔽性好，越来越受到人们的青睐。1.4.2 镁合金塑性成形的特点镁合金的塑性加工性能主要与变形温度、合金的成分及组织、变形速率、成形工艺等影响因素密切相关。镁合金的塑性成形主要有以下几个特点：1）对加工温度敏感 温度是影响镁合金的塑性变形能力的关键因素，镁合金的塑性成形温度区间较窄，一般在300-450的区间内。当成形温度低时，镁合金的变形能力差，易产生冷裂纹。温度过高时，合金中的某些低熔点相可能在成形的过程中熔化，在应力作用下易产生热裂纹。此外，成形温度过高，也会造成零件显微组织的晶粒粗大，直接影响材料服役的性能。2）合金成分与显微组织的不同，镁合金的塑性成形工艺条件也不同 一般说来，随着合金元素含量的增加，镁合金的塑性变形能力变差，从而导致其塑性成形能力下降。原始显微组织粗大也可造成材料的塑性成形能力的降低。3）加工速率慢 镁合金的塑性变形能力差，在热加工过程中需要动态回复与动态再结晶来提供其持续变形的能力。而动态回复和动态再结晶的进行程度与时间有关，这就决定了镁合金的塑性加工速率比较慢，生产效率低。例如，镁合金的轧制速率一般在10 m/min的量级，约是钢的热轧速率的1/10左右。铝合金、低碳钢、铜合金等可以进行高速的锻造，而镁合金的锻造主要是在慢速的压力机上进行。增大塑性加工变形的速率，极易导致表面裂纹。4）变形抗力大 在塑性加工的温度范围内，镁合金比铝合金具有更高的屈服强度。5）流动性差 镁合金的黏性很大，造成镁合金填充深空模腔的能力要差得多。对于铝合金要两付模具可以完成的锻件，如果用镁合金制造同样的锻件则需要三付模具。另外，模具内表面要进行抛光、润滑来促进加工中的金属流动。6）镁合金的导热性能好 在加工中的热量流失快,如在轧制加工中，镁合金坯料的热量损失过快，需要加热轧辊及道次间隙加热坯料来保证塑性变形能力。7）制件具有力学行为的各向异性 在塑性加工过程中，由于晶内滑移和孪晶仍起着重要作用，使得再结晶晶粒出现择优取向从而形成结构。镁合金是hcp晶体结构，最常见的变成组织结构为0001基面结构。由于结构的存在，使得镁合金塑性加工后在力学性能上具有各向异性。根据实验结果，可以看出，对于挤压件来说，在挤压方向上材料强度最高。而在垂直于挤压方向的界面上，材料的强度较低。另外，材料的强度还与受力状态有关。一般来说，塑性加工后材料受拉时的屈服强度要比受压时屈服强度高得多。因此，在零件设计时要充分考虑结构的影响。1.4 镁合金拉深工艺发展趋势 目前，镁合金拉深工艺的研究已经取得了一定的成果，但主要局限在较为传统的冲压工艺，针对其拉深成形性能进行研究。为了进一步提高镁合金拉深成形性能，扩大镁合金的应用范围，今后可在以下几个方面展开研究： 1)根据已有的对其它材料拉深工艺的研究，结合镁合金的特点，研究镁合金板料的化学成分、组织与制造过程等因素所决定的材料性能与拉深成形之间的关系，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，以此来提高镁合金的拉深成形能力与生产效率。利用一些先进的拉深技术，如变压边力控制技术，温度分布控制技术、切分式压边圈辅助摩擦技术、高温液压成形技术、气胀成形等，并与计算机技术相结合形成的智能化冲压技术已经成为冲压工艺发展的重要方向与趋势，而由此也必将极大的促进镁合金拉深技术进步与提高。3)结合有限元(FEM)分析技术，研究镁合金拉深变形行为，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，降低生产成本，提高生产效率。 4)根据镁合金板料特征和零件要求，对拉深模具的几何形状进行优化设计，以提高其成形能力，并制造出结构更为复杂、精度更高的镁合金拉深件。 5)对镁合金拉深变形过程中组织结构、力学性能等的变化以及各工艺参数对变形后 镁合金产品组织、性能等的影响进行研究，以明确成形后镁合金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。