畢業(yè)論文范文——高溫合金盒形件整體拉深工藝研究

1、<p><b>　　西安航空職業(yè)學(xué)院</b></p><p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　高溫合金盒形件整體拉深工藝研究</p><p>　　姓 名： </p><p>　　專 業(yè)：  航空電子

2、 </p><p>　　班 級(jí)： </p><p>　　完成日期： </p><p>　　指導(dǎo)教師: </p><p>　　[摘 要] 針對(duì)高溫合金盒形零件，以成形零件質(zhì)量為研究對(duì)象，采用數(shù)值模

3、擬和工藝試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)零件的成形工藝進(jìn)行了研究。利用有限元模擬分析軟件PAMSTAMP2G對(duì)高溫合金盒形件成形過程進(jìn)行了有限元模擬仿真，分析了壓邊力等工藝參數(shù)對(duì)成形零件起皺和拉破等工藝缺陷的影響，得到了該零件最優(yōu)的壓邊力加載方式。為試驗(yàn)研究提供了參考依據(jù)。</p><p>　　[關(guān)鍵詞] PAMSTAMP2G，數(shù)值模擬，高溫合金，拉深</p><p><b>　　1 引言&

4、lt;/b></p><p>　　高溫合金具有較高的高溫強(qiáng)度，優(yōu)異的持久、蠕變和疲勞性能，同時(shí)具備良好的加工和焊接性能，廣泛用于航空、航天、石化等領(lǐng)域[1]。高溫合金鈑金零件拉深成形工藝是其塑性成形的一種重要方法，但由于高溫合金板料的成形難度，起皺和破裂是板料拉深成形過程中的主要成形缺陷。影響板料成形質(zhì)量的主要因素有壓邊力的大小、拉伸模具的相關(guān)參數(shù)、摩擦條件及坯料形狀等[2]。其中壓邊力是影響成形質(zhì)量的重要

5、因素，壓邊力大時(shí)，板料材料流動(dòng)困難，板料容易破裂；壓邊力小時(shí)，成形過程中材料流動(dòng)無法得到有效控制，零件容易產(chǎn)生起皺缺陷。如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)零件在拉深成形過程中的起皺或破裂的趨勢(shì)是決定工藝過程以及最終成形質(zhì)量的先決條件。</p><p>　　本文以高溫合金盒形件為研究對(duì)象，以成形后零件破裂和起皺為衡量標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用有限元模擬分析軟件PAM-STAMP2G對(duì)其成形過程進(jìn)行了有限元模擬仿真，針對(duì)仿真預(yù)測(cè)的成形缺陷優(yōu)化了成形工藝，

6、為試驗(yàn)研究提供了參考依據(jù)。</p><p>　　2 零件成形工藝性分析</p><p>　　如圖1所示為所要成形的零件，材料為GH4099，厚度1mm，整體為U形截面漸縮型曲面，三面為單向彎曲曲面，尾段圓角為雙曲面，R8mm漸變?yōu)楹蠖嗣娴腞3mm，高度138 mm，彎邊寬15mm，最大寬度157 mm，最小寬度77 mm。從零件示意圖可看出，該零件形腔較深，工藝較為復(fù)雜，如果直接拉深成形，

7、會(huì)使零件拉裂。因此考慮對(duì)零件進(jìn)行型面補(bǔ)充，補(bǔ)型后的零件如圖2所示。由圖可見，零件從中間對(duì)稱，增加了零件兩端工藝補(bǔ)充面。通過多道次成形，最終達(dá)到成形出整體拉深毛坯的目的。零件成形后進(jìn)行切割，成為要求的零件。</p><p><b>　　圖1 零件模型</b></p><p>　　圖2 零件成形道次設(shè)計(jì)及工藝補(bǔ)充面</p><p>　　2.1 拉深

