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沖壓模具設(shè)計(jì)中側(cè)壁起皺的分析 F.-k. Chen and Y.-C. Liao 臺(tái)灣 臺(tái)北市國立臺(tái)灣大學(xué)機(jī)械工程部門 在沖壓過程中，起皺一般發(fā)生在有錐度的方形杯子和帶有階梯的矩形杯子成形時(shí)。這兩種起皺類型的共同特征是起皺都發(fā)生在相對(duì)沒有支撐的側(cè)壁。在沖壓一個(gè)有錐度的方形杯子時(shí)，當(dāng)發(fā)生起皺時(shí)，比如沖模間隙和沖壓毛壞的壓力大小等參數(shù)的影響通過有限元模擬方法被檢查到。模擬結(jié)果顯示沖模間隙越大，起皺的就越明顯，而且起皺不能通過增加沖壓力來被抑制。在研究帶有階梯的矩形杯子沖壓過程的起皺時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有相似幾何類型的實(shí)際部分。在側(cè)壁被發(fā)現(xiàn)的起皺是因?yàn)榻橛跊_頭和階梯邊緣的金屬板料不平衡伸展造成的。為減少起皺，一個(gè)最適宜的沖模設(shè)計(jì)方法就是利用有限元分析法。在無起皺產(chǎn)品中介于模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果的好協(xié)議使有限元分析法生效，而且證實(shí)了利用有限元分析法去設(shè)計(jì)沖模的優(yōu)勢。 關(guān)鍵詞：側(cè)壁起皺；沖模；階梯的矩形杯子；帶有錐度的主形杯子 1． 介紹 起皺是在金屬板料成形中主要的缺陷之一。由于性能和視察的原因，在產(chǎn)品中起皺往往不能被接受。在金屬板料成形過程中，有三種形式的起皺頻繁的發(fā)生：邊緣起皺，側(cè)壁起皺和由于殘余的彈性壓力引起的未變形區(qū)域的彈性彎曲。在沖壓一個(gè)復(fù)雜形狀零件的操作時(shí)，側(cè)壁起皺意味著沖模腔中的起皺。由于側(cè)壁區(qū)域的金屬板料相對(duì)于其它區(qū)域的金屬板料不被工具所保征質(zhì)量，側(cè)壁起皺的消除比邊緣起皺的抑制更難。很明顯，在未被加固的側(cè)壁區(qū)域中的金屬材料的額外拉伸可能防止起皺，而且在實(shí)際操作中也可以通過增加沖壓力來防止起皺，但是過度的拉力會(huì)通過裂痕導(dǎo)致失敗。因此，沖壓力必須處于一個(gè)狹小的范圍，一方面，要高于抑制起皺的力，另一方面，要低于產(chǎn)生破裂的力。沖壓力的狹小范圍很難計(jì)算。對(duì)于沖壓一個(gè)復(fù)雜形狀的零件，當(dāng)起皺發(fā)生在中心區(qū)域時(shí)，有意義的沖壓力范圍甚至不存在。 為了檢查起皺的形成結(jié)構(gòu)，Yoshida et al.發(fā)明了一種測試，在這種測試?yán)?，一塊薄板料不是均勻的沿著它的斜度被拉伸。他們也計(jì)劃一個(gè)近似的理論模型，在這種模型里面，起皺的開始取決于在壓力不均勻區(qū)域中有壓縮的側(cè)部力的彈性灣曲。Yu et al.從實(shí)驗(yàn)性和分析性上研究起皺問題，通過理論分析，他發(fā)現(xiàn)帶有兩個(gè)圓周波的起皺可能發(fā)生，然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示是四到六個(gè)。當(dāng)通過一個(gè)有錐度的模具畫出金屬板料時(shí)，Narayanasamy和sowerby用平底的沖頭和半球狀的沖頭檢查金屬板料的起皺。他們也試圖去把可以抑制起皺的道具分類。 那些努力都被聚中于和簡單形狀零件關(guān)聯(lián)的起皺問題上，例如：一個(gè)圓形的杯子。在90年代早期，金屬板料成形中三維動(dòng)態(tài)軟件和有限元方法的成功運(yùn)用使得分析包括在沖壓一個(gè)復(fù)雜形狀零件的起皺問題成為可能。在當(dāng)前的研究中，三維有限元分析法被用來分析在沖壓一個(gè)帶有階梯的矩形部分的過程中，產(chǎn)生起皺的金屬流動(dòng)制造參數(shù)上。 一個(gè)帶有階梯的方形杯子，在杯子的每一邊都有一個(gè)傾斜的側(cè)壁，在帶有錐度的杯子也相應(yīng)的存在傾斜的側(cè)壁。在沖壓過程中，側(cè)壁上的金屬板料相對(duì)沒被支撐，因此，這個(gè)部位更容易起皺。在當(dāng)前的研究中，起皺過程中的各種不同的制造參數(shù)的影響都在被研究。在沖壓一個(gè)帶有階梯的方形杯子時(shí)，就像圖1B顯示的一樣，可以觀測到另一種形式的起皺。為了評(píng)估分析的效力，在當(dāng)前的研究中，一個(gè)確切階梯幾何形狀的物體被檢測。通過使用有限元分析法和用適宜的模具設(shè)計(jì)來減少起皺，起皺的原因被確定。在觀測一個(gè)實(shí)際產(chǎn)品成形時(shí)，通過有限元分析法得到的模具設(shè)計(jì)方法得到證實(shí)。 圖1帶有錐度方形杯子的拉伸（a）和帶有階梯的矩形杯子的拉伸（b） 2有限元模型 包括沖頭、模具和毛壞固定器等工具幾何學(xué)是用CAD或PRO/E軟件來設(shè)計(jì)的。同樣用CAD軟件，三節(jié)點(diǎn)和四節(jié)點(diǎn)的外形元素被采用用來為以上工具生產(chǎn)網(wǎng)眼系統(tǒng)。對(duì)于有限元模擬來說，工具被認(rèn)為是剛硬的，而且對(duì)應(yīng)的網(wǎng)眼被用來定義工具幾何學(xué)而不是壓力分析。同樣CAD軟件使用四節(jié)點(diǎn)外形元素來為板形壞料構(gòu)造網(wǎng)眼。圖2顯示工具的完整布置的網(wǎng)眼系統(tǒng)和用來沖壓帶有階梯方形杯子的板形壞料。由于對(duì)稱條件，方形杯子的四分之一被分析。