0630凌以安汽车模具设计论文.docx
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0630凌以安汽车模具设计论文
摘要
汽车覆盖件是指构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机和底盘的金属板
料制成的异形体表面和内部零件。
它既是外观装饰性的零件,又是封闭薄
壳状的受力零件,具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面要求高等特
点。
本文首先阐述了汽车覆盖件当前在国内外的发展现状及发展汽车覆盖
件模具的重要意义。
在第二章中主要是介绍了使用Dynaform进行产品的模
拟,详细的介绍了本产品的模拟过程,通过对模拟结果的后处理,不断修
改影响的主要参数以期达到理想的结果。
在第三章主要是介绍了产品的模
具设计,通过模拟结果进行一整套的模具设计,再使用UG进行了三维造型。
最后总结了全文,对本课题进行了展望。
关键词:
汽车覆盖件,模具设计,板料成形模拟
摘要............................................I
ABSTRACT.........................................II
1绪论..........................................1
1.1汽车覆盖件的国内外发展现状.......................3
1.2本课题的研究目的及意义......................................6
2汽车覆盖件冲压成形计算机模拟..........7
2.1汽车覆盖件的模拟仿真简介............................7
2.2Dynaform软件介绍............................................10
2.3Dynaform模拟过程............................................13
2.4汽车覆盖件模拟仿真的后处理.........................19
2.5本章小结..............................................................24
3汽车覆盖件模具设计..........................25
3.1汽车覆盖件的分类特点和要求...........................25
3.2汽车覆盖件的工艺设计.......................................27
3.3工作零件的设计...................................................29
3.4本章小结...............................................................42
4课题总结和展望.................................42
4.1课题总结................................................................43
4.2展望.........................................................................43
参考文献....................................................43
1绪论
1.1汽车覆盖件的国内外发展现状
模具作为运用先进的开发设计和精密加工手段制造而成为一种工艺装备,被
人称为“工业之母”。
对汽车工业而言,汽车的发展离不开模具,而汽车的发展也会极大
推动模具工业的发展。
相反的,只有模具生产水平提高才能促进汽车制造业水平的提高。
汽车工业的发展为汽车模具业的发展提供了极大的市场机遇,据有关资料显示,在美
国、日本等汽车制造业发达的国家,汽车模具在整个模具产业中占有50%左右的
份额。
而在我国,仅有三分之一左右的模具产品服务于汽车制造业,因此,汽车模具
市场有相当大的发展空间,而汽车覆盖件模具是整个汽车模具的重要组成部分。
