锥形盒件拉深成形有限元分析与工艺研究

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结论

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拉深成形是金属板料成形加工的一种主要手段，所生产零件由于轻质、互换性好、成本低而被广泛应用于航空航天、汽车、电子等领域。传统的成形方案设计往往依赖于设计者的经验，这就导致了各工艺参数需要进行反复的调整与修改。本课题即针对金属板料的冲压成形中常见缺陷和问题，以锥形盒件件为研究对象，对锥形盒件的冲压进行了有限元仿真分析。通过仿真来了解并优化锥形盒件的成形工艺。

本文的主要工作及研究成果如下：

（1） 研究了锥形盒件的成形特点及缺陷，分析了造成板料成形缺陷的影响因素，并确定本文研究的主要影响因素。

（2）利用Pro/E软件进行CAD建模。并通过IGES文件导入DYNAFORM中，得到冲压所需模型。

（3）利用板料冲压成形仿真的专用软件DYNAFORM对锥形盒件进行有限元分析，比较不同压边力、锥度、摩擦系数、模具参数等因素对板料冲压成形的影响。得出了最佳的参数组合，为实际的生产提供了依据参照。

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致 谢

第 47 页 共 49 页

本文的研究工作是在导师张卫副教授的精心指导下完成的，导师渊博的学识和严谨的治学作风给作者留下了深刻印象，将使作者终身受益，导师的恩情将永远铭记在心。值此论文完成之际，向导师表示诚挚的谢意。

同时感谢机械系的所有老师，特别是张跃、陆广华、张乐莹几位老师，在平时学习与论文写作时给予作者的关怀与帮助。

感谢陪伴作者度过大学四年生涯的同学朋友，他们也给予了我学业上和生活上的很多具体的帮助，对本文的撰写也提供了许多宝贵的意见，手足情谊难以忘怀，特别在此对他们表示感谢。

最后感谢我的家人及多年来关心和支持我的所有人。 谨以此文献给所有关心、支持和帮助过我的人们! 对本论文的评阅老师，学生在此表示深深的谢意!

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参 考 文 献

第 48 页 共 49 页

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南京理工大学泰州科技学院

毕业设计说明书(论文)

作 者: 学院(系): 专 业: 题 目:

董宇浩 学 号： 0801010305 机械工程学院

机械工程及自动化 锥形盒件拉深成形 有限元分析与工艺研究

张卫 副教授 指导者：

评阅者：

2012 年 6 月

毕业设计说明书（论文）中文摘要

拉深成形是加工薄壁开口空心零件的典型方法，在冲压加工的实际生产中占有重要的地位。该方法所能加工零件的范围相当广泛，从圆筒形件、盒形件到锥形件、球形件直至汽车覆盖件等形状复杂的大型曲面形状零件。 本课题以锥形盒件为研究对象，首先通过理论分析介绍了影响锥形盒件冲压成形性能的主要因素：压边力、锥度、摩擦系数、凸模圆角半径、转角半径等。以有限元分析软件DYNAFORM为研究手段，通过数值模拟的方法，研究了锥形盒形件的拉深成形过程。根据锥形盒形件的特点，本文建立了包括板料、凸模、凹模以及压边圈在内的三维有限元分析模型。通过模拟分析不同压边力、不同的锥度、不同摩擦系数、不同凸模圆角半径、不同转角半径等各种参数，得出了比较合理的锥形盒形件拉深过程中的工艺参数和力能参数。为现实中零件的设计和生产提供方法和理论指导。 关键词： 拉深成形 锥形件 DYNAFORM 本科毕业设计说明书（论文）

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毕业设计说明书（论文）外文摘要

Title Finite Element Analysis and Research of Cone-shape box Drawing Forming and Process Abstract Deep drawing is a typical method to make uncork hollow part of thin wall. It is significantly important in the industrial practice. The drawing parts are wide used, such as the cylinder part, box part, conical part, spherical part and even large part of complicated automobile part. The Cone-shaped box is chosen as the beginning of the research of drawing forming. Firstly, the drawing forming affecting factors are introduced, such as blank holder force, taper, coefficient of friction, and different round-cornered of die. The numerical simulation of forming process of the Cone-shaped box part is carried out using the explicit non-linear finite-element code DYNAFORM. A three-dimensional finite-element model, which includes plate, punch, dies and holder pad, is established to simulate the drawing process based on the characteristics of the cone-shaped box part. Reasonable technology parameters are acquired by simulating with different blank holder force, different taper, different coefficient of friction, and different round-cornered of die. The instruction of method and theory for the drawing part’s design and production on reality is provided. Keywords Deep drawing Cone part DYNAFORM 本科毕业设计说明书（论文）