在模擬中，板形壞料放在壓力機(jī)上，沖模向下移動(dòng)，逆著壓力機(jī)夾緊板形壞料。然后沖模上升使得板形壞料按著模腔成形。 圖2 有限元網(wǎng)眼 為了表演一個(gè)精確的有限元分析法，金屬板料的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線被要求是輸入數(shù)據(jù)的一部分。在當(dāng)前的研究中，拉深成形的金屬板料也被用來模擬。為在飛機(jī)上切割下的樣本測試被進(jìn)行，它們依次從0度的旋轉(zhuǎn)方向到45度的旋轉(zhuǎn)方向，再到90度的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行著。平均的流動(dòng)力σ，計(jì)算方程為σ=（σ0+2σ45+σ90）/4，因?yàn)槊恳粋€(gè)方法真實(shí)應(yīng)變通常用來模擬帶錐度方形杯子和帶階梯矩形的沖壓，就如圖3顯示的那樣。 當(dāng)前研究中所有的模擬利用有限元程序PAM-STAMP涉及SGI Indigo2工作站。為了完成模似所需輸入數(shù)據(jù)的設(shè)置，沖頭的速度一般設(shè)置在10m/s，庫侖摩擦系數(shù)設(shè)置在0.1。 圖3 金屬板料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 3 錐度方形杯中的起皺 正像圖1a顯示的那樣，草圖暗示著一些有關(guān)錐度方形杯子的尺寸，方形沖頭每一面的長度（2WP）、模腔的尺寸（2Wd）和高度(H)被認(rèn)為是影響起皺的至關(guān)重要尺寸。在當(dāng)前研究中，模腔尺寸和沖頭尺寸的差距的一半稱作沖模間隙（記作G），G= Wd- WP。相關(guān)的在側(cè)壁沒被支撐的金屬板料的寬度取決于沖模間隙，起皺假想通過增加沖壓力來被抑制。相對(duì)于沖壓一個(gè)錐度方形杯子，沖模間隙和沖壓力兩方面的影響在接下來的部分被研究。 3.1沖模間隙的影響 為了檢查沖模間隙對(duì)起皺的影響，在沖壓一個(gè)錐度方形杯子時(shí)，分別用20mm，30mm，50mm大小的沖模間隙進(jìn)行模擬沖壓。在每次模擬沖壓中，模腔的尺寸都是固定在200mm，而且杯子拉深的高度都是100mm。三次模擬中使用的金屬板料都是380X380的方形尺寸，厚度也都是0.7mm，金屬的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。 圖4 G=50mm的帶有錐度的方形杯子 模擬結(jié)果顯示三次模擬中都發(fā)生起皺現(xiàn)象，沖模間隙為50mm沖壓出來的杯子模擬形狀如圖4。從圖4中可以看出，起皺分布在側(cè)壁，側(cè)壁拐角尤其明顯。這就說明在沖壓過程中，起皺是由于在側(cè)壁有大面積區(qū)域不被支撐，同樣，由于沖模間隙不一樣，沖頭各邊的長度和模腔尺寸也不一樣。由于橫向壓力的存大，在沖頭和模腔中拉深成形的金屬板料越來越不牢固。在壓縮下，側(cè)壁金屬板料不受限制的拉伸是起皺的主要原因。為了比較三種不同間隙沖壓出來的產(chǎn)品，兩個(gè)主要的應(yīng)變比率β被介紹，β=εmin/εmax，這里的εmin和εmax分別是主要的和次要的應(yīng)變。Hosford和Caddell已經(jīng)展示了β的實(shí)際值比β的評(píng)論值大，假設(shè)當(dāng)起皺發(fā)生時(shí)，β的實(shí)際值越大，起皺的可能性就越大。 在三個(gè)沖模間隙不同的沖壓中，同一側(cè)壁高度，沿著橫截面M-N的β值在圖4中標(biāo)記出，在圖5中畫出。圖5中說明嚴(yán)重的起皺一般發(fā)生在拐角處，而對(duì)三個(gè)沖模間隙不同的沖壓，在側(cè)壁中心很少發(fā)生起皺。還說明了沖模間隙越大，β的實(shí)際值就越大。因此，增加沖模間隙將增加在錐度方形杯子側(cè)壁處發(fā)生起皺的可能性。 3.2沖壓力的影響 眾所周知，在沖壓過程中，增加沖壓力可以幫助排除起皺。為了研究增加沖壓力的影響，沖模間隙為50mm與起皺是有關(guān)聯(lián)的，用沖模間隙為50mm的模具沖壓帶有錐度方形杯子被用不同的沖壓力來模擬了。沖壓從100KN增加到600KN，這兩個(gè)力分別產(chǎn)生0.33Mpa和1.98Mpa。在上述部分，剩下的模擬條件與給定的是一樣的。處于中間的300KN也被用來模擬。 模擬結(jié)果顯示沖壓力的增加并沒有幫助消除發(fā)生在側(cè)壁的起皺。在圖4中已標(biāo)出沿著橫截面M-N的β值與沖壓力為100KN和600KN的β值作比較。模擬結(jié)果指出兩種情況下，沿著橫截面M-N的β值是一樣的。為了檢查兩種不同沖壓力的起皺形狀，正如圖4和圖6標(biāo)出的那樣，側(cè)壁上從底部向上有五處不同位置的橫截面。從圖6可以看出，兩個(gè)外殼的波浪形橫截面是相似的。這就說明在沖壓帶有錐度的方形杯子時(shí)，沖壓力不影響起皺的發(fā)生，這是因?yàn)槠鸢櫟脑蛑饕怯捎谠谟袡M向壓力存在的側(cè)壁處有大面積區(qū)域不被支撐。沖壓力對(duì)沖頭和模腔之間材料不穩(wěn)定的模式并沒有影響。 圖5 沿著橫截面M-N不同沖模間隙的β值 4階梯矩形杯子 在沖壓一個(gè)階梯矩形杯子時(shí)，起皺發(fā)生在側(cè)壁即使沖模間隙并不是那么重要。輪廓1顯示沖壓階梯矩形杯子的沖頭草圖，在這張草圖中，側(cè)壁C沿臺(tái)階D-E而行。在近期的研究中，在一個(gè)實(shí)際的產(chǎn)品中檢查到了這種幾何形狀。這種產(chǎn)品使用的原材料的厚度是0.7mm，從拉力測試中獲得的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。 這種沖壓部分產(chǎn)品的程序包括通過清理焊縫的深拉。