近两年在汽车工业的带动下,汽车覆盖件模具市场需求量大大增加。
一汽模具制造
有限公司、东风汽车模具有限公司、天津汽车模具有限公司、四川成飞集成科技
股份有限公司等四大模具厂已具备了大中型汽车覆盖件模200万左右工时的能力,新
涌现的普什模具有限公司、北京比亚迪模具有限公司、哈尔滨哈飞汽车模具有限
公司、跃进汽车集团南京模具装备有限公司、上海千缘汽车车身有限公司等20多家汽
车覆盖件模具企业的生产能力也不断提高,他们是当前行业的主力军,虽然这些企业
发展很快,技术水平也有很大提高,但是在汽车覆盖件模的设计、生产和制造上
依然不能满足需要。
当期,国内与国外的差距仍然比较明显主要体现在一下几个
方面:
(1)模具设计方面
汽车工业比较发达的欧美国家在进行汽车覆盖件模具设计时,大量采用三维CAD
设计,比例高达70%~90%,Pro/E、UG等软件的应用也很普遍,利用这些软
件创建的自动绘图精确度高,得出的计算数据可靠,数据库功能较强,因而设计
效率很高相对于国外的先进水平,国内在汽车覆盖件模具的设计上则显得力不从心。
此外,在覆盖件的设计制造依据上,国内外也有很大差别。
国内大量依据实物样
件,而较少依据数模;国外则与此相反,大量依据数学模型。
(2)冲压工艺分析方面
当前在我国,进行汽车覆盖件模的冲压工艺分析中,有些企业还使用2D
CAD,只有少数用得好的企业采用CAE,因此在进行冲压工艺分析时,往往不
能预先评估制件的成形性,导致试模成功率低、试模时间长。
而在工业发达国家,
CAE技术的应用已成熟。
在冲模设计中应用CAE软件,可以模拟金属变形过程、
分析应力应变的分布及预测破裂、起皱和回弹等缺陷。
因此,欧美和日本等发达
国家在汽车覆盖件模的冲压工艺分析中多采用3DSOLID和CAE,试模成功率高
达90%左右。
(3)铸件方面
随着汽车工业的飞速发展与工业技术的进步,用户对铸件的要求也越来越
高,铸件的轻量化、薄壁化、强韧化已成为发展的必然趋势。
当前,国内汽车覆
盖件模具铸件的生产多采用FMC铸造毛坯,但是实型材料质量比较差,模型加
工、检测手段比较落后,铸件的余量多在8-16mm,余量大,而且生产出来的
铸件组织不够细密,强度差。
而在国外发达国家,虽然也是采用FMC铸造毛坯,
但是模型多采用高速数控铣加工,铸件余量小,仅有6mm左右,在铸造中多采
用微机控制系统,铸件组织细密。
(4)制造方面
在汽车覆盖件模的制造上,国内外也有很多差距。
当前国内采用CAM技术
的普及率还不够高,应用水平也不平衡,而在国外普遍采用CAM技术。
(5)研修调试、检测方面
当前,由于研修技术、设备的落后,在汽车覆盖件模的研修调试中,国内多
采用人工操作,且大量采用国产的、性能较差、精度低的研配设备,存在大量机
外修,人工劳动强度大,装模量大,周期长,成本高。
而在国外大量采用具有翻
转和数显功能的研配压力机或研配系统机床,研修工作量小,因而精度可达
0.02mm,并且与CAE技术结合,可一次性冲调试完毕,大大缩短了调试周期。
国外有些企业近年来又发展了计算机模拟调试,效果更好。
(6)标准件方面
当前,面对国内庞大的汽车模具市场,国内的汽车模具厂商却显得有些力不
从心,特别是在汽车覆盖件模的设计、生产、制造上,汽车模具的标准化工作多
停留在初步阶段,汽车覆盖件模具标准件的生产量少,产品水平低,虽然有不少
汽车企业采用了标准件,但是许多依赖进口。
汽车车身模具标准未能向国际靠拢,
尚未建立和完善多种典型的模具结构和工艺,且尚未形成行业标准件计算机销售
网,模具标准件的供货周期长,商品品种不全。
与此相比,国外的汽车车身模具标准件供货渠道通畅,商品化程度高、品种
齐全且出口到世界各国。
(7)整体协调和企业管理方面
与国外相比,国内的企业在整个车型模具的整体协调和企业管理方面还存在
不少差距。
国外许多企业都具有对整个车型模具进行协调的能力,可以在同一个
平台上将几百套模具交给许多企业同时生产,因而能快速地、高质量地进行整车
交货。
而在国内,绝大部分企业没有这方面的能力,只有少数企业有类似的能力,
但协调的总水平尚落后于国外先进企业。
1.2本课题的研究目的及意义
汽车覆盖件在设计过程中,由于技术、成本、周期的各方面的因素,工程技
术人员在实际工厂中不可能依靠传统的方法在工厂中依靠理论分析分析板料的
成形,继而进行反复的修模、试模,再进行设计、改进、优化,也不现实。
