1拉深件的设计(67)

1课程的主要内容绪论模具的类型及其基本结构基于模具加工的加工设备模具设计新技术模具制造新技术模具强化新技术2模具设计新技术—拉深件设计南京航空航天大学机电学院航空宇航制造工程系3Email:[e-mail]:sxjggccae4第四章拉深件设计§4.1概述§4.2拉深方向的设计§4.3压料面的设计§4.4工艺补充部分的设计5§4.1概述在进行冲压工艺设计时，第一步要进行拉深件的设计：首先，根据冲压件零件图设计出拉深件图；然后，根据拉深件图展开来确定毛坯的形状和各部位的尺寸、制定冲压工艺和模具设计方案。拉深件的设计包括：拉深方向的选择压料面的设计工艺补充的设计6§4.1概述在实际生产中，对冲压件的半成品叫法不一，含义也不太明确，为了叙述准确，规定了以下几个基本名词：制件：指已经过一或几道冲压工序加工的半成品件，也叫工序件；拉深件：指板材毛坯进行拉深成形后得到的制件；修边件：指进行了修边加工后的制件；翻边件：指进行了翻边加工后的制件；部分修边或部分翻边后仍需翻边的制件称为修边件或制件。覆盖件或冲压件：指已经进行了全部冲压加工的成品件。7§4.2拉深方向的设计拉深成形一般以拉深变形和胀形变形的复合形式来进行的，拉深变形为主要变形方式。确定拉深方向是拉深件设计的一项十分重要的工作：确定拉深方向就是确定零件在模具中的三个坐标(x,y,z)位置。拉深方向选择是否合理，直接影响到拉深件的质量和模具的复杂程度。拉深方向不合理，可能导致拉深过程无法进行。8§4.2拉深方向的设计拉深方向对拉深成形的影响：凸模能否进入凹模、毛坯的最大变形程度；是否能最大限度地减小拉深件各部分的深度差；是否能使各部分毛坯之间的流动方向和流动速度差比较小、变形是否均匀；是否能充分发挥材料的塑性变形能力；是否有利于防止破裂和起皱等质量问题的产生等。只有选择了合理的拉深方向才能使拉深成形过程顺利实现。9§4.2拉深方向的设计-选择拉深方向的原则选择拉深方向的原则：1）保证能将拉深件的全部空间形状(包括棱线、筋条和鼓包等)一次拉深出来，不应有凸模接触不到的“死区”，既要保证凸模能全部进入凹模：这类问题主要体现在覆盖件的某一部位或局部成凹形或有反方向成形的要求。覆盖件本身的凹形和反成形决定了拉深方向。10§4.2拉深方向的设计-选择拉深方向的原则原则1）的例子：图4-1a，选择冲压方向A，零件右下部a区域成为死区；选择冲压方向B，凸模全部进入凹模。图4-1b，按照拉深件底部反成形部分最有利于成形来确定拉深方向，若改变拉深方向不能保证90度角。11§4.2拉深方向的设计-选择拉深方向的原则2）尽量使拉深深度差最小，以减小材料流动和变形分布的不均匀性：图4-2a，深度差大，材料流动性差；按照a中点划线改变拉深方向变成图4-2b，使两侧的深度差减小，材料流动和变形差减小，有利于成形。12§4.2拉深方向的设计-选择拉深方向的原则图4-2c，是对一些左右件可利用对称拉深一次两件成形，便于确定合理的拉深方向，使进料阻力均匀。13§4.2拉深方向的设计-选择拉深方向的原则图4-3c，是某汽车立柱的拉深方向的确定的例子：如果选择与平面法兰垂直方向作为拉深方向：由于毛坯与凸模接触时间差别大，压料面的进料阻力不均匀，容易造成毛坯与凸模的相对滑动。如果将拉深方向旋转6度后：使法兰高度差减小，压料面上的进料阻力分布趋于均匀，凸模和毛坯初始接触线靠近中间，拉深的稳定性较好。14§4.2拉深方向的设计-选择拉深方向的原则3）保证凸模与毛坯具有良好的初始接触状态，以减少毛坯与凸模的相对滑动，有利于毛坯变形，并提高冲压件的表面质量：①凸模与毛坯的接触面积应尽量大，保证较大的面接触，避免因点接触或线接触造成局部材料胀形变形太大而发生破裂(图4-4a)：15§4.2拉深方向的设计-选择拉深方向的原则②凸模两侧的包容角尽可能保持一致(α=β)，即凸模接触点处在冲模的中心附近，而不偏离一侧，这样有利于拉深过程中法兰上各部位材料较均匀地向凹模内流入(图4-4b)：16§4.2拉深方向的设计-选择拉深方向的原则③凸模表面与毛坯接触点要多而分散，且尽可能均匀分布，以防止局部变形过大，毛坯与凸模表面产生相对滑动(图4-4c)：17§4.2拉深方向的设计-选择拉深方向的原则④在拉深方向没有选择余地，而凸模与毛坯的接触状态又不理想时，应通过改变压料面来改善凸模与毛坯的接触状态。