目 录

第 4 页 共 49 页

1 绪论 .................................................................................................................................................... 5 1.1 选题背景 .......................................................................................................................................... 5 1.2 国内外研究现状 .............................................................................................................................. 6 1.2.1 板料拉深成形技术的发展 .......................................................................................................... 6 1.2.2 盒形件拉深成形技术的研究 ...................................................................................................... 7 1.2.3 锥形件的拉深成形 ...................................................................................................................... 7 1.3 主要研究目标及内容 ...................................................................................................................... 8 1.4 论文的组织结构 .............................................................................................................................. 9 2 锥形盒件冲压成形理论分析 ............................................................................................................ 10 2.1 锥形盒件拉深成形的基本理论 ..................................................................................................... 10 2.1.1 锥形盒件拉深成形的变形特点 ................................................................................................ 10 2.1.3 锥形盒件拉深工艺及成形特点 .................................................................................................11 2.2 锥形盒件拉深成形的主要缺陷 ......................................................................................................11 2.2.1 起皱 .............................................................................................................................................11 2.2.2 破裂 ............................................................................................................................................ 12 2.3 影响锥形盒件拉深成形的因素 ..................................................................................................... 12 2.3.1 材料的性能参数 ........................................................................................................................ 13 2.3.2 冲压工艺参数 ............................................................................................................................ 13 2.3.3 模具几何参数 ............................................................................................................................ 13 2.4 本章小结 ......................................................................................................................................... 14 3 锥形盒件有限元建模方法 ................................................................................................................ 14 3.1 Dynaform 有限元分析软件 .......................................................................................................... 14 3.1.1 锥形盒件仿真模型的建立 ........................................................................................................ 17 3.1.2 前处理工作 ................................................................................................................................ 19 3.1.3 后处理工作 ................................................................................................................................ 23 3.2 小结 ................................................................................................................................................ 24 4 锥形盒件的成形影响因素分析 ........................................................................................................ 25 4.1 不同材料对锥形盒件的成形影响分析 ........................................................................................ 25 4.2 不同压边力对锥形盒件的成形影响分析 .................................................................................... 28 4.3 不同锥度对锥形盒件的成形影响分析 ........................................................................................ 31 4.4 不同摩擦系数对锥形盒件的成形影响分析 ................................................................................ 34 4.5 不同凸模圆角半径对锥形盒件的成形影响分析......................................................................... 37 4.6 不同凸凹模直壁转角半径对锥形盒件的成形影响分析 ............................................................. 40 4.7 根据分析结果设计 ........................................................................................................................ 43 4.8 小结 ................................................................................................................................................ 45 结束语 ...................................................................................................................... 错误！未定义书签。 致 谢 ...................................................................................................................................................... 47 参 考 文 献 ............................................................................................................................................ 48

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1 绪论

1.1 选题背景

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冲压是使板料经分离或成形而得到制件的加工方法。冲压是利用冲压模具对板料进行加工。拉深是利用模具冲裁后得到的平面毛坯变成为开口的空心零件的冲压工艺方法。它是一种十分重要的金属塑性加工方法，该工艺方法不断取得发展和广泛应用。

以拉深成形为主体的冲压件非常多，在很多工业及生活用品中都有拉深成形的制品。利用拉伸成形工艺可以制成多种类型的零件，如圆筒形件、球面形件、盒形件、锥形件、阶梯形件等。拉深件可加工的尺寸范围非常的广泛，从小到几毫米的小零件，大到轮廓尺寸达2-3米的大型的零件，都可以利用拉深的方法制成。所以该工艺方法在汽车、飞机、仪表、电子等工业部门以及日常生活用品的冲压生产中，处于相当重要的地位。

各类拉深件的几何形状存在差异，因此在模具的作用下，随着成形过程的进行，毛坯各个部分的受力情况和变形的特点以及出现缺陷的部位和形式等方面都存在着相当大的甚至是本质上的区别。所以各个种类的拉深件在工艺参数、工序数目与顺序的确定以及模具设计原则和方法的制定上都各不相同。可根据变形力学的特点分为四类[1]（如表1.1）：