在這種深拉過程中，沒有焊縫被用在沖模表面來幫助幫助金屬的流動(dòng)。但是，由于沖頭拐角處的半徑過小和其復(fù)雜的幾何形狀，如圖7顯示的那樣，在沖頭邊緣上部經(jīng)常發(fā)生拉裂，在真實(shí)產(chǎn)品的側(cè)壁處經(jīng)常發(fā)生起皺。從圖7中可以看出，皺紋發(fā)分布在側(cè)壁上，但是在階梯邊緣拐角處最為嚴(yán)重，就像圖1（b）中A-D，B-E顯示的那樣。在沖頭的上部邊緣，金屬往往被拉裂，就像圖7所示。 為了進(jìn)一步的了解沖壓過程中板料的變形，誕生了一種有限元的方法。這種有限元模擬方法被在最初的設(shè)計(jì)中。部分的模擬形狀如圖8所示。從圖8中可以看出，零件上部邊緣的網(wǎng)眼被拉深，皺紋分布在側(cè)壁上，類似真實(shí)零件中的那樣。 圖6 從圖a的100KN到圖b的600KN不同側(cè)壁高度的橫截面線條 圖7 產(chǎn)品零件中的拉裂和起皺 圖8 產(chǎn)品拉裂和起皺的模擬形狀 如圖1（b）就像A-B邊緣半徑和沖孔拐角處A的半徑一樣，沖孔的半徑也很小，這被認(rèn)為是拉裂的最主要原因。但是，根據(jù)有限元分析的結(jié)果，拉裂可以通過增加以半徑來避免。這種理念在現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品中通過增加半徑得到證實(shí)。 個(gè)別的嘗試也被用來消除起皺。第一，沖壓力加到原來的2倍。但是，就像在拉深帶有錐度的杯子中得到的結(jié)果一樣，沖壓力對(duì)消除起皺現(xiàn)象沒有起有很大的效果。通過增加摩擦和毛坯尺寸也得到同樣的結(jié)論。于是我們推測，這種起皺不能通過增加沖壓力來得到抑制。 由于在金屬屈服于過大壓力的區(qū)域，往往會(huì)因?yàn)榇罅康慕饘倭鲃?dòng)而起皺，一種通過在起皺區(qū)域增加掛鉤用于消除起皺的簡單方法被用來吸收多余的材料。為了多余的金屬能有效的被吸收，掛鉤應(yīng)該平衡的加在起皺位置?；谶@種理念，兩個(gè)掛鉤被加在鄰近在壁上吸收多余的材料，如圖9如示。模擬結(jié)果顯示，階梯拐角處的起皺正如想象的那樣被吸收，但是，一些起皺仍然沒被吸收。這說明在側(cè)壁處需要更多的掛鉤來吸收所有過量的材料，但是這在模具設(shè)計(jì)中是不允許的。 利用有限元分析法分析沖壓工序的一個(gè)優(yōu)勢是沖壓過程中板料的變形形狀可以被監(jiān)測，而這在真實(shí)的產(chǎn)品沖壓過程中是不可能的。對(duì)沖壓過程中金屬流動(dòng)的精密監(jiān)測顯示板料最開始通過沖頭的力按模腔的形狀成形，直到板料接觸到如圖1（b）階梯D-E邊緣才形成起皺。起皺的形狀如 圖9 加到側(cè)壁的起皺 圖10顯示的那樣。這就為模具設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供了有價(jià)值的信息。 圖10 當(dāng)板料接觸臺(tái)階邊緣的起皺形成 圖11 切除了的臺(tái)階拐角 對(duì)于起皺的發(fā)生，最初的一個(gè)猜想是沖頭拐角處范圍A和階梯拐角處范圍D之間的金屬板料處于不平坦的拉深，就如圖1（b）所示。階梯拐角處被切主要是為了改善拉深條件，這樣就允許通過增加階梯邊緣有更多的拉伸被應(yīng)用到如圖11所示，從而使得模具設(shè)計(jì)的改進(jìn)得到發(fā)展。但是，杯子側(cè)壁處仍然有起皺，這就意味著起皺是因?yàn)檎麄€(gè)沖頭邊緣和整個(gè)階梯邊緣的不平坦引起的，不僅僅是沖頭拐角處和階梯拐角處之間的不平坦。為了證實(shí)這種說法，兩種改進(jìn)過了的模具設(shè)計(jì)被用來實(shí)驗(yàn)：為了描述想象中的形狀用兩種拉深操作，一種是切去整個(gè)階梯，而另一種是增加更多的拉深操作。前一個(gè)方法的模擬形狀所圖12所示。自從更低的階梯被切去后，拉深工序與圖12中的矩形杯子拉深工序性很相似。從圖12中可以看出起皺現(xiàn)象已被消除。 在這兩種操作的拉深工序中，板料最初是被拉到很深的階梯處，如圖13（a）所示，然后，較低的階梯在第二步拉深操作中成形，同是，如圖13（b）所示的想象形狀也得到了。從圖13（b）可以清晰的看出，通過兩步拉深工序可以造出沒有起皺的階梯矩形杯子，同時(shí)也說明在兩步拉深工序中，如果相應(yīng)的順序被應(yīng)用，則更低一些的階梯處的成形是伴隨更深階梯處成形和最深階梯邊緣處成形的最早成形，如圖1(b)中的A-B，因?yàn)榻饘俨蝗菀淄ㄟ^較低的階梯進(jìn)入模具型腔。 圖12改善模具設(shè)計(jì)的模擬形狀 圖13 兩個(gè)操作步驟中的a第一步操作 b第二步操作 有限元分析法說明用簡單的拉深操作來設(shè)計(jì)理想產(chǎn)品的沖壓模具設(shè)計(jì)是很難完成的。但是，由于額外的模具費(fèi)用和操作費(fèi)用，兩個(gè)操作的制造費(fèi)用是很高的。為了保持較低的制造費(fèi)用，零件的設(shè)計(jì)師對(duì)形狀做出了合適的改變，而且通過有限元模擬分析法結(jié)果去切除較低的臺(tái)階來改善模具設(shè)計(jì)，如圖12所示。隨著設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)，產(chǎn)品真實(shí)的沖壓模具被制造出來，而且零件還沒有起皺，如圖14所示。通過有限元模擬分析法得到的零件也沒有起皺。 為了進(jìn)一步驗(yàn)證有限元模擬分析法的結(jié)果，有限元模擬分析法得到的沿橫截面G-H的厚度分布如圖14所示，這與產(chǎn)品的尺寸做了比較，比較的結(jié)果顯示在圖15。從圖15可以看出有限元模擬分析法得到的預(yù)想的厚度分布和產(chǎn)品得到的厚度分布是相符合的。這種吻合證實(shí)了有限元模擬分析法的效率。 