2实验过程2.1 简单校核模具尺寸本文选取带凸缘的筒形件为拉深实验件，首先需要确定各个部分尺寸。给定拉深件直径为50mm ,材料是牌号为AZ31B的镁合金薄板，冲压方向为90°方向轧制，板料厚度为t=1mm。2.1.1 拉深模的凸凹模圆角尺寸确定查冷压模具设计与制造得，带凸缘件拉深凹模圆角半径为=（6-10）t，对于本实验=6mm。则凸模半径= (0.61.0)rd=1.0t=6mm。2.1.2 拉深次数的确定圆角部位拉深系数 式中，r：拉深件圆角半径，。 R：圆角部分的坯料半径，。由毛坯相对厚度可查高性能变形镁合金及加工技术书中图6-36 拉伸实验得极限拉深系数。因为 ， 所以，只需要拉深一次。2.1.3 是否使用压边圈的确定略估算普通平面凹模拉深时的不起皱条件：首次拉深： 式中， ：材料厚度，；：毛坯直径，；：首次拉深系数；则 所以，在拉深过程中会起皱，需要加压边圈。2.1.4 拉深模的间隙确定拉深模的凸凹模之间的间隙对拉伸力、零件质量、模具寿命等都有影响。间隙小，拉伸力大，模具磨损大；但冲压件回弹小，精度高。间隙过小，会使拉深件严重变薄甚至拉裂。间隙过大，坯料容易起皱，冲压件锥度过大，精度差。因此，应根据板料厚度及公差、拉深过程板料的增厚情况、拉深次数、拉深件形状及精度要求等，正确确定拉深间隙。在该实验条件下，在拉深时会发生起皱现象，所以需用压边圈，查冷冲压成形工艺与模具设计制造书中表616得 式中， ：拉深模的凸凹模间隙，；： 毛坯厚度，；：系数，精度要求较高的拉深件取小值，精度要求较低得拉深件取大值。由于t=1.0mm，则 即单边间隙为1.1mm。 2.1.5 压边力的确定根据经验公式 其中 ：压边力， ：毛坯直径，mm ：拉深件直径，mm ：凹模圆角半径，mm ：单位压边力，则 = 其中，根据简单件单位压边力一般为2，所以取2。2.2DYNAFORM软件模拟2.2.1 DYNAFORM软件使用详细步骤：在应用DYNAFORM软件板料成形过程时主要包括三个基本部分，即建立计算模型、求解和分析计算结果。具体应用步骤表述如下：直接在DYNAFORM的前处理器中建立模型或在CAD软件（如UG、CATIA、PRO/E等）中根据拟订的成形方案，建立板料、对应的凸模和凹模的型面模型以及压边圈等模具零件的面模型，然后存为IGES、STL或DXF等文件格式，将上述模型数据导入DYNAFORM系统。利用DYNAFORM软件提供的网格划分工具对板料、凸模、凹模、压边圈进行网格划分，检查并修正网格缺陷（包括单元法矢量、网格边界、负角、重叠结点和单元等）。定义板料、凸模、凹模和压边圈的属性，以及相应的工艺参数（包括接触类型、摩擦系数、运动速度和压边力曲线等）。调整之间的相互位置，观察凸模和凹模之间的相对运动，以确保模具动作的正确性。设置好分析计算参数，然后启动LS-DYNA求解。将求解结果读入DYNAFORM后处理器中，以云图、等值线和动画等形式显示数值模拟结果。分析模拟结果，通过反映的变化规律找到问题的所在。重新定义工具的形状、运动曲线，以及进一步设置毛坯尺寸，变化压边力的大小，调整工具移动速度和位移等，重新运算直至得到满意的结果。2.2.2 举例说明模拟起皱现象的主要步骤与分析已知成形件直径=50mm ,选择凸模直径=24.45mm，凹模直径=25.55mm，凸模圆角=6mm，凹模圆角=6.5mm,拉深高度h=25mm，则可以根据以下公式计算出毛坯的直径。 其中，：凸缘直径，mm；：成形件直径，mm；：拉深深度，mm；：圆角半径，mm因为模拟成形的是窄凸缘筒形件，所以根据查冷冲压成形工艺与模具设计制造选择，因为=50mm，所以=70mm。则， =94mm1）模型的建立在CAD软件UG中建立模型，包括凸模、凹模和毛坯。