表1.1 拉伸件的分类及易出现缺陷的部位和形式

项目 典型拉深件 易出现缺陷的部位和形式

直壁轴对称类 圆筒形件 法兰起皱 筒壁破裂

直壁非轴对称类

盒形件 法兰起皱 直壁破裂

曲面轴对称类 锥形件、球形件

曲面非轴对称类 汽车覆盖件

法兰和侧壁起皱 起皱和破裂部位与侧壁破裂

零件具体形状有关

注:其中圆筒形件、盒形件、锥形件、球形件又称基本形状典型拉深件

锥形盒件包括了盒形件与锥形件的特点。本课题针对锥形盒件在冲压成形过程中常见的缺陷及问题为研究对象，通过查阅文献分析找出在成形过程中出现褶皱和破裂的原因，然后运用DYNAFORM软件进行有限元仿真分析，找出各种变化因素在板料变性去的薄厚变化及应力应变规律，找出最优的实验方案。为实际应用生产做参考。

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3）压边力大小为300KN，拉深行程40mm，拉深速度2000mm/s；

根据上述的参数设定在DYNAFORM中进行分析，分别采用不同的凸凹模直壁转角进行模拟，模拟实验结果如表4.6所示：

图4.6 不同凸凹模直壁转角下的成形模拟数据

直壁转角半径

mm 最大变薄率% 最大变厚率% 最大正应变 最大负应变 最大正应力Pa 最大负应力Pa 成形效果

10 12 14 16 18 20

37.500 4.383 0.317 -0.232 418.775 -313.391

起皱

36.717 4.200 0.318 -0.222 428.901 -310.353

起皱

34.804 4.095 0.298 -0.211 434.003 -307.790

起皱

34.661 3.958 0.297 -0.196 436.932 -305.996

正常

34.917 3.839 0.304 -0.185 408.096 -305.772

正常

36.104 3.684 0.346 -0.175 424.174 -301.959 破裂危险

不同直壁转角半径下的最大变薄、变厚率如图4.21所示：

403530252015105010121416直壁转角半径mm1820百分比%最大变薄率最大变厚率

图 4.21不同直壁转角半径下的最大变薄、变厚率

不同直壁转角半径下的应变如图4.22所示：

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0.40.30.2第 42 页 共 49 页

应变0.10-0.1-0.2-0.3直壁转角半径mm图4.22 不同直壁转角半径下的应变

最大正应变最大负应变101214161820

不同直壁转角半径下的应力如图5.23所示：

5004003002001000-100-200-300-400应力Pa最大正应力最大负应力101214161820直壁转角半径mm图4.23 不同直壁转角半径下的应力

不同直壁转角半径下的成形极限如图4.24所示：

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(a) 直壁转角半径=10mm (b) 直壁转角半径=12mm

(c) 直壁转角半径=14mm (d) 直壁转角半径=16mm

破裂危险

(e) 直壁转角半径=18mm (f) 直壁转角半径=20mm

图4.24 不同直壁转角半径下的成形极限

结果分析如下：

1）图4.21，在较小转角时出现较大的变薄和变厚现象，这是由于转角处过小阻碍了材料向凹模的流入，造成在转角处，法兰区起皱严重，而成形区直壁拉裂的情况。而应力很应变在转角增大大一定程度后趋于稳定，所以对于两者影响不大。

2）图4.24，当转角为20mm时，出现了破裂危险区，当转角较小为10mm时，开口处的褶皱去较大，当为18mm时，效果较好。

通过上面的分析可知，转角半径取18mm。

4.7 根据分析结果设计

通过上面的模拟分析结果，可以看到可以通过改变材料、压边力、锥度、凸模圆角半径、摩擦系数、直壁转角半径等因素来改变拉深的质量。根据上述结论，并结合实际生产中在摩擦系数一定的时候通过改变模具参数和压边力的调节来得到较好的拉深质量，对比方案如表4.7所示：