圖14 無缺陷產(chǎn)品零件 圖15 G-H處模擬和測量厚度 5概要和結(jié)束語 通過有限元模擬分析法研究了兩種在沖壓過程中的起皺，而且還檢查了其起皺的原因和消除起皺的方法。 第一種形式的起皺發(fā)生在沖壓帶有錐度的方形杯子的側(cè)壁上，這種起皺的原因是因?yàn)闆_模間隙過大（沖模間隙就是模腔的尺寸和沖頭的尺寸的差距）。當(dāng)金屬被拉至模腔中，在沖頭和型腔中有一有害的拉深時(shí)，大的沖模間隙導(dǎo)致金屬板料的大面積區(qū)域不被支撐，因此大面積區(qū)域不被支撐導(dǎo)致起皺。有限元模擬分析法顯示這種起皺不能通過增加沖壓力的方法來得到抑制。 另一種形式的起皺發(fā)生在有階梯矩形的幾何形狀物體沖壓過程中。起皺往往發(fā)生在臺(tái)階以上的側(cè)壁，甚至沖模的間隙不是足夠的大。通過有限元模擬法得知，這種起皺主要是由于在沖頭和臺(tái)階邊緣存在不平坦的拉伸。在模具設(shè)計(jì)過程中，通過有限元模擬分析法單獨(dú)的嘗試被用來消除起皺，切除了臺(tái)階的模具被建立。通過無缺陷的零件證實(shí)了這種模具設(shè)計(jì)方法對(duì)消除起皺的作用。有限元模擬分析法得到的結(jié)果和真實(shí)產(chǎn)品中看到的結(jié)果相吻合說明了有限元模擬分析法的準(zhǔn)確性，還證實(shí)了用有限元分析法代替真實(shí)的模具制造方法的效力。 感謝 作者希望感謝中國人民共和國民族科學(xué)委員會(huì)授于NSC-86-2212-E002-028編號(hào)才使得這個(gè)項(xiàng)目得到發(fā)展。他們也希望感謝KYM提供了產(chǎn)品零件。 參考文獻(xiàn) 1. K. Yoshida， H. Hayashi， K. Miyauchi， Y. Yamato， K. Abe， M. Usuda， R. Ishida and Y. Oike，在金屬板料，皺紋機(jī)械工具的效果取決于不均勻的拉深 2. T.X.Yu，W.Johnson 和 W.J.Stronge， “圓形碟子在半球形模具中的沖壓成形”，機(jī)械學(xué)雜志，26，pp.131-148，1984 3. W.J.stronge，M.P.F.Sutcliffe和T.X.Yu，在沖壓期間，圓形碟子的塑性起皺。實(shí)驗(yàn)的技巧，pp.345-353，1986. 4. R.Narayanasamy和R.Sowerby，“當(dāng)用一種圓錐形的沖模成形時(shí)的金屬板料起皺”，材料處理技術(shù)雜志，41，pp.275-290，1994. 5. W.F.Hosford 和 R.M.Caddell，金屬成形:機(jī)械和冶金，1993年第二季。 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校 學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查表 學(xué)生姓名 王亞飛 學(xué) 號(hào) 061304327 指導(dǎo)教師 原紅玲 選題情況 課題名稱 彎曲角小于90°的U形彎曲模運(yùn)動(dòng)仿真 難易程度 偏難 適中 偏易 工作量 較大 合理 較小 符合規(guī)范化的要求 任務(wù)書 有 無 開題報(bào)告 有 無 外文翻譯質(zhì)量 優(yōu) 良 中 差 學(xué)習(xí)態(tài)度、出勤情況 好 一般 差 工作進(jìn)度 快 按計(jì)劃進(jìn)行 慢 中期工作匯報(bào)及解答問題情況 優(yōu) 良 中 差 中期成績?cè)u(píng)定： 所在專業(yè)意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 河南機(jī)電高等專科學(xué)校 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 系 部： 材料工程系 專 業(yè)： 模具設(shè)計(jì)與制造 學(xué)生姓名: 王亞飛 學(xué) 號(hào): 061304327 設(shè)計(jì)題目： 彎曲角小于90°的U形彎曲模具運(yùn)動(dòng)仿真 起 迄 日 期: 2009 年3 月 11 日~ 5 月 20 日 指 導(dǎo) 教 師: 原紅玲 2009年3月11日 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書 1．本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題來源及應(yīng)達(dá)到的目的： 該題目來自原紅玲主編的《沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)》第110頁圖3.49。 在完成該課題之后，能夠把所學(xué)知識(shí)和軟件更好的結(jié)合起來，應(yīng)對(duì)彎曲模具設(shè)計(jì)熟悉，能熟練掌握相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)的使用，能獨(dú)立完成一套模具的設(shè)計(jì)并靈活運(yùn)用模具設(shè)計(jì)軟件完成模具動(dòng)畫的制作過程。 2．