图2-1 在UG中建模（图示，上端是凹模PUNCH，中间是毛坯BLANK，下端是凸模DIE。因为在UG中不容易生成压边圈，所以压边圈在DYNAFORM系统中生成。）2）模型的导入和网格划分在UG中把BLANK、DIE、PUNCH分别生成IGES格式的文件，导入DYNAFORM系统。之后根据DYNAFORM系统中的工具菜单栏中PreprocessElement进行凸、凹模和毛坯的网格划分。之后再进行网格检查，如果划分的网格有漏洞，则需要修补或重新划分网格。因为本实验做的是带凸缘的筒形件，属于简单件的模拟，选用的板料毛坯为圆形，所以使用软件自动划分网格的功能即可。但是网格需要划分多大，是一个需要解决的问题。因为网格划分原则是越小越好，所以经过前期熟悉软件的过程，我做了大量试验，结果得出网格划分为1是最合理的。所以之后的整个试验过程，我均选用网格划分为1。例如，板料厚度为1mm，拉深深度为25mm，坯料直径为50mm的镁合金筒形件拉深数值模拟过程中的网格划分。板料的网格划分，单元个数为6979，节点个数为7056；凹模网格划分，单元个数为10335，节点个数为18633；凸模网格划分，单元个数为10511，节点个数为17490；压边圈的网格划分，单元个数为3890，节点个数为29242。图2-2 凸、凹模和毛坯的网格划分3）生成压边圈利用凸模PUNCH的凸缘通过菜单栏上的工具按纽Preprocess ElementCopy可以生成压边圈。图2-3 压边圈的生成（绿色部分为生成的压边圈）4）LS-DYNA 970运算器运算合理定位之后，定义毛坯、凸模、凹模和压边圈的属性。测量凸、凹模之间的距离、凸模和压边圈之间的距离，之后定义凸模和压边圈的运动。图2-4 凹模DIE的运动加载曲线 图2-5 压边圈BINDER上压边力的加载曲线凸模运动利用速度控制。实际生产中使用的油压机速度低，凸模实际速度约为 2mm/s左右。由于DYNAFORM采用显式算法，对速度不敏感。为加快运算，可以直接增大时间步长的值，或提高模具的虚拟运动速度。研究表明，当虚拟速度是实际速度的 1000倍左右时，模拟结果的对误差较小一。所以这里的虚拟速度取 2000mm/s。压边圈运动的控制可以分为两个阶段，第一个阶段是利用速度和力一起控制，第二个阶段是利用力来控制。结果证明后者对于解决起皱现象是合理的，因为利用速度和力一起来控制的话，速度控制是几乎不起作用的，凹模与压边圈之间预留的间隙在模拟过程中无法保证始终如一，所以单用压边力来控制。压边圈运动利用力控制。最开始做实验时，压边力的大小是根据经验来选取的，经过查阅大量资料之后，得到了一个经验公式，根据此经验公式算出的力的大小，经过软件模拟及反求验证，结果证明是可行的，所以压边力的大小就选取利用经验公式算出的力的大小。完成以上设置后，保存文件，由板料成形数值模拟软件生成求解器的输入文件(如 LSDYNA的DYNA控制文件 *Dyn和DYNA模型文件 *mod)，提交给DYNAFORM有限元动力显示求解器(LSDYNA 970求解器)进行求解。5）Eta/Post GL后置处理 LSDYNA利用*dyn和*mod两文件的数据，按照一般有限元运算步骤迭代计算，输出各个时间步后处理所需的数据文件d3plot。Eta/Post GL读进d3plot文件进行后处理，它可用来生成各个时间步的板料变形图和成形极限图(FLD)；级联菜单View/Profile(查看/分布)能以表格形式列出多个节点在所选时间步的位移、正(剪)应力和应变、弯矩、扭矩、剪力或板厚等物理量的数据；菜单View/List contour value(查看/ytj出等值线值)可列出所选节点在某时间步的位移、速度、加速度或其他物理量的数据，画出板料在整个变形过程中该物理量的时间曲线图，以及找出使它取最大值的节点号和所处工件的部位；菜单View /Nodetrace(查看/节点路径)可图示一个或多个节点当板料连续变形时所经历的路径；而Eta/Graph则用曲线显示d3plot文件中各物理量的数据对成形仿真结果进行评估，通过后处理器查看工具的运动、位移、成形过程中系统的能量变化以及工具与板料之间的接触等等以判断仿真的可靠性。