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表4.7方案对比

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方案 凸模圆角半径mm

摩擦系数 转角半径mm 压边力KN 最大变薄率% 最大变厚率%

最大正应力Pa 最大负应力Pa 成形效果

1 12 0.125 16 300 34.774 3.973 431.077 -304.362 正常

2 12 0.125 16 270 32.262 4.173 417..059 -308.547 正常

3 12 0.125 18 270 32.415 4.032 430.086 -307.004 正常

4 12 0.125 18 300 34.913 3.838 406.326 -302.394 正常

各方案的成形极限图如图4.25所示：

(a)方案1 (b)方案2

(c)方案3 (d)方案4

图4.25各方案的成形极限图

从各方案的变薄率在30%的质量要求范围内，变厚率在10%内，都符合成形的要

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求。通过成形极限FLD图，各方案的起皱变形看，方案4的起皱量最小，成形最好，而且变薄率和变厚率都较小，从这两点看，方案4较为合理的的优化方案。

4.8 小结

本章通过使用数值模拟技术，研究了锥形盒件的成形过程，对材料、压边力、锥度、摩擦系数、凸模圆角半径和直壁转角半径做了比较详细的对比分析。

（1）材料：材料的力学性能在板料拉深成形过程中影响较为显著，不同的材料其力学参数不同。密度较小的材料在冲程过程中，其最大变薄变厚率较大不利于拉深成形的整体性能。

（2）压边力：在拉深成形过程中，压边力的主要作用是控制材料的流动。在板料成形过程中压边力不能过小也不能过大：压边力过小则无法有效地控制材料的流动，会使板料的法兰区发生受压失稳而引发起皱；压边力过大会过分抑制法兰区材料的流动，使侧壁区过分减薄，从而出现拉裂。

（3）锥度：拉深的深度过浅，会使冲压不完整，深度过深，会使板料出现破裂。 （4）摩擦系数：在拉深成形过程中，摩擦系数的主要作用是控制材料的流动。在板料成形过程中摩擦系数不能过小也不能过大。摩擦系数过小则无法有效地控制材料的流动，会使板料的法兰区发生受压失稳而起皱；摩擦系数过大会过分抑制法兰区材料的流动，使侧壁区流动加剧，减薄率增大。

（5）凸模圆角半径：凸模圆角半径太小，危险断面处的抗拉强度则降低减小了坯料的极限变形程度，但凸模圆角半径太大，相应地就减小了凸模与坯料的接触面积，也就是增加了坯料的悬空部分，增加了材料起内皱的可能性。

（6）转角半径：转角半径过小会使法兰的边角出现褶皱，转角半径过大会使底部圆角处出现破裂。

通过观察对比每组数据的最大变薄、变厚率，应变以及应力，得出了较为合理的优化方案为：材料选取DQSK，料厚2mm，压边力300KN，拉深深度40mm，凸模速度2000mm/s，摩擦系数0.125，凸模圆角半径12mm，凸凹模直壁转角半径18mm,，所获得的锥形盒件的成形效果最佳。

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（c）F=300KN （d）F=320KN

破裂危险

破裂

（e）F=350KN （f）F=400KN

图4.8 不同压边力F下的成形效果 结果分析如下：

1）由表4.2可知，压边力的不同会促使板料发生相应的改变。当压边力逐渐增大时，板料的最大变薄率随之增大，而最大变厚率随之减小。由于法兰处的阻力增大，材料流动随即减慢，从而造成直壁厚度变薄，材料拉深较多。

2）从图4.5可看出，当压边力增大到320KN时，板料的最大变薄率增大明显，最大变薄率减弱明显。图4.6所示，当压边力超过320KN后，板料的最大正应变、最大负应变急剧增加。而压边力的变化对于板料的应力变化影响不大。

3）由成形效果图可看出，当压边力为250KN时，还有小部分的起皱现象，当压边力大于320KN时，底部圆角处有破裂危险趋势，当压边力为400KN时，底部被拉裂。

所以当压边力在大于270KN小于320KN时，成形效果最佳。

4.3 不同锥度对锥形盒件的成形影响分析

为了防止在冲压过程中，板料出现破裂、起皱或拉深不充分，故应研究锥形盒件的锥度（拉深深度h），实验方案如下：

1）凸、凹模的间隙为1.1t，直壁转角半径12mm，凸凹模圆角半径12mm； 2）材料参数如表3.1，料厚2mm，摩擦系数0.125； 3）压边力大小为300KN，拉深速度2000mm/s；

