复合精冲过程的计算机模拟及模具结构优化

论文摘要

精冲是一种先进的精密加工工艺,不仅加工出的零件断面光洁、质量高,而且具有高效、低耗、优质等特点,已广泛应用于工业生产中。复合精冲是精冲工艺的一个新领域,能够一次冲裁出形状复杂的三维零件。但是复合精冲在冲制厚度较大的材料时,模具寿命通常较低;另一方面,冲切断面质量、尺寸与形位精度也经常达不到要求。这就影响了该工艺的推广及应用。为了准确找出这些问题出现的原因,需要对复合精冲过程进行有限元数值模拟分析。本课题的研究对象是国内某精冲公司生产的一种棘轮精冲件以及加工它所使用的模具。该零件用于汽车座椅调角器,结构比较复杂,具有半冲孔、倒角以及三维齿形等特征。首先使用Solidworks 2006对模具和条料进行三维建模,然后将三维模型导入到Deform 3D软件中,对精冲过程进行动态模拟,得到零件成型的动画、条料表面以及内部的等效应力应变分布情况以及主冲头上的载荷变化曲线等信息,从而科学地解决了主冲头同时作为落料凸模和挤压凹模工作时的复杂受力计算问题,也为评价零件质量和改进加工工艺提供了参考。接着使用Ansys Workbench 10.0软件的疲劳分析模块,对整副模具最关键的零件主冲头进行了安全性分析和寿命预测,不仅得到了比较合理的主冲头的等效应力和变形情况,更预测出了与生产实际非常接近的主冲头的寿命值,并进一步分析出了主冲头容易损坏的原因。最后,针对主冲头以及与其存在装配关系的压边圈零件容易出现的问题,提出了一个压边圈的结构优化方案。该方案是添加一个压边圈保护镶块,以避免它因与主冲头直接接触而被其磨坏。该方案目前得到了企业的好评和肯定,预计能有效地解决这些问题,并大幅降低生产成本。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 精冲的工作原理和工作过程
• 1.1.1 精冲的工作原理
• 1.1.2 精冲的工作过程
• 1.2 精冲与普通冲裁的区别
• 1.3 精冲技术的国内外发展现状与进展
• 1.4 有限元分析在精冲研究中的应用
• 1.5 课题来源、选题意义以及主要研究内容
• 1.5.1 课题的来源
• 1.5.2 课题的选题意义
• 1.5.3 课题的主要研究内容
• 2 精冲机理分析
• 2.1 精冲过程中金属的塑性变形分析
• 2.2 精冲变形区的应力状态和静水压力分析
• 2.2.1 精冲变形区的应力状态分析
• 2.2.2 精冲变形区的静水压力分析
• 2.3 精冲件常见的几种缺陷形式
• 2.4 本章小结
• 3 复合精冲过程的计算机动态模拟
• 3.1 研究对象介绍及分析
• 3.1.1 加工零件介绍与分析
• 3.1.2 模具工作过程分析与三维建模
• 3.1.3 模具几个关键零件的受力分析与计算
• 3.2 DEF 模拟前处理简述
• 3.2.1 建模
• 3.2.2 划分网格
• 3.2.3 材料模型
• 3.2.4 定义运动和加载
• 3.2.5 接触和摩擦的定义
• 3.2.6 冲裁距离的设置
• 3.3 模拟结果
• 3.3.1 模拟结束后条料的形貌
• 3.3.2 主冲头上的载荷变化曲线
• 3.3.3 条料表面和内部的等效应力、应变分布情况
• 3.3.4 条料内部的等效应力、应变情况
• 3.4 总结
• 4 精冲模关键零件的安全性及寿命分析探索
• 4.1 主冲头分析
• 4.2 疲劳的基本概念
• 4.3 Ansys Workbench10.0 疲劳分析的基本流程
• 4.4 安全性和疲劳寿命分析前处理简述
• 4.4.1 三维模型简化说明
• 4.4.2 模型边界条件的加载
• 4.4.3 材料疲劳属性的定义和添加
• 4.5 主冲头安全性和疲劳寿命的分析结果
• 4.5.1 主冲头上的最大等效应力和最大剪切应力
• 4.5.2 主冲头的应力安全因子
• 4.5.3 主冲头的寿命
• 4.6 总结
• 5 精冲模具结构优化
• 5.1 主冲头变形和压边圈磨损的问题分析
• 5.1.1 问题概述
• 5.1.2 AWB 的分析结果
• 5.2 解决方案—添加压边圈保护镶块
• 5.2.1 方案简述以及模型建立
• 5.2.2 优化方案的有限元分析验证
• 5.2.3 结论
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献