由于
计算机技术的发展,通过计算机代替以往的实验或经验公式,分析板料的应力、
应变,分析汽车覆盖件在设计过程中可能出现的问题。
通过计算机模拟板料的
成形,对于设计者进行工业分析和模具设计,提高设计精度,缩短产品的设计周期、
降到成本起了很大的作用。
本文通过三维造型软件首先进行产品的造型,设计拉
深件,再使用模拟软件进行拉深件的拉伸成型,通过模拟结果,找出缺陷的原因,
并提出改进;然后对模拟后的拉深件设计拉伸模具,将CAD/CAE技术应用于模
具设计。
这样能够大大缩短产品的生产周期,提高企业的竞争力。
2汽车覆盖件冲压成形计算机模拟
2.1汽车覆盖件的模拟仿真简介
汽车覆盖件基本上是有难以展开成的空间曲面组成,冲压成形过程中,板
料的应力应变分布非常复杂,从变形方式来看,板料的成形往往是拉延、翻边、
胀形、弯曲等多种变形方式的组合过程。
而模具设计的主要任务是要解决好冲压
过程中板料不同部位之间材料的协调变形过程既要避免局部区域过分变薄甚至
拉裂,又要避免起皱或在零件上留下滑移线,还要将零件的回弹控制在允许的范
围内。
其中拉裂和起皱,不仅是汽车覆盖件冲压成形容易出现的问题,而且他们
有恰恰构成了一对矛盾的两个方面,拉延筋是调和这对矛盾的重要手段,通过合
理设置拉延筋来控制材料的流动阻力,对促进板料上不同部位之间的协调变形具
有重要的意义。
同样,模具间隙。
润滑状态,坯料形状等因素对冲压成败也有着
举足轻重的作用,显然,解析法是难以确定上述各因素对冲压过程影响的定量的
结果的,而对这类问题的求解,显示有限元方法具有十分显著的特点,利用显示
有限元方法,在模具实际制造之前就获得诸如拉延筋的设置究竟能否按我们预期
的方式协调板料的变形,具体零件的冲压过程中究竟会存在什么问题,模具间隙、
润滑状态、坯料形状等是否合适,模具改进设计后能够取得多大的效果等问题的
答案,对汽车覆盖件的冲模设计具有重要的指导意义。
同时,在汽车覆盖件的设计过程中,由于技术能力、开发周期和开发成本等
诸多因素的限制,技术人员要想依靠传统的方法在工厂中不断的试模来解决各种
问题并不现实。
因此,为了缩短设计周期并且降低开发成本,许多国内外汽车企
业和科研机构都在尝试采用钣金成形的计算机辅助工程分析(CAE)技术对覆盖
件成形的结果进行科学预测和工艺参数的定量控制,在一定程度上大大降低了工
厂的成本。
覆盖件成形过程分析与设计的基本任务是根据具体产品的数学模型、技术要
求和生产资源条件,完成覆盖件可行加工方案的制定。
内容包括工序及工艺分析、
成形模具设计与制造和加工环境设置(设备选择和润滑条件)等,这其中又以拉延
成形工序分析最为重要,因为90%以上的覆盖件质量问题都是由于该工序的不合
理设计所导致,因此,本文的研究重点也将围绕汽车覆盖件的拉延工序进行分析。
覆盖件成形技术属于板金成形范畴。
广义的汽车覆盖件按其功能不同可分为
外覆盖件、内覆盖件和结构件三大类。
近年来,覆盖件制造逐渐向大型化、精密
化、及复杂化方向发展。
下图是覆盖件的成形过程:
图2.1覆盖件成形过程模型
本文主要研究的是模拟分析方法,也是当前的主流研究方法。
主要思想是把
模具简化为理想的均匀固体模型,简化毛胚的材料性能参数、机械参数、边界参
数等各种物理参数,然后利用数值模拟技术研究钣金成形过程。
下图给出了汽车覆盖件成形过程有限元模拟的典型框图:
图2.2有限元模拟的典型框图
本文通过UG建立产品的数字模型,使用Dynaform进行模拟。
下图是通过UG建立的数模:
图2.3UG建立的数模
要进行拉延工序的模拟仿真,要分析工件的成形特征。
考虑到工件的几何
特征及其实际的使用,首先要将工件做成对称的以利于模拟分析。
,因此,拉深时上
面的孔要进行补孔,该步骤可在UG中做,也可在Dynaform中做。
2.2Dynaform软件介绍
DYNAFORM软件是美国ETA公司和LSTC公司联合开发的用于板料成形
数值模拟的专用软件,是LS-DYNA求解器与ETA/FEMB前后处理器的完美结合,
是当今流行的板料成形与模具设计的CAE工具之一。
在其前处理器(Preprocessor)
上可以完成产品仿真模型的生成和输入文件的准备工作。
求解器(LS-DYNA)采用的
是世界上最著名的通用显示动力为主、隐式为辅的有限元分析程序,能够真是模拟
板料成形中各种复杂问题。