8、成形的特點(diǎn)</p><p>　　一塊平面板料在凸模壓力作用下通過凹模形成一個(gè)開口空心件的壓制過程稱為拉深。所謂多道次拉深，就是當(dāng)零件的變形程度超過了材料一次成形所允許的最大變形程度，零件的拉深系數(shù)小于一次拉深成形的極限拉深系數(shù)時(shí)，將零件的總變形量進(jìn)行分配，每次完成零件的一部分變形，再以筒形件半成品為毛料，進(jìn)一步減小直徑，增加筒壁高度，這樣經(jīng)過多次拉深成形，最后制成所需零件的成形工藝。</p><

9、;p>　　2.2有限元仿真設(shè)置</p><p>　　計(jì)算機(jī)應(yīng)用和工程中的數(shù)值分析日益普及，促進(jìn)了有限元方法（FEM）的不斷發(fā)展。這種方法源于結(jié)構(gòu)分析，但其理論普遍性使它可以應(yīng)用于實(shí)際工程中很多類型的問題。與其他塑性加工模擬方法相比，有限元法功能強(qiáng)、精度高、解決問題的范圍廣，可采用不同形狀、不同大小和不同類型的單元離散任意形狀的變形體，適用于任意速度邊界條件，方便地處理模具形狀、工件與模具之間的摩擦、材料的硬

10、化效應(yīng)、速度敏感性以及溫度等多種工藝因素對(duì)塑性成形過程的影響，模擬整個(gè)金屬成形過程的流動(dòng)規(guī)律以獲得變形過程任意時(shí)刻的力學(xué)信息和流動(dòng)信息，如應(yīng)力場(chǎng)、速度場(chǎng)以及預(yù)測(cè)缺陷的形成和擴(kuò)展。其關(guān)鍵技術(shù)有：求解方法、單元構(gòu)形、材料模型和接觸模型。</p><p>　　顯式算法的優(yōu)勢(shì)在于：計(jì)算強(qiáng)壯、穩(wěn)健，運(yùn)算中無須迭代，只要時(shí)間步長夠小，就不會(huì)出現(xiàn)計(jì)算不收斂。因此主要用于處理復(fù)雜的接觸和變形問題，如高速?zèng)_擊、爆炸等。對(duì)于隱式計(jì)算

11、，在Δt 時(shí)間域里，加速度、速度和位移的關(guān)系是一個(gè)非線性方程組。若不考慮計(jì)算精度和迭代收斂，隱式算法的計(jì)算速度明顯高于顯式算法。其缺陷在于：每一步計(jì)算都必須迭代求解復(fù)雜的非線性方程組，因此在計(jì)算相同單元數(shù)目的問題時(shí)，隱式算法所需要的計(jì)算時(shí)間更多、空間更大。隱式算法主要用于求解結(jié)構(gòu)力學(xué)上受力、變形和接觸不是劇烈變化的問題，如動(dòng)/靜態(tài)受力分析、熱傳導(dǎo)分析等。表2 將顯式算法和隱式算法進(jìn)行了對(duì)比，使兩者之間的區(qū)別一目了然。</p>

12、<p>　　顯式和隱式計(jì)算方法的對(duì)比</p><p>　　在板成形有限元模擬中，核心對(duì)象就是板料網(wǎng)格變形。所以應(yīng)盡可能地選擇合適的網(wǎng)格類型，并合理地劃分網(wǎng)格，減少非正常單元的數(shù)目。，常見的殼單元形式如下表：</p><p><b>　　單元類型對(duì)比</b></p><p>　　在接觸力方面，最常用的為罰函數(shù)法和拉格朗日乘子法。板成

13、形模擬中，罰函數(shù)（Penalty）接觸算法是最有效、最強(qiáng)壯的接觸問題處理方法，但計(jì)算精度較低。非線性罰函數(shù)（Accμrate-Non linear penalty）接觸算法本質(zhì)上還是罰函數(shù)算法，但接觸剛度/罰因子不再是常數(shù)，從而小穿透也能迅速產(chǎn)生足夠的接觸反作用力。該算法適合于后續(xù)存在回彈計(jì)算的沖壓成形過程模擬。拉格朗日（Lagrange）接觸算法中，從節(jié)點(diǎn)和主動(dòng)面間是沒有穿透存在的，因此該算法計(jì)算精度高，適合求解接觸力非常高的情況（如

