拉深新工艺测量平台及实验研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 2.46MB 71 页 15积分
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摘 要
随着汽车工业飞速发展，对金属板料拉深成形技术提出了更高的要求。板料
成形过程有两种基本类型的失效模式：起皱和破裂。压边力（BHF）是拉深成形
过程中的一个重要的工艺参数，也是成形中的重要控制手段，其主要作用是产生
摩擦阻力，以增加板料中的拉应力、控制材料的流动、避免起皱和破裂。合理控
制成形过程中的压边力，可以消除这些缺陷，提高成形性能。由于其在拉深过程
中的重要作用以及生产中易于调节、控制，一些汽车工业较为发达的国家，正在
进行着变压边力（VBHF）拉深新工艺方法的研究。
本文主要对拉深新工艺进行测量平台进行研发。应用板料成形原理，对车灯
反射镜进行研究反向推导出弹性圈的研究，运用 HyperMesh 软件对车灯反射镜成
形过程进行整体建模，进一步研究弹性圈。运用 LabVIEW 软件对新拉深工艺测量
平台进行了研发，并配合 YT32-315C 四柱液压机和车灯反射镜数控充液拉深液压
机，分别对矩形盒件和车灯反射镜拉深进行了实验研究，通过对实验结果的分析
和讨论，得到性能稳定、采集速率较快、精度较高的拉深新工艺数据测量平台,为
进一步研究分区变压边力提供了坚实的实验基础。
关键词：板料成形 拉深新工艺 分区变压边力 HyperMesh 数据采集
LabVIEW
ABSTRACT
With automobile industry has made great developments, so higher requirements
on sheet metal forming technology have been put forward. Deep drawing technology
takes the most important place in sheet metal forming. Two defects in deep drawing
process are: wrinkling and fracture. Blank holder force (BHF), a most important
technical parameter, is used to control metal flow and avoid wrinkling and fracture.
Reasonable control of the BHF can avoid these defects and improve sheet metal
formability. For the big use and easy adjusting and control of BHF, many automobile
countries in the world are studying on a new deep drawing technology of variable blank
holder force (VBHF).
In this paper, drawing on new technology to measure research and development
platform. Application of sheet metal forming theory, research on mirror reverse lights
derive the circle of elastic, the use of software Hypermesh lamp reflector forming an
overall model, further study elastic ring. The use of LabVIEW software, drawing on
new research and development process measurement platform, and with the YT32-315C
column hydraulic machine and the light reflector NC hydromechanical deep drawing
hydraulic press, respectively, parts and lights on the rectangular box drawing mirror
were studied experimentally Through analysis and discussion of experimental results
obtained, stable performance, fast acquisition rates and high precision measurement data
drawing new technology platform for the further study of variable blank holder force
district to provide a solid experimental basis
Key Words: Sheet metal forming，
Drawing new technology，
SBVBHF,
HyperMesh，DAQ，LabVIEW
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ……………………………………………………………………… 1
§1.1 引 言……………………………………………………………………… 1
§1.2 压边力控制技术研究的国内外现状 …………………………………… 2
§1.2.1 压边力的闭环控制 ………………………………………………… 2
§1.2.2 不同压边装置研究 ………………………………………………… 2
§1.2.3 分区液压拉深垫系统 ……………………………………………… 3