后处理器(Postprocessor)通过CAD技术生成形象的图形
输出,可以直观的动态显示各种分析结果。
Dynaform软件基于有限元方法建立,被用于模拟钣金成形工艺。
Dynaform软件包
含BSE、DFE、Formability三个大模块,几乎涵盖冲压模模面设计的所有要素,包
括:
定最佳冲压方向、坯料的设计、工艺补充面的设计、拉延筋的设计、凸凹
模圆角设计、冲压速度的设置、压边力的设计、摩擦系数、切边线的求解、压力
机吨位等。
Dynaform软件可应用于不同的领域,汽车、航空航天、家电、厨房卫生等行
业。
可以预测成形过程中板料的裂纹、起皱、减薄、划痕、回弹、成形刚度、表
面质量,评估板料的成形性能,从而为板成形工艺及模具设计提供帮助。
Dynaform软件设置过程与实际生产过程一致,操作上手容易。
来设计可以对
冲压生产的全过程进行模拟:
坯料在重力作用下的变形、压边圈闭合过程、拉延
过程、切边回弹、回弹补偿、翻边、胀形、液压成形、弯管成形。
Dynaform软件适用的设备有:
单动压力机、双动压力机、无压边压力机、螺
旋压力机、锻锤、组合模具和特种锻压设备等。
2.3Dynaform模拟过程
任何有限元分析软件都应包括三个基本部分:
前处理,求解器和后处理。
对
于这三个部分,前处理和后处理尤为重要。
在模拟之前我们首相要将工件进行镜像采用
一模两件的工艺如下图所示:
2.4修改后的覆盖件
使用UG的输出功能输出通用的IGS的文件。
(1)使用Dynaform的导入功能导入该工件
(2)网格划分
进行有限元分析时,必须将模型进行离散化,即为模型划分网格。
在曲变形
较大的部位单元要划分的密一些,在变形较小或没有弯曲的部位的单元可以划分的稀疏
一些。
当启用自适应网格划分功能时,可以把网格划的粗一些,能明显减少计算
时间。
因此,开始我选用了Dynaform自带的网格划分功能,并没有选择专业级的
网格划分软件;要是自带的不能满足要求,则选择专业的划分软件。
图2.5网格划分
图2.6划分网格之后的凹模
(3)为了拉深的顺利进行我们还需要进行补孔,使用Dynaform自带的补孔功能
补孔;
图2.7自动补孔工具
补孔后的件如下图所示:
图2.8自动补孔后的覆盖件
(4)因为该工件的外形非常复杂,通过几何展开来获得初始的坯料是非常困难
的,而其几何展开不考虑塑性变形,拉延件的展开尺寸也是不精确的;Dynaform
具有初始坯料计算功能,其原理是基于全增量理论。
假定成形过程是比例加载的
(第一次拉延过程可以近似认为是比例加载),仅仅考虑初始的毛坯和变形终了
的状态,不考虑变形的中间状态,采用一步加载。
由于计算速度快、建立分析模
型简单,所以此方法可用于设计早期估计零件的外形和工艺的可行性。
图2.9坯料估算和坯料规整工具
检查网格划分后,进行坯料的计算:
图2.10不规则坯料外形和规整后的坯料形状
上图可以看出计算出的坯料并不是规则的形状,我们可是使用Dynaforn中
的工具进行规则化,使用BLANKFITTING命令可以通过一个矩形或者梯形
来你和估算毛坯的轮廓,并且生成的矩形或是梯形标注了尺寸大小。
(5)将不规则线条删除后,对坯料进行网格划分,
图2.11使用坯料网格划分工具
划分之后如下图所示
图2.12划分之后的坯料网格
(6)以上各部分定义好之后,开始定义凸、凹模,压边圈等参数,拉延模可分
为单动拉延和双动拉延。
具体选择过程在模具设计中介绍。
定义坯料的厚度为
1.2mm,设定摩擦系数为0.15,初始压力为200000N,虚拟冲压速度为3m/s,材质
选择DQSK(36),其各定义过程如下图
图2.13定义坯料和坯料的材料
(7)在Dynaform中进行各工具的定位,
各工具位置如下图所示:
图2.18冲压方向的定义及各工件的位置状态
(8)通过以上的模拟设置,我们可以总结处冲压模拟的基本流程:
图2.19冲压模拟流程图
进行好各项设置之后进行提交:
图2.20提交运算
2.4汽车覆盖件模拟仿真的后处理
Dynaform的后处理后处理能够读取和处理d3plot文件中所有可用的数据。
除了
包含没有变形的模型数据意外,d3plot文件还包含LS—DYNA生成的所有结果文
件(应力,应变,时间历史曲线等)。
后处理能够绘制变形过程(deformation),厚
度变化过程和成形极限图(FLD)以及坯料上的应力/应变等物理量的分布,并且