14、液壓成形），但計(jì)算消耗比較高，且對(duì)網(wǎng)格的要求也高。</p><p>　　經(jīng)典庫倫摩擦定律認(rèn)為，當(dāng)摩擦力小于f*N 時(shí)不發(fā)生滑動(dòng)，當(dāng)摩擦力等于f*N 時(shí)，滑動(dòng)產(chǎn)生。這里f 為摩擦系數(shù)，N 為法向接觸力。通常來說：f 為0.05 時(shí)，意味著很好潤滑狀態(tài)；f 為0.1~0.15，常規(guī)普通潤滑狀態(tài)（工業(yè)沖壓成形，本課題選用f=0.12），f 大于0.2 時(shí)，潤滑狀態(tài)差。</p><p>　　3.有

15、限元模型的建立</p><p>　　3.1 有限元模型的建立</p><p>　　本文采用的數(shù)值模型軟件為PAM-STAMP有限元分析軟件，其帶有豐富的材料庫，包括彈塑性材料、加工硬化模型、各向異性模型等一系列的材料模型，所有材料均為實(shí)際工業(yè)測(cè)試的材料數(shù)據(jù)[3]，本文所涉及的材料為GH4099。</p><p>　　PAM-STAMP軟件有建模造型功能，但其造型功能

16、比較簡單，根據(jù)零件特點(diǎn)采用UG三維軟件生成所需曲面的IGS文件，然后然后導(dǎo)入PAM-STAMP數(shù)值模擬軟件。所建立的有限元分析模型如圖3所示，整個(gè)模型包括三道成型模，分別包括凸模、凹模、板料和壓邊筋。然后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格時(shí)一般要求網(wǎng)格質(zhì)量能達(dá)到某些指標(biāo)要求。在重點(diǎn)研究的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位，應(yīng)保證劃分高質(zhì)量網(wǎng)格，即使是個(gè)別質(zhì)量很差的網(wǎng)格也會(huì)引起很大的局部誤差。本文采用軟件對(duì)建立有限元模型進(jìn)行曲面網(wǎng)格自動(dòng)劃分。拉深方式為雙動(dòng)模式。板料

17、初始網(wǎng)格為25mm，網(wǎng)格重劃分等級(jí)為4級(jí)，即一個(gè)單元可被細(xì)分為64個(gè)單元。綜合考慮計(jì)算效率和計(jì)算時(shí)間，沖頭速度選擇為5m/s，摩擦系數(shù)選擇0.12。</p><p>　　圖3 盒形件拉深有限元模型</p><p>　　4 仿真結(jié)果分析及優(yōu)化</p><p>　　將材料參數(shù)輸入有限元仿真軟件PamStamp，開展了成形過程仿真分析，進(jìn)一步論證了成形的可行性。</

18、p><p>　　圖4為整體成形拉深盒形的裂紋預(yù)測(cè)，從圖示藍(lán)色區(qū)域?yàn)榱鸭y區(qū)域，此整體方案一次成形不可能完成，因此才開展了多道此成形模型的設(shè)計(jì)，進(jìn)行方案的優(yōu)化和成形方法的改進(jìn)。</p><p>　　圖4 蒙皮整體成形裂紋預(yù)測(cè)的仿真計(jì)算FLD圖</p><p>　　圖5為三道次成形過程的成形極限圖，可以看出，圖5 (a) 圖5( b)第二道、零件底部區(qū)域和壓邊法蘭遠(yuǎn)離破裂線