如图4-4d，通过改变压料面，使凸模与毛坯的接触点增加，接触面积增大，能保证零件的成形质量。18§4.2拉深方向的设计-选择拉深方向的原则图4-5所示，为某货车顶盖的拉深方向：按箭头1的拉深方向虽然满足了窗口部分的凸模能够进入凹模的要求，但凸模开始拉深时与毛坯接触面积小而又不在中间；拉深过程中毛坯容易产生开裂和坯料窜动而影响表面质量，不能采用。按箭头2的拉深方向优点是凸模顶部是平的，凸模开始拉深时与毛坯接触面积大而又在中间，有利于拉深；窗口凹形部分从A线向左弯成垂直面，拉深后再进行整形。19§4.2拉深方向的设计-选择拉深方向的原则选择拉深方向的原则：4）有利于防止表面缺陷。对于一些表面件，为了保证其表面质量，在选择拉深方向时，对重要的部分要保证不产生拉深时出现的偏移线、颤动线等表面缺陷。20§4.2拉深方向的设计确定拉深方向的两种主要方法：手工确定方法：借助CAD系统本身的处理功能，对人工确定的一系列冲压方向进行几何计算，以图形方式向用户反馈计算结果，最后由设计人员确定适当的拉深方向。自动计算算法：在现有的CAE系统中开发专门的分析功能模块，对零件几何分析判断确定最佳的冲压方向。开发专门功能模块软件可以利用数学方法，根据经验确定冲压方向的原则建立必要的数学模型，然后利用先进的优化算法和编程技术对这些数学模型进行处理，并把处理计算的结果进行综合分析，确定出正确的拉深方向。根据现有国内模具企业技术现状来看，国内大多数模具CAD用户都采用后一种方法来确定拉深方向。21§4.2拉深方向的设计自动确定拉深方向方法：平均单元法线法将模型所有单元法线求平均值。最小拉深深度法保证拉深过程中，进料阻力均匀；要保证进料阻力均匀，首先要保证拉延深度均匀；其次要尽量保证毛坯平放，拉入角相等，纵截面平衡，尽量使成形力和材料流入量均匀平衡。最大宽度法在拉深方向确定后，即在上述两种自动计算出的冲压方向或者手动调整到合适的位置后；在实际冲压工艺中，常常要把零件最长的方向与X轴平行。22§4.2拉深方向的设计平均单元法线法：单纯的矢量求和可能导致结果错误；对于面积比较大的单元来说，其法线对最后得到的平均法线应该影响较大。23§4.2拉深方向的设计最小拉深深度法：算法思想：找空间任意一个方向，将模型上的点向这个方向上的投影，得到的投影点的最大值(ProMax)和最小值(ProMin)，从而得到该方向的拉深值(drawdepth)；遍历空间上的每一个方向，最后得到的这些方向的拉深值的最小值就是该模型的最小拉延深度。空间上各个方向的集合：构造一个以原点为圆心，半径为R（大小理论上没有要求）的球，以球心为起点球面上的点为终点构造一个矢量，该矢量的方向集合即可表示空间的任何一个方向；注意：实际计算过程中不可能遍历空间上的每一个方向，因为那将是无穷多个。将球面离散为一系列均匀有规律的点，这样既达到了遍历的效果又不失一般性；离散的疏密程度可根据模型点的多少来定量确定；实际上用球面的上表面就可以了，因为球是沿XOY平面对称的，圆心到上球表面任一点的方向矢量，必然在球下表面有对应点方向矢量相反；模型上的点向某方向投影实质上是，以原点为起点模型上点为终点的矢量向该方向投影。24§4.2拉深方向的设计最小拉深深度法：实现方法：构造以原点为圆心1为半径的基于XOZ平面上面的球面（半球）。离散球面是按照平行于XOZ平面方向以一定的高度步长将球面分成一系列圆，再将这些圆再按照一定的角度步长得到一系列均匀分布的离散点。