本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題任務(wù)的內(nèi)容和要求 （1）了解目前國內(nèi)外彎曲模具的發(fā)展現(xiàn)狀； （2）了解模具設(shè)計(jì)軟件的功能特點(diǎn)； （3）彎曲工藝簡介與分析； （4）模具動(dòng)作過程準(zhǔn)確、連貫，動(dòng)畫速度適中； （5）凹型精密彎曲模具的運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫設(shè)計(jì)，并編寫設(shè)計(jì)說明書一份； 所在專業(yè)審查意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 系部意見： 系領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校 畢業(yè)論文 畢業(yè)論文題目:彎曲角小于90°的U形彎曲模運(yùn)動(dòng)仿真 系 部 材料工程系 專 業(yè) 模具設(shè)計(jì)與制造 班 級(jí) 模具063班 學(xué)生姓名 王 亞 飛 學(xué) 號(hào) 061304327 指導(dǎo)教師 原紅玲 2009年5月 15日 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)論文 1 緒 論 目前，我國沖壓技術(shù)與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比還相當(dāng)?shù)穆浜?，主要原因是我國在沖壓基礎(chǔ)理論及成形工藝、模具標(biāo)準(zhǔn)化、模具設(shè)計(jì)、模具制造工藝及設(shè)備等方面與發(fā)達(dá)國家尚有相當(dāng)大的差距，導(dǎo)致我國模具在壽命、效率、加工精度、生產(chǎn)周期等方面與工業(yè)發(fā)達(dá)國家的模具相比差距相當(dāng)大。 1.1 沖壓工藝簡介 沖壓加工技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，在國民經(jīng)濟(jì)各工業(yè)部門中，幾乎都有沖壓加工或沖壓產(chǎn)品的生產(chǎn)。如汽車、飛機(jī)、拖拉機(jī)。電機(jī)、電器、儀表、鐵道、電信、化工以及輕工日用產(chǎn)品中均占有相當(dāng)大的比重。 沖壓生產(chǎn)主要是利用沖壓設(shè)備和模具實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料（板材）的加工，使其產(chǎn)生分離或塑性變形，從而獲得零件的過程。所以沖壓加工具有以下特點(diǎn)：（1）生產(chǎn)率搞、操作方便、容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，特別適合于大批量生產(chǎn)；（2）沖壓零件表面光潔，尺寸精度穩(wěn)定，互換性好，成本低廉；（3）在材料消耗不多的情況下，可以獲得輕度高、剛度大、而重量小的零件；（4）可得到其他加工方法難以加工或無法加工的復(fù)雜形狀零件。 由于沖壓加工具有節(jié)材、節(jié)能和生產(chǎn)效率高等突出特點(diǎn)，決定了沖壓產(chǎn)品成本低廉，效益較好，因而沖壓生產(chǎn)在制造行業(yè)中占有重要的地位。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，許多新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備不斷涌現(xiàn)，因而，促成了沖壓技術(shù)的不斷革新和發(fā)展。模具已成為當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)的重要手段，沖壓生產(chǎn)和模具工業(yè)得到了世界各國的高度重視。 彎曲是利用金屬的塑性變形,將板材、棒料、型材或管料等完成一定形狀和角度的零件的一種沖壓成型工序。采用彎曲成形的零件種類繁多，常見的如汽車大梁、自行車把、門窗鉸鏈、各種電器零件的支架等。由于金屬的流動(dòng)發(fā)生在金屬的塑性變形范圍內(nèi)，因此當(dāng)所施加的外力取出后將會(huì)保留一個(gè)永久性的彎曲變形。 V形壓彎模和U形壓彎模是彎曲模中兩種最基本的彎曲模。U形彎曲中（如下圖所示），在凹模的圓角半徑支撐點(diǎn)B處產(chǎn)生反力P，這樣就形成彎曲力矩M=PL，該彎曲力矩使板料產(chǎn)生彎曲。在彎曲過程中，隨著凸模進(jìn)入凹模的深度不同，凹模圓角半徑支撐點(diǎn)的位置及彎曲件毛坯彎曲半徑r發(fā)生變化，即支撐點(diǎn)距離L和彎曲半徑r逐漸減小，而彎曲力P逐漸增大，彎矩M也增加。當(dāng)毛坯的彎曲半徑達(dá)到一定值時(shí)，毛坯在彎曲凸模圓角半徑處開始塑性變形，最后將板料彎曲成與凸模形狀一致的工件。 1 凸模 2凹模 1.2 Pro/ENGINEER簡介 Pro/ENGINEER是由美國參數(shù)技術(shù)公司推出的一套博大精深的三維CAD/CAM參數(shù)化軟件系統(tǒng)，它的內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、工業(yè)造型設(shè)計(jì)、分析計(jì)算；動(dòng)態(tài)模擬和仿真、工程圖的輸出、生產(chǎn)加工成產(chǎn)品的全過程，其中還包括了大量的電纜和管道布線。模具設(shè)計(jì)與分析等使用模塊。應(yīng)用領(lǐng)域包括航空航天、汽車、機(jī)械、數(shù)控（NC）加工、電子等諸多行業(yè)。 由于其強(qiáng)大而完美的功能，Pro/ENGINEER幾乎成為三維CAD/CAM領(lǐng)域的一面旗幟和標(biāo)準(zhǔn)。它在國外大學(xué)校園里已成為學(xué)生工程必修的專業(yè)課程，也成為工程技術(shù)人員必備的技術(shù)。 1.2.1 Pro/ENGINEER的動(dòng)畫模塊概述 （1）將產(chǎn)品的運(yùn)行用動(dòng)畫來表示，使其具有可視性。