能够录制这些变化过程为通用的AVI电影文件,以及E3d三维演示文件。
所谓冲压成形极限是指板料在冲压加工中所能达到的最大变形程度。
通过成
形极限图,可以很清楚地。
成形极限图(FormingLimitDiagram)的形成
(1)在试验用坯料上制备好坐标网格;
(2)以一定的加载方式使坯料产生胀形变形,测出试件破裂或失稳时的应变(长、
短轴方向);
(3)改变坯料尺寸或加载条件,重复2)项试验,测得另一状态下的试件破裂或
失稳时的应变(长、短轴方向);
(4)取得一定量的数值后,在平面坐标图上描绘出各试验点,然后圆滑连线,
作出FLD。
成形极限曲线将整个图形分成如下图所示的三部分:
安全区、破
裂区及临界区。
成形极限图的示意图如下图所示:
图2.21典型成形极限图
打开eta/post打开模拟生成的文件,进行结果的分析,从而找出问题的所在,
进行模型,参数等各方面的修改,以期得到比较准确的结果,后处理在模拟中的
地位并不比前处理的地位低,相反,要是在后期中看不处问题的所在,那整个模
拟也是无用的,因此,后处理起了很重要的作用,下图是打开后处理的界面:
生成的成形极限图如下图所示,红色区域表示发现出现了严重的拉裂现象。
图2.23时间坯料的成形极限图
零件开裂的根本原因在于拉伸变形抗力大于覆盖件开裂处材料的实际有效
抗拉强度。
解决拉深件破裂的方法主要有以下几种方法:
(1)调整压料力,使压料力变小。
(2)调整拉伸间隐,使间隙变大,并使间隐变得均匀。
(3)调整凹模圆角半径。
凹模圆角半径太小,零件易拉裂,加大
凹模圆角半径可减小拉裂程度。
(4)调整凸模圆角半径。
(5)调整凸模与凹模的相对位置。
(6)毛坯尺寸太大或形状不当,板料质量及润滑不好也会使零件拉裂,故应改变
毛坯尺寸或形状,调整冲压工艺。
造成零件开裂的原因很多,在调整时应仔细检查开裂状况、产生的部位,确
定产生开裂的拉伸行程位置,根据具体情况推断产生开裂的原因,从而制定出解
决开裂的具体方案。
通过更改原零件的圆角大小,和模具的凸凹模间隙,等各种优化,并且通过
改小压边力,不断地调整压边力最后得出为150000N模拟出的比较好,减小凸模
与压扁去,压边圈与凹模的摩擦系数为0.05,图凹模的间隙为1.2倍的坯料,再
次模拟。
图2.24修改压边力
2
通过不断地修正上图的压边力的数值及其模拟的速度等各个参数,得到比较
正确的模拟结果。
图2.25修改摩擦系数
摩擦系数在模拟过程中同样起着很重要的作用。
图2.26仿真成形极限图
图2.27仿真厚度变化图
发现虽然有破裂的地方,但是并没有影响到内部所需工件的质量,而其厚度
的变化在材料最大变薄范围之内,破裂的部分在后续工序中还要进行切除。
2.5本章小结
通过自己不断地练习使用Dynaform进行模拟,总结出了Dynaform的详细的模
拟步骤:
2.5.1DYANFORM分析过程介绍
(1)导入几何或网格模型
(2)修改零件名称
(3)划分曲面网格(分别进行坯料和工具进行网格划分)
(4)检查网格
(5)创建不见及偏置凹模(凸模)创建凸模(凹模)和压边圈
(6)分离压料面和凸模(凹模)
(7)定义坯料材料及属性
(8)定义工具定义等效拉延筋
(9)工具自动定位
(10)定义工具运动曲线检查工具运动情况
(11)定义成形参数和控制参数
(12)提交工作到求解器进行计算
(13)后处理分析
(14)分析报告
2.5.2BSE坯料估算过程
(1)导入零件模型
(2)划分网格
(3)检查和修补网格
(4)坯料尺寸估算
(5)坯料网格划分
(6)外部光顺
(7)生成新的坯料轮廓线和网格
(8)坯料排样
(9)输出排样报告和报价
3汽车覆盖件模具设计
接下来将以下图的拉深件进行模具设计,工件如下图所示:
图3.1拉深件模型
3.1汽车覆盖件的分类特点和要求
3.1.1汽车覆盖件的分类
按工艺特征分类如下:
(1)对称于一个平面的覆盖件。
诸如发动机罩、前围板、后围板、散热器罩和水
箱罩等。
(2)不对称的覆盖件。
诸如车门的内、外板,翼子板,侧围板等。
(3)可以成双冲压的覆盖件。
所谓成双冲压既指左右件组成一个便于成型的封闭
件,也指切开后变成两件的半封闭型的覆盖件。
(4)具有凸缘平面的覆盖件。
如车门内板,
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