§1.2.4 传感器技术研究 …………………………………………………… 4
§1.2.5 小结 ………………………………………………………………… 5
§1.3 研究目的、意义和内容…………………………………………………… 5
第二章 板料冲压成形有限元模拟理论 ……………………………………… 6
§2.1 概述 ……………………………………………………………………… 6
§2.2 屈服准则 ………………………………………………………………… 6
§2.2.1 厚向各向异性屈服准则 …………………………………………… 6
§2.2.2 面向各向异性屈服准则 …………………………………………… 7
§2.3 弹塑性矩阵的广义形式 ………………………………………………… 8
§2.4 Hill 屈服准则下的本构关系…………………………………………… 12
§2.5 本章小结………………………………………………………………… 13
第三章 车灯反射镜弹性垫圈的数值模拟研究………………………………… 14
§3.1 前言 ………………………………………………………………………14
§3.2 HyperMesh 软件介绍…………………………………………………… 14
§3.3 车灯反射镜弹性垫圈计算机仿真模型的建立………………………… 15
§3.3.1 CAD 造型…………………………………………………………… 15
§3.3.2 网格的合理划分…………………………………………………… 17
§3.3.3 影响成形效果的各种参数………………………………………… 18
§3.3.4 毛坯形状和尺寸的确定…………………………………………… 20
§3.3.5 压边力-容腔液压力组合的确定 ………………………………… 21
§3.4 车灯反射镜充液拉深模拟……………………………………………… 21
§3.5 本章小结………………………………………………………………… 25
第四章 测量平台的开发 ………………………………………………………… 26
§4.1 虚拟仪器………………………………………………………………… 26
§4.1.1 虚拟仪器概念……………………………………………………… 26
§4.1.2 虚拟仪器的发展…………………………………………………… 26
§4.1.3 虚拟仪器的特点…………………………………………………… 26
§4.2 图形化软件开发平台——LabVIEW 软件……………………………… 27
§4.2.1 LabVIEW 简介……………………………………………………… 27
§4.2.2 LabVIEW 特点……………………………………………………… 27
§4.3 数据采集系统的软件开发 ……………………………………………… 28
§4.3.1 系统主要功能 ……………………………………………………… 28
§4.3.2 采集卡介绍和通道配置 …………………………………………… 28
§4.3.3 采集程序编制 ……………………………………………………… 29
§4.3.4 模拟信号输入程序编制 …………………………………………… 31
§4.3.5 图像存储程序编制 ………………………………………………… 31
§4.3.6 数据显示与存储程序编制 ………………………………………… 32
§4.3.7 图表显示程序编制 ………………………………………………… 33
§4.3.8 前面板设计 ………………………………………………………… 34
§4.4 本章小结………………………………………………………………… 35
第五章 分区变压边力拉深实验研究…………………………………………… 36
§5.1 线路连接与实验步骤…………………………………………………… 36
§5.1.1 线路连接…………………………………………………………… 36
§5.1.2 实验步骤…………………………………………………………… 37
§5.2 实验仪器介绍…………………………………………………………… 39
§5.2.1 BHR-4 型电阻应变荷重传感器…………………………………… 39
§5.2.2 MDA-100 直流位移传感器………………………………………… 40
§5.2.3 YD-21 型动态电阻应变仪………………………………………… 40
§5.3 矩形盒实验通道标定…………………………………………………… 41
§5.3.1 长边通道…………………………………………………………… 41
§5.3.2 短边通道…………………………………………………………… 42
§5.3.3 角边通道…………………………………………………………… 43
§5.3.4 拉深位移通道……………………………………………………… 43
§5.4 矩形盒件实验与数据采集……………………………………………… 44
§5.5 矩形盒实验结果比对…………………………………………………… 52
§5.6 车灯反射镜实验………………………………………………………… 53
§5.6.1 实验准备和坯料尺寸确定………………………………………… 53
§5.6.2 实验与数据采集…………………………………………………… 54
§5.6.3 实验结果分析……………………………………………………… 59
§5.7 本章小结………………………………………………………………… 59
第六章 总结与展望 ……………………………………………………………… 61
§6.1 全文总结………………………………………………………………… 61
§6.2 研究展望………………………………………………………………… 62
参考文献…………………………………………………………………………… 63
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果………………………… 67
致 谢 ……………………………………………………………………………… 68