只要將主體拖動(dòng)到不同的位置，并拍下快照來創(chuàng)建動(dòng)畫。 （2）可以用動(dòng)畫的方式形象的表示產(chǎn)品的裝配和拆卸序列。 （3）可以創(chuàng)建維護(hù)產(chǎn)品步驟的簡短動(dòng)畫，用來指導(dǎo)用戶如何維修或建立產(chǎn)品。 1.2.2 動(dòng)畫創(chuàng)建的一般步驟 （1）進(jìn)入動(dòng)畫模塊 （2）新建并命名動(dòng)畫 （3）定義主體 （4）拖移主體并生成一連串的快照 （5）用所生成的快照建立關(guān)鍵幀 （6）執(zhí)行動(dòng)畫，播放動(dòng)畫 （7）保存動(dòng)畫文件 1.2.3 Pro/ENGINEER動(dòng)畫模塊里的常用圖標(biāo)命令 定義動(dòng)畫名稱； 動(dòng)畫中的主體定義； 創(chuàng)建新關(guān)鍵幀序列； 從動(dòng)畫時(shí)間線中移除選定的圖元； 啟動(dòng)動(dòng)畫； 回放，可以回放動(dòng)畫，輸出視頻文件。 2本次論文論述所要解決的問題 運(yùn)用Pro ENGINEER野火4.0對(duì)《沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)》3.7節(jié)彎曲模具的典型結(jié)構(gòu)的彎曲角小于90°U形件彎曲模進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)分析，將各個(gè)彎曲模具的零部件裝配在一起，用Pro ENGINEER野火4.0里的動(dòng)畫模塊進(jìn)行動(dòng)畫設(shè)計(jì)，通過動(dòng)畫用三維的動(dòng)態(tài)效果來表現(xiàn)模具工作原理，形象，容易理解。 本次畢業(yè)論文的要求就是進(jìn)一步解釋動(dòng)畫制作的基本步驟和方法，根據(jù)我的學(xué)習(xí)下面將本動(dòng)畫的詳細(xì)步驟敘述于下，希望老師給以檢閱審查，提出寶貴的意見。 3 彎曲角小于90°的U形件彎曲模動(dòng)畫制作 3.1 彎曲角小于90°的U形件彎曲模動(dòng)畫的制作進(jìn)度 （1）了解國內(nèi)外沖壓模具的發(fā)展現(xiàn)狀，所用時(shí)間2天； （2）弄懂本模具的工作原理所用時(shí)間2天； （3）彎曲模具各個(gè)零部件設(shè)計(jì)所用時(shí)間3天； （4）彎曲模具的裝配，所用時(shí)間2天； （5）動(dòng)畫的制作所用時(shí)間7天； （6）修改動(dòng)畫，寫畢業(yè)論文5天。 3.2 彎曲角小于90°的U形彎曲模的工作原理 首先先畫出此模具的二維主視圖，觀察模具結(jié)構(gòu)，如圖3-1所示。圖3-1 所示為彎曲角小于90°的U形件彎曲模。坯料首先在凸模8的作用下被彎成U形；隨著上模座4繼續(xù)向下移動(dòng)，彈簧3被壓縮，裝于上模座4上的兩塊斜楔2壓向滾柱1，使裝有滾柱1的活動(dòng)凹模快5、6分別向中間移動(dòng)，將U形件的兩側(cè)邊向里完成小于90°的角度，當(dāng)上?；爻虝r(shí)，彈簧7 使凹模塊復(fù)位，工件被凸模帶著上行，前后方向取出工件。 圖3-1 4 彎曲角小于90°U形件彎曲模模具動(dòng)畫制作詳細(xì)過程 因?yàn)镻ro ENGINEER 軟件動(dòng)畫模塊功能里對(duì)動(dòng)畫制作完全是瞬間拍照，然后經(jīng)過圖片的連接完成一連續(xù)的動(dòng)畫；此模具的運(yùn)動(dòng)過程是彎曲，而在軟件中，坯料不能隨著凸模的下行而自動(dòng)彎曲變形，根據(jù)凸模下行的不同位置在Pro ENGINEER 中不同位置的工件彎曲形狀，把各個(gè)彎曲階段不同形狀的彎曲件裝配在凸模下行過程中的不同位置。本動(dòng)畫制作過程中，根據(jù)10種不同彎曲狀態(tài)連接而成的動(dòng)畫。 4.1 彎曲模具動(dòng)畫制作準(zhǔn)備工作 （1）用Pro ENGINEER 4.0零件模塊建立各個(gè)零件的三維模型，建立如圖3-1所示的每一個(gè)零部件。 （2）在組建模塊把各零部件進(jìn)行裝配，裝配完成后，需要?jiǎng)h除裝配約束，為方便以后做動(dòng)畫 4.2 彎曲工件凸模下行到工件表面動(dòng)畫的制作 運(yùn)行Pro ENGINEER 4.0，選擇下拉菜單【文件】下【設(shè)置工作目錄】命令，將工作目錄設(shè)置在D：\wangyafei-donghua\wanqumuju。 然后選擇下拉菜單【文件】點(diǎn)擊【打開】，打開裝配好的模具裝配圖文件asm0003.asm，如圖4-1。 圖4-1 注意：進(jìn)入動(dòng)畫模塊，必須在裝配模塊中進(jìn)行。 選擇下拉菜單【應(yīng)用程序】--【動(dòng)畫】命令。系統(tǒng)進(jìn)入動(dòng)畫模塊，如圖4-2。 圖4-2 單擊，在在彈出的對(duì)話框中的建立一個(gè)【重定向視圖】，命名為donghua保存，如圖4-3。 圖4-3 單擊圖標(biāo)，新建動(dòng)畫，在彈出對(duì)話框中可重命名動(dòng)畫名稱，如圖4-4所示，定義動(dòng)畫名稱后，關(guān)閉窗口。 圖4-4 單擊 圖標(biāo)，彈出如對(duì)話框，在操作之前，每一個(gè)零件都是一個(gè) boyd檢查裝配模具圖的整個(gè)剛體情況，根據(jù)本模具工作把上模部分整體連接組成一個(gè)剛體，先單擊每一個(gè)主體一個(gè)零件，再單擊body19上模座，點(diǎn)編輯按住Ctrl鍵添加上模部分的所有零件，如圖圖4-5。 