25§4.2拉深方向的设计最小拉深深度法：构造以原点为圆心1为半径的基于XOZ平面上面的球面；按照一定的规则离散上述半球面，得到一系列均匀有规则的离散点；将模型上的点分别投影到以原点为起点半球离散点为终点的矢量的方向上；求出各个方向的拉延深度值；其中最小的那个拉延深度值所在的方向，即为所求的方向；26§4.2拉深方向的设计最大宽度法：将模型的外边界投影到XOY平面，得到一个外轮廓；求出外轮廓的最小矩形；将矩形的最长边绕Z轴旋转至与X轴平行即可。如图只需将边AB旋转angle角度即可与X轴平行：27§4.2拉深方向的设计最大宽度法：有两个关键问题需要研究：①如何得到模型的网格外边界：区分内边界和外边界边界中面积最大的为外边界②如何确定得到的网格边界的最小矩形包络：网格边界其实质是一个多边形；求边界的最小矩形包络，就转化为求多边形最小包络矩形的问题28§4.2拉深方向的设计拉深方向的检测标准：⑴保证每一个网格单元无负角：求网格法向与z轴正向夹角。小于一定的度数为安全，超过一定的度数为不安全；这个角度的确定是根据材料的属性决定的，由CAE分析人员确定。⑵保证沿Z轴方向，网格与网格之间没有遮挡：每个网格沿Z轴负方向运动的时候都不会碰到其他网格；保证模型全部投影到XOY平面没有重叠部分；如果每个网格都去和其他网格查询看在XOY平面有没有重叠，那计算量太大，效率很低，不符合实际工程运用；采用空间单元格法进行快速搜寻网格与网格是否重叠。29§4.2拉深方向的设计确定拉深方向的流程图：30§4.2拉深方向的设计DFE中Tipping—自动确定拉深方向的对话框：TippngCenterAutoAverageNormalSurfaceNormalMinDrawDepthMaxwidthUserDefineManualTippingCheckPartDepthWallAngleUndercut31§4.3压料面的设计压料面的作用与对拉深成形的影响：压料面是工艺补充的一个重要组成部分；有的拉深件的压料面全部为工艺补充部分，有的拉深件的压料面则由零件的法兰部分和工艺补充部分共同组成。拉深开始前，压边圈将毛坯压紧在凹模的压料面上；拉深开始后，凸模的成形力和压料面的阻力共同形成毛坯的变形力，使毛坯产生塑性变形，实现拉深成形过程。通过压料面的变化，可以使拉深件的深度均匀，毛坯流动阻力的分布满足拉深成形的需要。压料面设计不合理，会在压边圈压料时就形成皱折、余料、松弛等，其中有的在成形过程中不能消失而残留在制件上。32§4.3压料面的设计压料面与法兰面的区别：一般来说，“压料面”是指凹模上表面与压边圈下表面起压料作用的那一部分表面。“法兰面”—是指与压料面相对应的拉深件上的部分表面。但是在习惯上，人们把覆盖件拉深件的“法兰面”也称为“压料面”。所以，一般情况下，“压料面”在没有特别说明的情况下指的就是拉深件的法兰面。33§4.3压料面的设计压料面有两种情况：一种是压料面的一部分就是拉深件的法兰面：这种拉深件的压料面形状是已定的，一般不改变其形状。即使为了改善拉深成形条件而作局部修改，也要在后续进行整形校正。另一种情况是压料面全部属于工艺补充部分：主要以保证良好的拉深成形条件为主要目的进行压料面设计。同时也要考虑到这部分材料在拉深工序后将在修边工序被切除掉，就应尽量减少这种压料面的材料消耗。34§4.3压料面的设计压料面的设计原则：1）压料面形状尽量简单化，以水平压料面为最好。在保证良好的拉深条件的前提下，为减少材料消耗，也可以设计斜面、平滑曲面或平面曲面组合等形状。尽量不要设计成平面大角度交叉，高度变化剧烈的形状。这些形状的压料面会造成材料流动和塑性变形的极不均匀分布，在拉深成形时产生起皱、堆积、破裂等现象。35§4.3压料面的设计2）水平压料面(图4-7a)应用最多：其阻力变化相对容易控制，有利于调模时调整到最有利于拉深成形所需要的最佳压料面阻力状态。向内倾斜的压料面(图4-7b)：对材料流动阻力较小，可在塑性变形较大的深拉深件的拉深时采用。但为保证压边圈强度，倾斜角α40°~50°。向外倾斜