根据上述的参数设定在DYNAFORM中进行分析，分别采用不同的拉深行程进行模拟，模拟实验结果如表4.3所示：

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表4.3 不同锥度下的成形模拟数据

拉深深度mm 最大变薄率% 最大变厚率% 最大应变 最小应变 最大正应力Pa 最大负应力Pa 成形效果

20 14.807 1.602 0.093 -0.086 389.043 -254.241

正常

30 23.892 2.984 0.168 -0.143 452.605 -289.229

正常

40 40.027 4.300 0.351 -0.231 428.703 -311.126 正常

45

第 32 页 共 49 页

50 88.254 3.499 1.807 -0.174 754.900 -295.558

破裂

83.838 3.982 1.466 -0.202 453.416 -467.578

破裂

不同锥度下的最大变薄、变厚率如图4.9所示：

10080百分比`4020020304045拉深深度mm50最大变薄率最大变厚率

图4.9 不同锥度下的最大变薄、变厚率

不同锥度下的应变如图4.10所示：

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21.5第 33 页 共 49 页

应变10.50-0.5203040拉深深度mm4550最大正应变最大负应变

图4.10不同锥度下的应变

不同锥度下的应力如图4.11所示：

10008006004002000-200-400-600应力Pa最大正应力最大负应力2030404550拉深深度mm

图4.11 不同锥度下的应力

不同锥度下的成形极限如图4.12所示：

(a)h=20mm (b)h=30mm

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破裂

(c)h=40mm (d)h=45mm

破裂

(e)h=50mm

图4.12 不同锥度下的成形极限

结果分析如下：

1）图4.9，4.10可看出，随着锥度的不同，拉深深度的变化，板料的最大变薄率逐渐增大，最大正应变逐渐增大。当深度为20mm时，由于拉深深度过浅，板料的最大变薄、变厚率，最大正负应变相差不大。随着锥度的增加，变化也越来越大。

2）图4.11，当拉深深度比较浅时，凸模与板料接触比较充分，应力变化不大，当深度增大到45以上时，应力急剧增加；通过图4.12可知，当h=45mm时，板料出现破裂。

通过以上分析，取h=40mm。

4.4 不同摩擦系数对锥形盒件的成形影响分析

为了防止在拉深过程中，因为摩擦系数过大而引起的工件直壁部的破裂，所以要选取合适的摩擦系数，实验方案如下：

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2）材料参数如表3.1，料厚2mm；

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1）凸、凹模的间隙为1.1t，选择凸凹模圆角半径为12mm,凹模圆角半径为12mm；

3）冲压距离40mm，选取压边力压边力300KN，拉深速度2000mm/s。 根据上述的参数设定在DYNAFORM中进行分析，分别采用不同的摩擦系数进行模拟，模拟实验结果如表4.4所示：

表4.4 不同摩擦系数下的成形模拟数据

摩擦系数 最大变薄率% 最大变厚率% 最大应变 最小应变 最大正应力Pa 最大负应力Pa 成形效果

0.09 33.507 4.951 0.264 -0.258 405.341 -317.631

起皱

0.10 36.237 4.578 0.296 -0.244 426.118 -314.165

正常

0.125 40.027 4.300 0.351 -0.231 428.703 -311.126

正常

0.13 42.207 4.196 0.384 -0.225 431.657 -309.201

正常

0.135 44.297 4.069 0.424 -0.219 432.505 -307.191 破裂危险

不同摩擦系数下的最大变薄、变厚率如图4.13所示：

5040百分比0201000.090.10.125摩擦系数0.130.135最大变薄率最大变厚率

图4.13 不同摩擦系数下的最大变薄、变厚率

不同摩擦系数下的应变如图4.14所示：

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0.50.40.30.20.10-0.1-0.2-0.3第 36 页 共 49 页