圖 4-5 單擊 圖標(biāo) ，彈出如圖4-6對(duì)話框，在圖4-6對(duì)話框中單擊擊圖標(biāo)，彈出如圖4-7拖動(dòng)對(duì)話框，先點(diǎn)拍下第一張圖snapshot1，然后在圖4-6對(duì)話框中點(diǎn)擊點(diǎn)拖動(dòng)圖標(biāo)，選擇拖動(dòng)的方向Z軸方向，如圖4-8。 然后鼠標(biāo)拖動(dòng)上模部分向下移動(dòng)至凸模與坯料接觸，再單擊擊圖標(biāo)拍下模具下行的第二張圖snapshot2，如圖4-9所示，點(diǎn)關(guān)閉。 圖4-6 圖4-7 圖4-8 圖4-9 在如圖4-10 所示的對(duì)話框中設(shè)置時(shí)間，更改時(shí)間為5s，回車，再單擊確定 圖4-10 單擊圖標(biāo)，查看動(dòng)畫第一階段的動(dòng)作是否正確。無誤后，再單擊圖標(biāo)，彈出如圖4-11對(duì)話框中單擊捕獲，在彈出如圖 對(duì)話框，更改名稱為001.mpg，單擊確定輸出此階段的動(dòng)畫視頻。最后刪除關(guān)鍵幀操作，如圖4-12。 圖4-11 圖4-12 單擊【文件】——【保存】，保存文件。 最后刪除關(guān)鍵幀操作，如圖4-13。 圖4-13 4.3 彎曲角大于90°彎曲部分的動(dòng)畫制作 在模型樹中右鍵單擊gongjian-01.prt隱藏，在右鍵單擊gongjian-02.prt取消隱藏，如圖4-14所示。gongjian-02.prt就會(huì)顯示在凸模上了，接著做動(dòng)畫，如圖4-15。 圖4-14 圖4-15 單擊圖標(biāo)，進(jìn)行第二階段的拍照，彈出對(duì)話框后，和第一階段的操作相同，上模部分被拖動(dòng)到的位置（如圖圖4-16 ）得到snapshot3和snapshot4兩張快照，時(shí)間為2s。查看模具的動(dòng)作無誤后，輸出動(dòng)畫視頻002。再保存文件。 圖 4-16 隱藏藏上次操作的工件，在左邊模型樹中對(duì)下一次需要操作的零件取消隱藏。如同第二階段的動(dòng)畫操作，做出動(dòng)畫，一直到gongjian-07.prt，每個(gè)階段的位置，如圖4-17所示。 gongjian-04.prt gongjian-05.prt gngjian-06.prt gongjian-07.prt 圖4-17 4.4彎曲角小于90°的彎曲部分動(dòng)畫制作 隱藏gongjian-07.prt，取消隱藏gongjian-09.prt得到模具這個(gè)的階段的視圖，如圖4-18。 圖4-18 單擊擊圖標(biāo)，彈出自定義主體對(duì)話框，如圖4-19所示，單擊每一個(gè)主體一個(gè)零件。選擇整上模座、導(dǎo)套、斜楔、模柄和四個(gè)長螺釘為一個(gè)連接剛體，如圖4-20。 圖4-19 圖4-20 再編輯左右凹?；瑝K（包括滾柱、滾輪和凹模活動(dòng)塊）分別為一個(gè)連接剛體，如圖4-21 圖4-21 圖4-22 點(diǎn)擊圖標(biāo)，對(duì)此階段拍照，彈出對(duì)話框后，單擊圖標(biāo)，在彈出對(duì)話框中單擊拍下一張圖，再單擊高級(jí)拖動(dòng)選項(xiàng)中的X向平移，如圖4-22 。分別拖動(dòng)左右凹模滑塊到如圖4-23所示的位置，單擊Z向平移，拖動(dòng)上模座和斜楔部分，是斜楔的斜面和滾輪面接觸，如圖4-24單擊拍下快照，設(shè)置時(shí)間2s。檢查模具動(dòng)畫動(dòng)作是否正確，輸出動(dòng)畫008.mpg，并保存文件。最后再移除關(guān)鍵幀。 圖4-23 圖4-24 在下兩個(gè)階段gongjian-10.prt和gongjian.prt上一個(gè)階段的操作相同，拖動(dòng)位置如圖4-25 gongjian-10.prt gongjian.prt 圖4-25 4.5彎曲模具上模部分回程制作 點(diǎn)擊圖標(biāo)，對(duì)此階段拍照，彈出對(duì)話框后，單擊圖標(biāo)，在彈出對(duì)話框中單擊拍下一張圖，再單擊高級(jí)拖動(dòng)選項(xiàng)中的X向平移，如圖圖4-25所示的位置 。分別拖動(dòng)左右凹?；瑝K到如圖圖4-26所示的位置，單擊Z向平移，拖動(dòng)上模座和斜楔部分，是斜楔的斜面和滾輪面接觸，如圖4-27所示的位置，單擊拍下快照，設(shè)置時(shí)間2s。檢查和輸出動(dòng)畫11.mpg。 圖4-26 圖4-27 單擊點(diǎn)擊圖標(biāo)，利用上一張的快照，點(diǎn)擊圖標(biāo)，在彈出的對(duì)話框中選擇Z向平移，使工件和整個(gè)上模部分上行到合適的位置，如圖4-28對(duì)此進(jìn)行拍照生成照片后點(diǎn)關(guān)閉，完成拍照，會(huì)自動(dòng)退入下一個(gè)對(duì)話框，設(shè)置時(shí)間為5s，單擊確定。檢查和輸出動(dòng)畫12.mpg。 圖4-28 4.6 彎曲模具取出工件部分的動(dòng)畫制作 擊圖標(biāo)，在彈出的對(duì)話框中單節(jié)每個(gè)主體一個(gè)零件，單擊關(guān)閉。 點(diǎn)擊圖標(biāo)，利用上一張的拍照，點(diǎn)擊圖標(biāo)，在彈出的對(duì)話框中選擇Y向平移（如圖4-29），拖動(dòng)gongjian.prt至合適的位置，如圖4-30設(shè)置時(shí)間為5s，單擊確定。檢查和輸出動(dòng)畫13.mpg。保存文件。 圖4-29 圖4-30 最后需在制作視頻的軟件上對(duì)輸出的動(dòng)畫視屏進(jìn)行合理的修剪和合并，完成動(dòng)畫制作。 5 總 結(jié) 通過這次畢業(yè)論文，使我學(xué)到了很多東西，Pro/ENGINEER的功能齊全而又強(qiáng)大，先是在建模模塊設(shè)計(jì)三維零件，再裝配成模具。