19、處于安全區(qū)域，由底部過渡到壓邊法蘭材料主次應(yīng)變?cè)絹碓浇咏屏丫€。而在圖5(c)第三道成形過程，零件出現(xiàn)破裂，破裂位置位于零件尖端頭部圓角處?？梢钥闯龊罄m(xù)道次零件可能會(huì)出現(xiàn)拉裂，但控制得當(dāng)可以不影響產(chǎn)品質(zhì)量，將缺陷控制在余量區(qū)域。合理控制零件的皺紋大小、避免裂紋產(chǎn)生或引導(dǎo)其產(chǎn)生位置，控制零件在拉深的過程中折皺和破裂是盒形件成形的關(guān)鍵。</p><p><b>　?。╝）1道</b></p

20、><p><b>　?。╞）2道</b></p><p><b>　　（b）3道</b></p><p>　　圖5 成形極限分析</p><p><b>　　6 試驗(yàn)分析</b></p><p>　　試驗(yàn)用板料選擇GH4099，材料狀態(tài)為退火態(tài)，料厚1mm

21、。為保證展開料外形尺寸精度，展開料利用多工位轉(zhuǎn)塔沖床數(shù)控下料。試驗(yàn)在250噸閉式雙點(diǎn)曲軸液壓機(jī)上進(jìn)行。該設(shè)備可提供板料拉深成形所需的壓邊力。為減小零件與模具表面的摩擦力，在板料兩面以及模具相應(yīng)型面均勻涂抹潤滑劑。</p><p>　　工藝試驗(yàn)在其參數(shù)相同的情況下同樣采取三種不同的壓邊力（40噸、80噸、120噸）。圖6為壓邊力40噸成形出的零件，可以看出零件周邊產(chǎn)生了嚴(yán)重的褶皺，零件側(cè)壁部位受到的應(yīng)力較大，產(chǎn)生大

22、面積開裂缺陷。圖7為在80噸和120噸壓邊力下零件實(shí)物，可以看出零件產(chǎn)生了開裂，皺紋問題不再影響零件的成形。，在較大的壓邊力作用下，零件起皺紋趨勢(shì)較為困難，受到的校平應(yīng)力較大，同時(shí)流動(dòng)相對(duì)順暢，開裂趨勢(shì)得到一定環(huán)節(jié)。圖8為優(yōu)化壓邊力、和成形工序的條件下成形出的零件實(shí)物，可以看出零件成形完好，零件工作區(qū)域沒有褶皺和開裂。</p><p>　　圖6 拉深零件皺紋、裂紋實(shí)物</p><p>　

23、　圖7 拉深零件輕微皺紋、裂紋實(shí)物</p><p>　　圖8 完整拉深零件實(shí)物</p><p><b>　　7 結(jié)論</b></p><p>　　1）采用有限元軟件PAMSTAMP2G對(duì)高溫合金盒形零件整體分步拉深進(jìn)行模擬，能夠較精確的預(yù)測(cè)起皺、拉裂等成形缺陷。</p><p>　　2）通過模擬發(fā)現(xiàn)壓邊力較小時(shí)板料容

24、易產(chǎn)生起皺現(xiàn)象，而壓邊力過大時(shí)零件容易開裂，通過模擬及試驗(yàn)調(diào)整壓邊力為80噸時(shí)較為合適，能成形出合格零件。</p><p>　　3）通過試驗(yàn)可以看出模擬結(jié)果可信，并且根據(jù)優(yōu)化的工藝參數(shù)成形得到合格零件。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 田野等. 沖壓拉深成形加工中的變壓邊力數(shù)值模擬.長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).

25、2012,3（33） 288-291.</p><p>　　[2] 梅廣益，何春明.基于數(shù)值模擬的割草機(jī)地盤拉深成形工藝分析. 模具工藝 2006,8（32） 97~115.</p><p>　　[3] 李瀧杲，王書恒.金屬板料成形有限元模擬基礎(chǔ). 2008. 97~115.</p><p><b>　　致 謝</b></p>&