最大正应变最大负应变0.090.10.1250.130.135应变摩擦系数

图4.14 不同摩擦系数下的应变

不同摩擦系数下的应力如图4.15所示：

600400应力Pa2000-200-400摩擦系数0.090.10.1250.130.135最大正应力Pa最大负应力Pa

图4.15不同摩擦系数下的应力

不同摩擦系数下的成形极限如图4.16所示：

起皱

(a) 摩擦系数=0.09 (b) 摩擦系数=0.10

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第 37 页 共 49 页

(c) 摩擦系数=0.125 (d) 摩擦系数=0.130

破裂危险

(e) 摩擦系数=0.135

图4.16 不同摩擦系数下的成形极限

结果分析如下：

1）通过图4.13可知，随着摩擦系数的增大，板料的最大变薄率也随之增大，最大变厚率变化不明显。图4.116可知，当摩擦系数为0.09较小时，板料有局部小范围的褶皱，当摩擦系数为0.135时，变薄率急剧上升，使板料出现破裂。

2）图4.14，摩擦系数与最大正应变成正比。图4.15可知，摩擦系数对于最大正负应力影响不大。

通过上面的分析可知，摩擦系数不宜过大或过小，过大导致破裂，过小则会使拉深不完整。故取摩擦系数为0.125。

4.5 不同凸模圆角半径对锥形盒件的成形影响分析

为了防止在冲压过程中，由于凸模圆角过小导致材料流动阻力和开裂趋势增大，使冲压件难以难以成形，所以要选择合适的凸模圆角半径。实验方案如下:

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2）材料参数如表3.1，料厚2mm，摩擦系数0.125；

第 38 页 共 49 页

1）凸、凹模的间隙为1.1t，凹模圆角12mm，凸凹模转角半径12mm；

3）冲压距离40mm，选取压边力为300KN，拉深速度2000mm/s。

根据上述的参数设定在DYNAFORM中进行分析，分别采用不同的凸模圆角半径进行模拟，模拟实验结果如表啊4.5所示：

表4.5 不同凸模圆角半径下的成形模拟分析

凸模圆角半径

mm 最大变薄率% 最大变厚率% 最大正应变 最小负应变 最大正应力Pa 最大负应力Pa 成形效果

58.700 4.128 0.754 -0.208 436.137 -306.658

破裂

43.819 4.193 0.428 -0.222 416.835 -309.418 破裂危险

37.769 4.192 0.327 -0.222 416.198 -307.774

正常

36.629 4.199 0.317 -0.222 431.716 -310.403

正常

33.958 4.187 0.283 -0.221 427.686 -309.622

正常

6

8

10

12

14

不同凸模圆角半径下的最大变薄、变厚率如图4.17所示：

706050百分比@3020100681012凸模圆角半径mm14最大变薄率最大变厚率

图4.17 不同凸模圆角半径下的最大变薄、变厚率

不同凸模圆角半径下的应变如图4.18所示：

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10.80.6第 39 页 共 49 页

应变0.40.20-0.2-0.4凸模圆角半径mm68101214最大正应变最大负应变

图4.18不同凸模圆角半径下的应变

不同凸模圆角半径下的应力如图4.19所示：

5004003002001000-100-200-300-400应力Pa最大正应力最大负应力68101214凸模圆角半径mm

图4.19 不同凸模圆角半径下的应力

不同凸模圆角半径下的成形极限如图4.20所示：

破裂

破裂危险

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（a）凸模圆角半径=6mm (b) 凸模圆角半径=8mm

(c) 凸模圆角半径=10mm (d) 凸模圆角半径=12mm

(e) 凸模圆角半径=14mm

图4.20 不同凸模圆角半径下的成形极限

结果分析如下：

1）图4.16，当凸模圆角半径较小为6mm时，板料的最大变薄率很大，板料受力增加，随着圆角半径的增大，受力面积增大，板料的成形效果越来越好，由图4.20可看出，凸模圆角半径过小时，板料出现拉裂以及拉裂危险区，且边缘部分起皱。

2）凸模圆角半径太小，危险断面处的抗拉强度则降低减小了坯料的极限变形程度，但凸模园角半径太大，相应地就减小了凸模与坯料的接触面积，也就是增加了坯料的悬空部分，则增加了材料起内皱的可能性。

通过上面的分析可知，凸模圆角半径取12mm。

4.6 不同凸凹模直壁转角半径对锥形盒件的成形影响分析

为了防止在冲压过程中，由于凸凹模直壁转角半径过小导致板料冲压不充分，转角半径过大导致开裂趋势。所以要选取合适的凸凹模直壁转角半径。实验方案如下：

1）凸、凹模的间隙为1.1t，凸、凹模圆角半径12mm； 2）材料参数如表3.1，料厚2mm，摩擦系数0.125；

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