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题来源及意义
课题来源于上海市自然科学基金项目。
在板料拉深成形过程中，如毛坯的相对厚度较小，拉深系数较小，那么凸缘
变形区在切向压边力的作用下容易发生失稳起皱，筒壁传力区凸模圆角与筒壁相
切处在径向拉应力的作用下发生破裂。起皱的本质是压缩失稳现象,而破裂的本质
是拉伸失稳现象，在成形过程中不产生破裂现象是生产合格零件的前提，但由于
压缩不稳定引起的皱纹在贴模时能否消除，也决定着零件成形的成败。
在冲压过程中，为了防止起皱需要对冲压件施加一定的压边力（Blank Holder
Force 简称 BHF）。压边圈则是通过调节正向压力改变毛坯与模具接触面的摩擦力，
增加板料中的径向拉应力，减少毛坯的切向压应力并厚向支撑，达到控制金属流
动避免起皱的目的。压边力的大小是板料成形重要的工艺参数，它也是板料拉深
成形中的重要控制手段。一般说来，压边力过小，则无法有效地控制材料的流动，
板料容易起皱。反之压边力过大，虽然可以避免起皱，但是拉破趋势会明显增加，
同时模具和材料的表面受损可能性也相应增大，从而影响模具寿命和板料拉深成
形的质量。
在生产实践过程中，为了提高生产率和产品质量，要求尽可能一次成形，这
样压边力参数的合理取值、控制和调整则成为控制金属流动防止出现起皱和破裂
的最重要的手段之一。如果在板料上都施加相同的压边力，就容易导致有些部位
起皱，有些部位破裂的缺陷，因此，国内外学者提出了随位置和时间变化的压边
力控制方式。分区变压边力（Segmented Binder Variable Blank Holder Force 简称
SVBHF）是指板料成形过程中在板料的不同位置施加大小不同的压边力，不少学
者还把压边力在不同位置随时间或位移变化也列入分区变压边力的范畴[1]。采用这
种变压边力控制技术不仅可以提高板料的成形性能，减少和消除成形过程中起皱
和破裂等缺陷，而且能提高冲压件的尺寸精度和冲压成形的稳定性[2]。因此对此种
拉深新工艺建立测量平台显得尤为重要。
拉深新工艺测量平台及试验研究
2
§1.2 压边力控制技术研究的国内外现状
§1.2.1 压边力的闭环控制
1915 年Havranek 首先提出了确定起皱曲线（WLC）的方法[3]，他首先通过锥
形杯的成形实验得出了起皱断裂临界曲线图。随后 Hardt 和Lee 提出了两种闭环
控制压边力的方法[4]：一是在整个拉延过程中压边力恒定不变且保持在既不起皱
又不至于破裂的最小水平上，另一种方法就是通过控制毛坯流进模腔的体积来控
制压边力。实验结果表明上述方法虽然没有增加极限拉延深度，但明显地降低了
极限拉延深度对压边力变化的敏感性。20 世纪 90 年代初 Hardt 等人继续用闭环控
制的方法来寻求压边力的最优行程曲线，掀起了变压边力研究的热潮。
§1.2.2 不同压边装置研究
目前，在冲压生产中为了实现压边力作用而常采用的压边装置有两类[5]，一类
以橡胶、聚氨脂橡胶、弹簧、气液缸等作为装置的弹性压边装置，另一种是间隙
固定式的刚性压边装置。
1）刚性压边装置
用于双动拉深压力机上的刚性压边圈的工作原理如图 1.1 所示。拉深凸模固
定在压力机的内滑块上，压边圈固定在外滑块上，在每次冲压行程开始时，外滑
块带动压边圈先下行压在毛坯外边缘上并在此位置停止不动，随后内滑块带动凸
模下行并开始进行拉深成形。当冲压过程结束后，内滑块回升，紧跟着外滑块也
带着压边圈回复到最上位置，这时工作台下的顶出装置将零件从拉深凹模内顶出。
1.内滑块 2.外滑块 3.拉深凸模 4.落料凸模兼压边圈 5.落料凹模 6.拉深凹模
图 1.1 双动拉深压力机用拉深模刚性压边
第一章 绪论
3
2）弹性压边装置
装在单动拉深压力机上的弹性压边装置如图 1.2 所示。弹簧的作用力通过顶
杆传到压边圈上，并把毛坯的法兰边压紧起到防皱作用。弹性压边圈有弹簧垫、
橡皮垫和气动（或气液联动）的气垫等。从 3种压边圈的压边力与行程关系，可
知气垫的压边力随行程变化很小（甚至不变），因此压边效果较好。
1. 冲裁凸模兼拉深凹模 2.卸料板 3.拉深凸模 4.冲裁凹模 5.顶杆 6.弹簧
图 1.2 单动压力机用拉深模弹性压边
在传统生产中，通常采用刚性压边圈，其压边力的分布近似均匀[6]。对于汽
车车身覆盖件，前文已指出，拉深成形若采用恒定均匀压边，则会导致起皱和破
裂。为此，Doege 和Sommer 提出，汽车覆盖件拉深应采用弹性压边装置[7,8]。
§1.2.3 分区液压拉深垫系统
20 世纪 80 年代中期，德国压力机制造商舒勒(Schuler)公司开发研制了一种
液压拉深垫[9,10]，该拉深垫四个液压缸的压力可以根据工作需要自动进行调整，极
大地改进了拉深垫的压边功能。这种液压拉深垫主要用在多工位压力机系统的拉
探工位中,也可以用到单动压力机上完成拉探工序。这种液压拉深垫的出现给金属
板料冲压工艺带来了一定影响。之后,维尔森、日立、小松等公司也相继推出了这
种液压拉深垫。
为了检验以上这些压边力局部调节办法的有效性，多种改进型冲压过程控制
设备已经出现。德国 Stuttgart 大学的金属成形技术研究所研制了一种自适应单动
压力机（包括很多独立工作和控制的液压缸）,这种机构加上 Siegert 等人设计的多
摘要：

摘要随着汽车工业飞速发展，对金属板料拉深成形技术提出了更高的要求。板料成形过程有两种基本类型的失效模式：起皱和破裂。压边力（BHF）是拉深成形过程中的一个重要的工艺参数，也是成形中的重要控制手段，其主要作用是产生摩擦阻力，以增加板料中的拉应力、控制材料的流动、避免起皱和破裂。合理控制成形过程中的压边力，可以消除这些缺陷，提高成形性能。由于其在拉深过程中的重要作用以及生产中易于调节、控制，一些汽车工业较为发达的国家，正在进行着变压边力（VBHF）拉深新工艺方法的研究。本文主要对拉深新工艺进行测量平台进行研发。应用板料成形原理，对车灯反射镜进行研究反向推导出弹性圈的研究，运用HyperMesh软件...

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