6）FLD成形极限图说明图2-4 FLD成形极限图如图所示，其显示色系的意义如下： 1)红色区域破裂区域2)黄色区域有拉裂趋势的区域3)绿色区域一一正常变形过程（属安全变形）4)蓝色区域拉压变形区域（安全变形）5)粉红色区域起皱区域相邻两色之间的区域在图中表示临界区，对应的曲线则表示临界曲线。依照如上所述可以预见工艺规程的危险性，如果板料单元实际变形落于临界区，则说明很危险，废品率较高；如果实际应变值落在临界曲线上，说明有相当的危险，对各条件须严格控制；如果落在远离临界曲线的地方，则说明过分安全，板料还有变形的潜力。将求解后得到的d3plot文件利用软件的Post-Processor程序进行后续分析，由图3-4最终变形的FLD 图可知，板料单元进行冲压成形时，其大多数变形区落在安全区内，一小部分起皱，一小部分有拉裂趋势，有一点破裂。经Dynaform软件对镁合金筒形件拉深成形过程的仿真模拟分析可知，以筒形件的结构设计相应的拉深模具，是能够得到符合要求的冲压件的，至此，关于零件及其拉深模具的结构论证工作结束。3不同试验结果分析比较及讨论3.1 带凸缘筒形件的拉深变形特点带凸缘的筒形件，其凸缘未被全部拉入凹模，故其变形程度不能用d/D来反映，根据凸缘直径的大小、拉深高度的大小不同，分以下几种情况。第一种情况 在拉深过程中，拉深力始终未达到传力区筒壁的极限负荷，窄凸缘、小高度的工件拉深属于这类。这类凸缘筒形件可一次拉成。第二种情况 拉深过程在拉深力上升达到传力区筒壁的极限负荷前停止了，宽凸缘、小高度的工件拉深属于这类。这类带凸缘筒形件可一次拉成。第三种情况 拉深时拉深力超过传力区筒壁的极限负荷，不能一次拉深，需要经过多次拉深。窄凸缘、大高度和宽凸缘、大高度两类带凸缘件都可能出现这种情况。本文研究的是窄凸缘、小高度的镁合金筒形件的拉深成形数值模拟过程，所以属于第一种情况，这个结论与前面判断拉深次数（见2.1节）所得出的结论一致。3.2 板料成形缺陷分析板料成形是一个具有几何非线性、材料非线性、边界条件非线性等多重非线性的非常复杂的力学过程。由于影响成形过程的因素很多，因此人们不能精确控制材料的流动。成形过程中会产生各种各样的缺陷，影响零件的几何精度、表面质量和力学性能。总的来说，板料成形的主要缺陷有起皱、破裂和回弹。本文主要研究筒形件的起皱、拉裂现象。3.2.1 起皱及其类型的判断拉深过程中，凸缘变形区的材料在切向压应力的作用下，可能会产生失稳起皱。凸缘区会不会起皱，主要决定于两个方面：一方面是切向压应力的大小，越大越容易失稳起皱；另一方面是凸缘区板料本身的抵抗失稳的能力。凸缘宽度越大，厚度越薄，材料弹性模量和硬化指数越小，抵抗失稳能力越小。这类似于材料力学中的压杆稳定问题。压杆是否稳定不仅取决于压力大小，而且还取决于压杆粗细。在拉深过程中，凸缘起皱最严重的瞬间是在外缘收缩至（为坯料半径）时。常常用压边圈来防止拉深时凸缘起皱。起皱发生时，皱纹的走向与压应力垂直，但不能简单的认为任何起皱都是压应力引起的。在板料冲压成形时产生的起皱是各种各样的，大致可以分为压缩力、剪切力、不均匀拉深力以及板平面内弯曲力等四类。判断起皱类型的关键是：首先要对毛坯(特别是起皱区)在拉深过程中的变形情况、受力分布及各自的变化规律进行详细的分析，甚至进行必要的实际测量计算。 起皱区的受力也可以根据起皱区所受的力来判断。对于筒形件来说，它的结构形状特点为轴对称拉深零件，法兰面上或凹模口内的毛坯起皱一般属压应力起皱。因为，在起皱区里，毛坯受到径向拉应力和切向压应力的作用，且应力在同一圆周上是均匀分布的，所以均匀分布的拉应