在動(dòng)畫模塊完成三維動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，做成形象的視頻來理解彎曲角小于90°的U形彎曲模的工作原理。在此過程中要利用桌面捕捉工具，詳細(xì)記錄各個(gè)步驟的操作圖片，在編輯成word格式的文件，最后檢查和修改模具動(dòng)畫，編輯畢業(yè)論文。整個(gè)過程都是在計(jì)算機(jī)上完成的。鍛煉自己計(jì)算機(jī)操作能力，會(huì)使用軟件結(jié)局問題，總之受益匪淺。 致 謝 首先感謝本人的導(dǎo)師原紅玲老師，她對(duì)我的仔細(xì)審閱了本文的全部內(nèi)容并對(duì)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容提出了許多建設(shè)性建議。原紅玲老師淵博的知識(shí)，誠懇的為人，使我受益匪淺，在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，特別是遇到困難時(shí)，她給了我鼓勵(lì)和幫助，在這里我向他表示真誠的感謝！ 感謝母?！幽蠙C(jī)電高等專科學(xué)校的辛勤培育之恩！感謝材料工程系給我提供的良好學(xué)習(xí)及實(shí)踐環(huán)境，使我學(xué)到了許多新的知識(shí)，掌握了一定的操作技能。 感謝和我在一起進(jìn)行課題研究的同窗沈偉飛同學(xué)，和他在一起討論、研究使我受益非淺。 最后，我非常慶幸在三年的的學(xué)習(xí)、生活中認(rèn)識(shí)了很多可敬的老師和可親的同學(xué)，并感激師友的教誨和幫助！ 參考文獻(xiàn) [1]原紅玲主編.沖壓工藝與模具設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.8 [2]詹友剛編著. Pro/ENGINEER英文野火版教程-專用模塊.北京：清華大學(xué)出版社，2004.8 [3]葛正浩，楊芙蓮編著. Pro/E 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真勢力教程.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.8 [4錫棟、周小玉主編.實(shí)用模具技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001 [5楊占堯主編.沖壓模具圖冊(cè).北京：高等教育出版社，2008.3 - 23 - 插 圖 清 單 圖3-1 彎曲角小于90°的U形彎曲模具裝配圖……………………………………5 圖4-1彎曲模具三維裝配圖………………………………………………………………7 圖4-2 應(yīng)用程序工具欄……………………………………………………………………7 圖4-3 重定向視圖對(duì)話框…………………………………………………………………8 圖4-4 動(dòng)畫命名 ……………………………………………………………………………8 圖4-5 定義主體 ……………………………………………………………………………9 圖4-6創(chuàng)建關(guān)鍵幀序列 …………………………………………………………………10 圖4-7快照對(duì)話框………… ………………………………………………………………10 圖4-8高級(jí)拖動(dòng)選項(xiàng)…………… …………………………………………………………11 圖4-9模具下行拖移位置…………… ……………………………………………………11 圖4-10創(chuàng)建關(guān)鍵幀序列……………………………………………………………………12 圖4-11 動(dòng)畫 …………………………………………………………………………………12 圖4-12捕獲輸出動(dòng)畫對(duì)話框 ……………………………………………………………12 圖4-13移除關(guān)鍵幀時(shí)間線…………………………………………………………………13 圖4-14隱藏和取消隱藏……………………………………………………………………13 圖4-15第一次彎曲工件……………………………………………………………………14 圖4-16第一次彎曲工件位置 ……………………………………………………………14 圖4-17彎曲工件位置………………………………………………………………………15 圖4-18活動(dòng)凹模塊移動(dòng)前的位置 ………………………………………………………15 圖4-19再次定義主體對(duì)話框 ……………………………………………………………16 圖4-20上模部分定義主體…………………………………………………………………16 圖4-21凹?；瑝K定義主體…………………………………………………………………16 圖4-22凹模高級(jí)拖動(dòng)選向…………………………………………………………………17 圖4-23凹?；瑝K拖動(dòng)位置…………………………………………………………………17 圖4-24快照創(chuàng)建關(guān)鍵幀……………………………………………………………………18 圖4-25凸模下行凹模的位置………………………………………………………………18 圖4-26凸模回程時(shí)凹模的位置 …………………………………………………………19 圖4-27模具斜楔與滾輪接觸 ……………………………………………………………19 圖4-28模具回程完成………………………………………………………………………20 圖4-29取件是高級(jí)拖動(dòng)選向 ……………………………………………………………20 圖4-30取件完成 ……………………………………………………………………………21